CN111553014B - 桩腿及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种桩腿及其设计方法，涉及自升式平台技术领域，包括以下步骤：构建桩腿的整体模型并进行强度计算，获得桩腿长度方向上的受力分布；根据桩腿的实际工况，确定桩腿的整体模型上的可拆卸式接头的参数；根据可拆卸式接头的参数，确定可拆卸式接头处的受力情况，并选择可拆卸式接头的形式；根据可拆卸式接头的形式，进行可拆卸桩腿的结构设计，并进行强度计算，本发明提供的桩腿的设计方法，适用于需要在多个不同区域作业的平台或船舶，可以在现场就能通过简单的方式完成桩腿的拆卸和安装工作，操作方便，且无需在作业区域和码头之间来回往返，因此整个过程速度快，效率高，且不增加额外费用。

Description

桩腿及其设计方法

技术领域

本发明涉及自升式平台技术领域，尤其是涉及一种桩腿及其设计方法。

背景技术

自升式平台的桩腿通常是固定长度的，其桩腿长度按照最大插深和最大作业水深进行设计和建造，然而自升式平台的作业区域并不是固定的，不同作业区域和作业状态下所需要的桩腿长度并不相同，有时桩腿的高度还有会受到各种限制。

当桩腿过长时，为了使平台能够满足限制条件，当前技术水平下只能将过长的桩腿割除，后期再通过焊接方法将割除的桩腿接回，恢复原长度。但桩腿的切割和焊接操作复杂和繁琐，一般只能返回码头完成，无法在施工现场(海上)通过简单的方式完成。切割桩腿和焊接桩腿的费用较高，且在作业区域和码头之间来回往返使得改造效率非常低下；当桩腿长度不够时，由于原桩腿的结构强度问题，当前技术水平下只能新造一个更长且更高强度的桩腿来替换原桩腿，导致改造成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种桩腿和其设计方法，以缓解了现有的桩腿为了使平台能够满足限制条件，需要多次切割桩腿和焊接桩腿，造成的改造效率低，改造费用较高的技术问题。

