CN101101084A

CN101101084A - 巨型框架结构导管架

Info

Publication number: CN101101084A
Application number: CNA2007100164196A
Authority: CN
Inventors: 马汝建; 赵东; 李桂喜; 蔡冬梅
Original assignee: University of Jinan
Current assignee: Jinan University; University of Jinan
Priority date: 2007-08-01
Filing date: 2007-08-01
Publication date: 2008-01-09

Abstract

本发明涉及一种固定式海洋平台的支撑结构，特别涉及一种的深海固定式海洋平台的巨型框架结构导管架，该导管架是由主框架和次框架组成，所述的主框架是由立柱结构和2-6层桁架结构组成，所述的立柱结构是由6～20根竖立的巨型柱构成，所述的桁架结构是由焊接在巨型柱上并与巨型柱相垂直的巨型梁构成；次框架为安置在桁架结构上方的平台。本发明的效果：(1)结构整体刚度大，传力明确，具有较强的抗侧力能力。(2)刚度分布均匀。(3)结构简单，施工简便。(4)具有比较好的抗风、抗震性能。(5)具有更大的稳定性和更高的综合性能，可以节省材料，降低造价，使结构物经济耐用。

Description

巨型框架结构导管架

(一)技术领域

本发明涉及一种固定式海洋平台的支撑结构，特别涉及一种的深海固定式海洋平台的巨型框架结构导管架。

(二)背景技术

巨型框架结构是以巨型构件组成的简单而巨型的桁架或框架结构作为主体结构，与其他结构构件组成的次结构共同工作的一种结构体系，其主结构是主要抗侧力体系，次结构只承担竖向荷载，并负责将其所承担的载荷通过巨型梁传给主结构。因此，巨型框架结构是一种超常规的具有巨大抗侧力刚度及整体工作性能的大型结构。由于巨型框架结构具有优良的性能，在陆地高层建筑中得到广泛地应用，取得很好的经济和社会效益。

近年来，由于经济的发展，石油的需求量也逐年递增。为了适应社会的发展和能源的供给，许多国家把石油开发的目光投向资源丰富的海洋，建造了许多海上石油平台。平台建筑在环境恶劣的海洋中，受到多种载荷的作用。概括起来，引起平台振动和破坏的载荷主要有以下几种：地震、波浪、风力、冰载及平台上机器和设备运转产生的激励载荷。在多数情况下，平台受到的载荷不是单一的，而是多种载荷的联合作用。在多种载荷的联合作用下，平台结构将产生剧烈的振动。轻者让工人产生恐慌，重者会导致平台结构的疲劳破坏，造成平台倒塌的灾难。

固定式平台是最常用的一种海洋平台，支撑结构是钢质导管架，一般是用优质钢材焊接而成的空间刚架结构。其功能主要是为海洋平台的上部结构提供支撑。为使平台上机电设备有一个良好而持久的工作环境，就必须使导管架具有足够的强度和刚度，以便在承受巨大的上部结构重力和环境载荷的作用下保持安全和稳定。

我国从1966年在渤海湾建成第一座固定式导管架平台起，已有40多年的历史。在这期间己建成使用的海洋平台有几十座，结构型式主要是钢质导管架式固定平台，主要应用在水深较浅的海域。随着石油勘探和开采向较深水域发展，导管架平台的发展面临许多困难和难以解决的问题。

(1)随着水深的增加，钢导管架平台结构的造价会急剧上升，海上运输和作业时间延长，受环境的影响变大。

(2)海洋平台总体上是垂直布置的悬臂梁，随着结构的增高变大，抗弯刚度下降，抗侧力能力减小，自振周期增长，逐渐接近海浪的振动频率，因此会引起共振。

(3)结构的增大，会使结构水下部分的迎流面积增加。迎流面积的增加，使海浪作用在平台上的拖曳力、惯性力和绕射力增加，加重平台所承受的水平荷载，引起平台整体过大的振动响应，最终导致平台结构的疲劳破坏。

(三)发明内容

本发明为了克服以上技术的不足，提供了一种在非均匀水平和垂直载荷作用下，各个桩腿受力更小，更均匀，具有比较好的静态特性的巨型框架结构导管架。

本发明是通过以下措施来实现的：

本发明的巨型框架结构导管架，是由主框架和次框架组成，其特别之处在于：所述的主框架是由立柱结构和2-6层桁架结构组成，所述的立柱结构是由6～20根竖立的巨型柱构成，所述的桁架结构是由焊接在巨型柱上并与巨型柱相垂直的巨型梁构成；次框架为安置在桁架结构上方的平台。