本发明提供的桩腿的设计方法，包括如下步骤：

构建桩腿的整体模型并进行强度计算，获得桩腿长度方向上的受力分布；

根据桩腿的实际工况，确定桩腿的整体模型上的可拆卸式接头的参数；

根据所述可拆卸式接头的参数，确定可拆卸式接头处的受力情况，并选择可拆卸式接头的形式；

根据所述可拆卸式接头的形式，进行可拆卸桩腿的结构设计，并进行强度计算。

进一步的，所述桩腿的设计方法还包括在所述根据所述可拆卸式接头的形式，进行可拆卸桩腿的结构设计，并进行强度计算的步骤之后，对连接好的桩腿进行实际的强度试验验证。

进一步的，所述根据所述可拆卸式接头的形式，进行可拆卸桩腿的结构设计，并进行强度计算的步骤包括：

可拆卸桩腿的可拆卸式接头区域的桩腿结构设计及强度计算；

可拆卸式接头连接零件的设计及强度计算；

可拆卸桩腿的内部辅助结构设计。

进一步的，所述可拆卸式接头的形式包括内法兰螺栓式接头、夹板式接头、套筒式接头和扣板式接头。

进一步的，所述可拆卸式接头的参数包括可拆卸式接头的个数、位置和工作范围。

进一步的，所述可拆卸式接头处的受力情况包括弯矩，剪力和轴向力。

进一步的，所述构建桩腿的整体模型并进行强度计算采用三维梁系计算模型。

进一步的，所述桩腿为壳体式桩腿。

本发明提供的桩腿，包括多个依次连接的可拆卸桩腿；所述可拆卸桩腿包括桩腿壳体、维修平台和直梯，所述桩腿壳体围成中空的内腔；

相邻两个所述可拆卸桩腿通过设置在所述内腔中的可拆卸式接头连接；

所述维修平台设置在所述内腔中，所述维修平台上设置有平台开孔；所述直梯设置在所述桩腿壳体的内壁上；

所述维修平台上设置有吊耳。

进一步的，所述可拆卸式接头包括第一法兰板、第二法兰板和螺栓组件；

所述第一法兰板设置所述可拆卸桩腿的内腔的一端，所述第二法兰板设置在所述可拆卸桩腿的内腔的另一端；所述第一法兰板上设置有第一通孔，所述第二法兰板上设置有与所述第一通孔对应的第二通孔，所述第一法兰板和所述第二法兰板通过设插装在所述第一通孔和所述第二通孔内的螺栓组件连接。

本发明提供的桩腿的设计方法，包括如下步骤：构建桩腿的整体模型并进行强度计算，获得桩腿长度方向上的受力分布；根据桩腿的实际工况，确定桩腿的整体模型上的可拆卸式接头的参数；根据所述可拆卸式接头的参数，确定可拆卸式接头处的受力情况，并选择可拆卸式接头的形式；根据所述可拆卸式接头的形式，进行可拆卸桩腿的结构设计，并进行强度计算。本发明提供的桩腿的设计方法，适用于需要在多个不同区域作业的平台或船舶，可以在现场就能通过简单的方式完成桩腿的拆卸和安装工作，操作方便，且无需在作业区域和码头之间来回往返，因此整个过程速度快，效率高，且不增加额外费用。

本发明提供的桩腿，包括多个依次连接的可拆卸桩腿；所述可拆卸桩腿包括桩腿壳体、维修平台和直梯，所述桩腿壳体围成中空的内腔；相邻两个所述可拆卸桩腿通过设置在所述内腔中的可拆卸式接头连接；所述维修平台设置在所述内腔中，所述维修平台上设置有平台开孔；所述直梯设置在所述桩腿壳体的内壁上，所述维修平台上设置有吊耳，相邻两个所述可拆卸桩腿通过设置在所述内腔中的可拆卸式接头连接，且在可拆卸桩腿内腔中设置维修平台和直梯，且维修平台上设置有吊耳，用于两个可拆卸桩腿的连接，方便起吊和拔桩。本发明提供的桩腿，可以在需要时通过改变桩腿自身长度，使平台能够在某些限制条件下继续使用，从而提高平台或船舶的环境适应能力，产品竞争力大大提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的桩腿的设计方法的框架图；

图2为本发明实施例提供的桩腿的设计方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的桩腿的设计方法的桩腿可拆卸式接头处的受力示意图；

图4为本发明实施例提供的桩腿的设计方法的可拆卸式接头形式的选择区域示意图；

图5为本发明实施例提供的桩腿的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的桩腿的拆解图；

图7为本发明实施例提供的桩腿的可拆卸式接头的结构图。

图标：100-可拆卸桩腿；110-桩腿壳体；120-维修平台；121-开孔；130-直梯；140-吊耳；200-可拆卸式接头；210-第一法兰板；220-第二法兰板；230-螺栓组件；240-加强板。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图4所示，本发明提供的桩腿的设计方法，包括如下步骤：

构建桩腿的整体模型并进行强度计算，获得桩腿长度方向上的受力分布；根据桩腿的实际工况，确定桩腿的整体模型上的可拆卸式接头200的参数；根据所述可拆卸式接头200的参数，确定可拆卸式接头200处的受力情况，并选择可拆卸式接头200的形式；根据所述可拆卸式接头200的形式，进行可拆卸桩腿100的结构设计，并进行强度计算。

首先，构建桩腿的整体模型并进行强度计算，获得桩腿长度方向上的受力分布。桩腿整体结构设计(不考虑可拆卸式接头)，即采用初步设计尺寸，对整个长度范围内的桩腿结构(不考虑可拆卸式接头200)进行设计，并通过强度计算对该设计进行强度校核。如不满足强度要求，需要重新设计结构尺寸后再进行强度计算，直到强度满足要求为止。

初步设计尺寸为桩腿所有的使用工况中，桩腿使用时最长情况下的尺寸。

构建桩腿的整体模型并进行强度计算采用三维梁系计算模型，即桩腿整体结构的强度计算可以采用三维梁系计算模型，计算载荷应包括平台受到的静载荷和环境载荷，并考虑动态效应和环境载荷的方向性。计算工况应包含所有可能存在的工况，如风暴自存工况，作业工况，预压载工况以及拖航工况。

桩腿的强度计算和校核应为桩腿长度最大时的状态，其计算结果用于确定整个桩腿长度范围内的结构尺寸是否满足需要，并获取桩腿所受载荷(弯矩、剪力和轴向力)在桩腿长度方向的分布。

其次，根据桩腿的实际工况，确定桩腿的整体模型上的可拆卸式接头200的参数。本实施例中，可拆卸式接头200的参数包括可拆卸式接头的个数、位置和工作范围。

根据桩腿的实际工作环境，得到需要的可拆卸式接头的个数，在构建的桩腿模型上的位置，桩腿的实际工部随着自升降式平台的作业区域和作业状态不同，桩腿的所有需要使用的长度，具体可分两种情况考虑：

1)桩腿今后可能需要减少其长度的情况。首先需计算出各种工况下桩腿未拆装之前位于船体以上的剩余长度，然后根据可能遇到的限制条件(即需要减少多少桩腿长度)来确定可拆卸式接头200的位置。可拆卸式接头的个数可根据不同限制条件来确定，但应尽可能避免采用过多的接头个数。

2)桩腿今后可能需要增加其长度的情况。计算出各种工况下桩腿加长后和加长之前的桩腿总长度，两者之差即需要增加的桩腿长度，从而确定可拆卸式接头200的位置。可拆卸式接头的个数可根据不同加长要求来确定，但应尽可能避免采用过多的接头个数。

在确定了可拆卸式接头200的位置以后，根据不同工况可推测出可拆卸式接头200的工作范围，即可拆卸式接头200在桩腿上的最高位置和最低位置，将最高位置和最低位置对应到桩腿的受力分布图中。

再次，桩腿可拆卸式接头200所受到的载荷主要有弯矩，剪力和轴向力，如图3所示。

根据桩腿整体结构强度计算中获取的桩腿所受载荷在桩腿长度方向的分布，以及可拆卸式接头200的工作范围(可拆卸式接头200在桩腿上的最高位置和最低位置)，即可提取在可拆卸式接头200区域内的最大弯矩，最大剪力以及最大轴向力。该载荷分布为桩腿可拆卸式接头200设计的重要输入参数。

壳体式桩腿的可拆卸式接头200基本有四种类型：内法兰螺栓式接头、夹板式接头、套筒式接头和扣板式接头。

内法兰螺栓式、夹板式、套筒式和扣板式。各形式的接头特点如下：

内法兰螺栓式结构简单，拆装方便速度快，但承载能力一般。夹板式和扣板式承载能力强，但结构复杂，拆装速度较慢。套筒式承载能力最强，但同样结构复杂，拆装速度慢，且接头结构重量较大。

如图4所示，根据所提取的可拆卸式接头200受力大小以及可拆卸式接头200区域相对于船体结构的位置，结合四种类型的可拆卸式接头200特点，相应选择合适的接头形式。具体选择方法为；图中A表示高度区域一，此区域内桩腿受力较小，宜采用内法兰螺栓式接头；图中B表示高度区域二，此区域内桩腿受力中等大小，宜采用夹板式或扣板式接头；图中C表示高度区域三，此区域内桩腿受力最大，宜采用套筒式接头。