本发明的巨型框架结构导管架，所述的巨型柱的高度为60-500m，所述的桁架结构为高度4-20m空间格构式桁架，桁架结构的层高为20-60m。优选方案为：所述的巨型柱的高度为100-300m，所述的桁架结构为高度5-15m空间格构式桁架，桁架结构的层高为30-50m。

本发明的巨型框架结构导管架，所述的巨型柱为直径1000～3000mm、壁厚为15～30mm的钢管，所述的巨型梁为直径500～2000mm、壁厚为10～25mm的钢管。优选方案为：所述的巨型柱为直径1500～2500mm、壁厚为15～30mm的钢管，所述的巨型梁为直径500～1500mm、壁厚为10～25mm的钢管。

该发明在深海导管架的设计中引入巨型框架结构，使导管架的抗侧振能力大大提高。该导管架由主框架和次框架组成；主框架由巨型柱和巨型梁构成，是主要承载结构，具有很强的抗侧刚度，能有效承担垂直载荷和抵抗水平载荷；平台上部结构与导管架主框架联结，形成次框架或次结构。次框架或次结构只承担本身的载荷并把载荷传递给主框架。主次结构协调工作，构成刚度均匀，结构合理，传力明确的力学结构体系。该导管架在非均匀水平和垂直静载荷作用下，各个桩腿受力更小，更均匀，具有比较好的静态特性；前三阶振型变形小且协调，具有比较好的刚度质量匹配，没有振型畸变现象产生，具有比较好的动态性能。

本发明的效果：巨型框架结构具有良好的适应性和高效的材料利用率，受到越来越多的关注。概括说来，巨型框架结构具有如下鲜明的特点：

(1)结构整体刚度大，传力明确，具有较强的抗侧力能力。

(2)刚度分布均匀，具有比较好的空间协调性。

(3)结构简单，施工简便，便于缩短施工周期。

(4)具有比较好的抗风、抗震性能。

(5)具有更大的稳定性和更高的综合性能，可以节省材料，降低造价，使结构物经济耐用。

(四)附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图

图2为本发明实施例2的结构示意图

图3为本发明实施例3的结构示意图

图4为普通导管架的结构示意图

图5为直桩导管架的结构示意图

图6为本发明实施例2的Z向载荷施加点的示意图

图7为本发明实施例2的泥面处桩腿节点编号示意图

图8为三种导管架桩腿X向竖向载荷示意图

图9为三种导管架桩腿Y向竖向载荷示意图

图10为三种导管架桩腿Z向竖向载荷示意图

图11为三种导管架桩腿三向竖向载荷标准差示意图

图12为三种导管架桩腿X向竖向应力示意图

图13为三种导管架桩腿Y向竖向应力示意图

图14为三种导管架桩腿Z向竖向应力示意图

图15为三种导管架桩腿三向竖向应力标准差示意图

图16为三种导管架桩腿X向水平载荷示意图

图17为三种导管架桩腿Y向水平载荷示意图

图18为三种导管架桩腿Z向水平载荷示意图

图19为三种导管架桩腿三向水平载荷标准差示意图

图20为三种导管架桩腿X向水平应力示意图

图21为三种导管架桩腿Y向水平应力示意图

图22为三种导管架桩腿Z向水平应力示意图

图23为三种导管架桩腿三向水平应力标准差示意图

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作具体的说明。

实施例1：

本实例的巨型架结构导管架，如图1所示，是由主框架和次框架组成，所述的主框架是由立柱结构和3层桁架结构组成，所述的立柱结构是由6根竖立的巨型柱构成，6根巨型柱分两排，每排3根。所述的桁架结构是由焊接在巨型柱上并与巨型柱相垂直的巨型梁构成，上部平台作为次框架安置在桁架结构上方。

泥线上导管架的高度是70m，导管架的巨型柱为直径1397mm，壁厚20mm的钢管；巨型梁为直径635mm，壁厚19.05mm的钢管构成的空间格构式桁架，共三层，分别布置在泥面上25m、50m和70m处(如图1所示)，三道巨型梁的层高分别是5m、5m和4m；上部平台采用与巨型柱同样材料和尺寸的钢管作为立柱。联接各个立柱的主梁用H1200×350型钢。

实施例2：

本实例的巨型架结构导管架，如图2所示，是由主框架和次框架组成，所述的主框架是由立柱结构和3层桁架结构组成，所述的立柱结构是由16根竖立的巨型柱构成，16根巨型柱分四排，每排4根。所述的桁架结构是由焊接在巨型柱上并与巨型柱相垂直的巨型梁构成，上部平台作为次框架安置在桁架结构上方。