最后，根据可拆卸式接头200的形式，进行可拆卸桩腿100的结构设计，并进行强度计算和校核。

本发明提供的桩腿的设计方法，适用于需要在多个不同区域作业的平台或船舶，可以在现场就能通过简单的方式完成桩腿的拆卸和安装工作，操作方便，且无需在作业区域和码头之间来回往返，因此整个过程速度快，效率高，且不增加额外费用。

进一步的，根据所述可拆卸式接头200的形式，进行可拆卸桩腿100的结构设计，并进行强度计算的步骤包括：

可拆卸桩腿100的可拆卸式接头200区域的桩腿结构设计及强度计算；可拆卸式接头200连接零件的设计及强度计算；可拆卸桩腿100的内部辅助结构设计。

1)可拆卸式接头200处桩腿结构设计以及强度计算和校核。

根据所选的可拆卸式接头200形式，相应设计可拆卸桩腿100上的可拆卸式接头200区域的桩腿结构，同时对该结构进行强度计算和校核。计算载荷为之前提取的可拆卸式接头200处的最大受力(弯矩、剪力和轴向力)，可拆卸式接头200的结构应能承受这些最大载荷。如不满足强度要求则需修改桩腿结构设计重新计算，直至强度满足要求为止。

由于可拆卸式接头200处结构之间的连接并非焊接，而是接触关系，因此计算需采用三维有限元非线性接触分析。计算模型中按照实际的装配关系建立各部分结构以及零件之间的接触关系。

计算工况应包括正常工作模式和失效工作模式。正常工作模式即所有连接零件都有效的情况。失效工作模式则为部分连接零件失效的情况。为保证接头结构的安全，计算应尽可能的模拟和找出最危险的共况，因此在失效工作模式中，应考虑不同受力方向以及失效零件出现在不同位置的多种失效模式。

以内法兰螺栓连接式接头为例，主要连接零件为螺栓和螺母。正常工作模式即所有连接螺栓和螺母都有效的情况。失效工作模式则为部分连接螺栓和螺母失效的情况。在失效工作模式中，可考虑连续的几个螺栓失效模式、间隔一个螺栓失效模式或间隔两个螺栓失效模式等多种失效模式。

2)可拆卸式接头200零件设计以及强度计算和校核。

可拆卸式接头200零件的设计标准应参照相应的行业标准或规范进行。零件的设计应考虑安装和拆卸的方便性，制造精度和装配精度，同时应具有良好的抗疲劳性能。零件的计算载荷和计算工况的选取与三维有限元非线性接触分析过程中的相同，同样应考虑正常工作模式和多种失效模式。

3)可拆卸桩腿100的内部辅助结构设计。

如图6所示，为实现桩腿现场安装和拆卸的方便操作性，在每段桩腿的可拆卸式接头200下方增加维修平台120提供工作人员站立的处所。维修平台120上设有开孔121，用于人员进入下方的桩腿，且桩腿内部设有垂直直梯130，用于操作人员通行。

另外，为实现改变长度后的新桩腿具有与原桩腿相同的起吊和拔桩功能相同所采取的措施。在每段桩腿的维修平台120上设置吊耳140。

需要说明的是，也可以在最上段的桩腿壳体110顶部封板上设置吊耳140。

进一步的，桩腿的设计方法还包括在所述根据所述可拆卸式接头200的形式，进行可拆卸桩腿100的结构设计，并进行强度计算的步骤之后，对连接好的桩腿进行实际的强度试验验证。

具体地，可拆卸式接头200的强度试验验证也是确保其能安全使用的一个重要环节。可拆卸式接头200的试验分为两部分，连接零件的强度试验和实船全程抬升试验。

连接零件的强度试验即对连接零件进行单独的试验，确保连接零件的强度满足要求。以内法兰螺栓连接式为例，连接零件的试验为连接螺栓和螺母连接的强度试验。

实船全程抬升试验即指在站立状态下，用抬升系统将船体从水面高度一直抬升到桩腿的最高点，用于验证整个桩腿结构强度以及抬升系统设备的可靠性。由于可拆卸式接头200结构也属于桩腿的一部分，因此该试验也能同时验证可拆卸式接头200区域的桩腿结构强度以及整个可拆卸式接头200的强度能否满足要求。全程抬升试验时尽可能使船体抬升到最高点，保证桩腿内可拆卸式接头200承受实际使用过程中的最大载荷。

实船全程抬升过程中桩腿和抬升设备应工作正常，整个抬升和下降过程应平稳顺畅。实船抬升试验成功则说明桩腿的可拆卸式接头200强度满足设计要求。

本实施例中，桩腿为壳体式桩腿。

如图5、图6所示，本发明提供的桩腿，包括多个依次连接的可拆卸桩腿100；所述可拆卸桩腿100包括桩腿壳体110、维修平台120和直梯130，所述桩腿壳体110围成中空的内腔；相邻两个所述可拆卸桩腿100通过设置在所述内腔中的可拆卸式接头200连接；所述维修平台120设置在所述内腔中，所述维修平台120上设置有平台开孔121；所述直梯130设置在所述桩腿壳体110的内壁上；所述维修平台120上设置有吊耳140。

相邻两个所述可拆卸桩腿100通过设置在所述内腔中的可拆卸式接头200连接，且在可拆卸桩腿100内腔中设置维修平台120和直梯130，用于两个可拆卸桩腿100的连接，本发明提供的桩腿，可以在需要时通过改变桩腿自身长度，使平台能够在某些限制条件下继续使用，从而提高平台或船舶的环境适应能力，产品竞争力大大提高。

维修平台120上设置有吊耳140，吊耳140设置在维修平台120的中部，方便起吊和拔桩。

如图7所示，可拆卸式接头200包括第一法兰板210、第二法兰板220和螺栓组件230；第一法兰板210设置所述可拆卸桩腿100的内腔的一端，第二法兰板220设置在可拆卸桩腿100的内腔的另一端；第一法兰板210上设置有第一通孔，第二法兰板220上设置有与第一通孔对应的第二通孔，第一法兰板210和第二法兰板220通过设插装在第一通孔和第二通孔内的螺栓组件230连接。

本实施例中，第一法兰板210和第二法兰板220与桩腿壳体110之间分别设置有多个加强板240，多个加强板240间隔设置在桩腿壳体110的周向上。

需要说明的是，可拆卸式接头200还可以为夹板式接头、套筒式接头和扣板式接头。

综上所述，本发明提供的桩腿的设计方法，包括如下步骤：构建桩腿的整体模型并进行强度计算，获得桩腿长度方向上的受力分布；根据桩腿的实际工况，确定桩腿的整体模型上的可拆卸式接头200的参数；根据所述可拆卸式接头200的参数，确定可拆卸式接头200处的受力情况，并选择可拆卸式接头200的形式；根据所述可拆卸式接头200的形式，进行可拆卸桩腿100的结构设计，并进行强度计算。本发明提供的桩腿的设计方法，适用于需要在多个不同区域作业的平台或船舶，可以在现场就能通过简单的方式完成桩腿的拆卸和安装工作，操作方便，且无需在作业区域和码头之间来回往返，因此整个过程速度快，效率高，且不增加额外费用。

本发明提供的桩腿，包括多个依次连接的可拆卸桩腿100；可拆卸桩腿100包括桩腿壳体110、维修平台120和直梯130，桩腿壳体110围成中空的内腔；相邻两个可拆卸桩腿100通过设置在内腔中的可拆卸式接头200连接；维修平台120设置在所述内腔中，维修平台120上设置有平台开孔121；直梯130设置在所述桩腿壳体110的内壁上，所述维修平台120上设置有吊耳140，相邻两个所述可拆卸桩腿100通过设置在所述内腔中的可拆卸式接头200连接，且在可拆卸桩腿100内腔中设置维修平台120和直梯130，且维修平台120上设置有吊耳140，用于两个可拆卸桩腿100的连接，方便起吊和拔桩。本发明提供的桩腿，可以在需要时通过改变桩腿自身长度，使平台能够在某些限制条件下继续使用，从而提高平台或船舶的环境适应能力，产品竞争力大大提高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种桩腿的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