泥线上导管架的高度是110m，导管架的巨型柱为直径1524mm，壁厚20mm的钢管；巨型梁为直径660.4mm，壁厚19.05mm的钢管构成的空间格构式桁架，共三层，分别布置在泥面上37.5m、75m和110m处(如图2所示)，三道巨型梁的层高分别是12.5m、12.5m和7m；上部平台采用与巨型柱同样材料和尺寸的钢管作为立柱。联接各个立柱的主梁用H1200×350型钢。

实施例3：

本实例的巨型架结构导管架，如图3所示，是由主框架和次框架组成，所述的主框架是由立柱结构和5层桁架结构组成，所述的立柱结构是由20根竖立的巨型柱构成，20根巨型柱分五排，每排4根。所述的桁架结构是由焊接在巨型柱上并与巨型柱相垂直的巨型梁构成，上部平台作为次框架安置在桁架结构上方。

泥线上导管架的高度是300m，导管架的巨型柱为直径2794mm，壁厚25.4mm的钢管；巨型梁为直径1524mm，壁厚20mm的钢管构成的空间格构式桁架，共五层，分别布置在泥面上60m、120m、180m、240m和300m处(如图3所示)下面四道巨型梁的层高是20m，最上一道巨型梁的层高是15m；上部平台采用与巨型柱同样材料和尺寸的钢管作为立柱。联接各个立柱的主梁用H1200×350型钢。

下面以实施例2的导管架进行模型构建及静力分析。

1模型构建

不同类型的海洋平台，在相同的竖向静载荷下导管架桩腿承担的载荷是不同的。比较好的设计是将平台的载荷由导管架桩腿均匀承担。因此，模型构建时主要考虑导管架各桩腿承担载荷的均匀性和最大位移。本发明实施例2的巨型框架导管架(简称MFJ)是根据与普通导管架(简称CJ)和直桩导管架(简称UCJ)功能相似的原则构建的。

本发明实施例2的巨型框架导管架的结构示意图如图2所示。

CJ就是现在一般使用的普通导管架。在本发明中，CJ是以W12-1平台导管架为原型重新构建的。导管架的立柱均采用直径1371.6mm，壁厚31.75mm的钢管。联接导管架立柱的斜撑为直径660.4mm，壁厚19.05mm的钢管。构建平台的主梁是H1200×350型型钢，其结构示意图如图4所示。

UCJ的结构参数跟CJ相似，区别就是将导管架的桩腿变成竖直布置，其结构示意图如图5所示。

2竖向载荷作用下的静力分析

2.1竖向荷载

本发明的导管架所承受的竖向载荷主要有平台主体自重、机械设备重量、活体重量和雨雪等。平台自重在平台上均匀分布，最终由桩腿均匀承担。平台上的机械设备则是根据需要或工艺要求安装布置的，重量集中布置在安装点上。以图4所示的W12-1平台为例，平台上生活模块(生活楼加上直升机升降平台)重500t，安装在平台的东侧；16t吊车安装在平台的西北侧；50t的天然气压缩机安装在底层平台的北侧；100t的二级分离器(含油)安装在中层平台的南侧，修井机安装在西侧等等。这些结构由于工艺安装位置的限制，容易造成桩腿载荷分配不均匀。载荷的严重分布不均会引起平台的局部导管架立柱破坏，最终导致平台的倒塌。活体重量主要是平台上工作人员的重量，平台上工作人员比较少，他们的总重量跟平台重量或平台上设备的重量相比非常小，一般设计时不考虑。此处的雨雪载荷也可忽略不计。因此，平台设计时要考虑的竖向载荷主要有平台主结构自重、次结构重量和机械设备重量。

2.2承载均匀性分析

由于使用要求和结构的限制，上部平台结构和装备或装置不会沿整个平台均匀布置，而是根据工艺要求合理安置，这造成导管架桩腿承担载荷不均匀。如本发明原型的生活模块和动力模块都安装在平台一侧，另一侧相对比较空闲，因此会引起载荷分布不均匀，造成部分导管架立柱局部应力过大现象的产生，甚至会引起导管架局部的破坏，造成灾难。因此，在导管架设计时，要求在载荷不能均布的情况下，合理选择类型和结构参数，减轻载荷分布的不均匀性，减小应力集中。为分析三类导管架载荷分配特性，在模型的920和921两个节点(如图6所示)分别施加50kN的力来模拟竖向不均匀载荷，计算导管架各个桩腿承担载荷及应力的大小。图7为三种导管架立柱与泥面接触处节点编号图。由于导管架是对称结构，在图7中选取一半节点(即129到136共8个节点)进行受力及应力分析。三种导管架在相同非均匀载荷下，各个桩腿节点所承受的载荷见图8-10，图11是不同导管架三向载荷的标准差。