构建桩腿的整体模型并进行强度计算，获得桩腿长度方向上的受力分布；

根据桩腿的实际工况，确定桩腿的整体模型上的可拆卸式接头的参数；

根据所述可拆卸式接头的参数，确定可拆卸式接头处的受力情况，并选择可拆卸式接头的形式；

根据所述可拆卸式接头的形式，进行可拆卸桩腿的结构设计，并进行强度计算和校验；

所述根据所述可拆卸式接头的形式，进行可拆卸桩腿的结构设计，并进行强度计算和校验的步骤包括，

可拆卸桩腿的可拆卸式接头区域的桩腿结构设计及强度计算；

可拆卸式接头连接零件的设计及强度计算；

可拆卸桩腿的内部辅助结构设计；

所述根据桩腿的实际工况，确定桩腿的整体模型上的可拆卸式接头的参数包括根据桩腿的实际工作环境，得到需要的可拆卸式接头的个数，然后在构建的桩腿模型上计算桩腿所需要的使用长度并以此确定可拆卸接头的位置，之后根据不同工况推测出可拆卸接头的工作范围；

所述计算桩腿所需要的使用长度并以此确定可拆卸接头的位置包括，若桩腿今后可能需要减少其长度，得先计算出各种工况下桩腿未拆装之前位于船体以上的剩余长度，然后根据需要减少多少桩腿长度来确定可拆卸式接头的位置；

若桩腿今后可能需要增加其长度，得先计算出各种工况下桩腿加长后和加长之前的桩腿总长度，两者之差即需要增加的桩腿长度，根据需要增加的桩腿长度确定可拆卸式接头的位置；

所述推测出可拆卸接头的工作范围包括，确定可拆卸式接头在桩腿上的最高位置和最低位置，将最高位置和最低位置对应到桩腿的受力分布图中；

所述可拆卸桩腿的可拆卸式接头区域的桩腿结构设计及强度计算包括，根据桩腿整体结构强度计算中获取的桩腿所受弯矩、剪力和轴向力在桩腿长度方向的分布以及可拆卸式接头的工作范围，提取在可拆卸式接头区域内的最大弯矩，最大剪力以及最大轴向力；

然后计算最大荷载，并判断可拆卸式接头的结构能否承受最大载荷，若不满足强度要求则需修改桩腿结构设计重新计算，直至强度满足要求为止；

所述最大荷载为提取的在可拆卸式接头区域内的最大弯矩，最大剪力以及最大轴向力。

2.根据权利要求1所述的桩腿的设计方法，其特征在于，所述桩腿的设计方法还包括在所述根据所述可拆卸式接头的形式，进行可拆卸桩腿的结构设计，并进行强度计算的步骤之后，对连接好的桩腿进行实际的强度试验验证。

3.根据权利要求1所述的桩腿的设计方法，其特征在于，所述可拆卸式接头的形式包括内法兰螺栓式接头、夹板式接头、套筒式接头和扣板式接头。

4.根据权利要求1所述的桩腿的设计方法，其特征在于，所述可拆卸式接头的参数包括可拆卸式接头的个数、位置和工作范围。

5.根据权利要求1所述的桩腿的设计方法，其特征在于，所述可拆卸式接头处的受力情况包括弯矩，剪力和轴向力。

6.根据权利要求1所述的桩腿的设计方法，其特征在于，所述构建桩腿的整体模型并进行强度计算采用三维梁系计算模型。

7.根据权利要求1-6任一项所述的桩腿的设计方法，其特征在于，所述桩腿为壳体式桩腿。