不同导管架桩腿所承受的应力如图12-14所示。图15是不同导管架三向应力的标准差。从图中可以看出，在相同非均匀竖向载荷作用下，MFJ各个桩腿所承受的载荷和应力比较小，而且更均匀，因而具有更好的载荷承载能力。

3水平载荷作用下平台静力分析

3.1水平荷载

海洋平台建造在广阔的海平面上，将主要承受海浪、海流、涌、海风、海冰以及舟船碰撞等多种水平载荷。以这些载荷组合的最大值为水平静载荷，对导管架进行承载能力和应力分析。设计海况为水深85m，波高6m，波周期10s。用艾里波理论来计算水质点的水平速度和水平加速度，然后用莫里森方程求解作用在桩柱上的总作用力，并将总力分配到有限元平台模型桩柱的节点上。作用在不同水深处的有限元模型节点上的力见表1(坐标原点在海平面处)。

表1不同水深处导管架立柱的受力

水深(m)	0	-12.5	-25	-37.5	-50	-62.5	-75
水深(m)	0	-12.5	-25	-37.5	-50	-62.5	-75	力(kN)	43.442	26.273	15.890	9.610	5.812	3.515	1.782

3.2承载均匀性分析

在图1-3所示的3种导管架中，作用在水下导管架立柱上的波浪载荷沿水深呈指数衰减分布。有限元分析中，立柱实体上的分布载荷将转换成模型节点的集中载荷。为简化分析，直接在各种有限元模型的节点上沿水深施加表1所示的Y向载荷。三种导管架桩腿与泥面接触处节点编号见图6。由于是对称结构，沿力作用方向上选取一半节点(129、130、133、134、137、138、141和142共8个节点)来进行受力和应力分析。三种导管架在相同水平载荷作用下，桩腿所承受的载荷见图16～图18所示。图19是不同导管架三向载荷的标准差。分析图16～图18，我们可以看出，在Y向水平载荷作用下，桩腿主要承受的也是Z向载荷(竖直方向)，X、Y向(水平方向)载荷相比很小。因此，研究水平载荷下桩腿承担载荷的均匀性问题主要是研究Z向载荷均匀性问题。

桩腿所承受的应力见图20～图22所示，图23是不同导管架三向应力的标准差。由图20～图22可以看出，在相同水平载荷作用下，MFJ各个桩腿承载的载荷和应力更小、更均匀，具有更好的水平载荷承载能力。

以实际生产平台(W12-1采油平台)的导管架为参照来构造巨型框架结构深海导管架，将传统导管架立柱直径增大构成巨型柱，沿平台均匀分布的横撑和斜撑集中并重新布置，形成沿巨型柱合理布置的巨型梁。与现在应用的导管架和直立导管式导管架静力对比分析发现：在相同水平和竖直非均布静力载荷作用下，该发明具有各个桩腿承载更均匀，应力更小的特点，具有更好的载荷承载能力；模态对比分析发现：该发明变形小且变形协调，还没有振型畸变，具有较好的刚度和重力匹配，拥有比较好的动态性能。总之该发明所具有的优点，能够很好地解决固定式平台向深水发展的瓶颈问题，具有重要的理论参考和工程应用价值。

Claims

1.一种巨型框架结构导管架，是由主框架和次框架组成，其特征在于：所述的主框架是由立柱结构和2-6层桁架结构组成，所述的立柱结构是由6～20根竖立的巨型柱构成，所述的桁架结构是由焊接在巨型柱上并与巨型柱相垂直的巨型梁构成；次框架为安置在桁架结构上方的平台。

2.根据权利要求1所述的巨型框架结构导管架，其特征在于：所述的展巨型柱的高度为60-360m，所述的桁架结构为高度4-20m空间格构式桁架，桁架结构的层高为20-60m。

3.根据权利要求2所述的巨型框架结构导管架，其特征在于：所述的巨型柱的高度为100-300m，所述的桁架结构为高度5-15m空间格构式桁架，桁架结构的层高为30-50m。

4.根据权利要求1、2或3所述的巨型框架结构导管架，其特征在于：所述的巨型柱为直径1000-3000mm、壁厚为15-30mm的钢管，所述的巨型梁为直径500-2000mm、壁厚为10-25mm的钢管。

5.根据权利要求4所述的巨型框架结构导管架，其特征在于：所述的巨型柱为直径1500-2500mm、壁厚为15-30mm的钢管，所述的巨型梁为直径500-1500mm、壁厚为10-25mm的钢管。