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晨赞陈
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1 第 35 卷第 1 期海岸工程 2016 年 3 月文章编号 : (2016) 大型海工结构物建造场地滑道强度 * 安全储备分析田会元 1, 史宏达 1*, 高人杰 2, 孟珣 1, 徐明强 1 (1. 中国海洋大学工程学院, 山东青岛 ; 2. 青岛行远海洋工程设计研究有限公司, 山东青岛 ) 摘要 : 为了适应当前的海洋开发需求, 海洋工程结构物的大型化已成为必然发展趋势, 这使得原有海工建造施工场地的滑道处于临界承载状态, 给安全生产带来了巨大隐患本文针对典型滑道结构, 采用有限元参数化建模技术 (ANSYSParametricDesignLanguage,ANSYS- APDL) 模拟上部载荷滑块在滑道板上的灵活布置, 对滑道强度储备进行分析研究表明 : 设计载荷下, 滑道板的强度储备较滑道桩体及滑道桩侧土小, 滑道强度的控制因素为滑道板强度 ; 改变上部载荷滑块的位置, 探索不同位置处滑道极限承载力, 提高施工建造过程中滑道利用率关键词 : 滑道 ; 极限承载力 ; 强度储备 ;ANSYS-APDL 中图分类号 :U 文献标识码 :A doi: /j.issn 在海洋结构物组件的建造及由陆至水的移运过程中, 滑道是支撑整个组件重量的基 [1-3] 础, 滑道结构是否稳定将直接影响到整个施工过程的安全性随着科技进步和行业发展, 海洋工程结构物组件的体积和重量也在不断增加, 组件的 [4] 大小及建造运输方式对滑道的承载能力提出了更高的要求研究以某大型海工结构物典型滑道为例, 对滑道强度安全储备进行分析 1 工程概况随着海洋工程结构重量的递增, 要求的滑道承载力有时会超过计划使用的标定承载 [5-6] 力, 则该条滑道不能满足项目建造要求若滑道块在滑道板上的布置位置并不在最不利位置, 相反处于承载力相对较大的位置, 该处的承载力有可能比标定承载力大为了挖掘滑道承载力的潜力, 使其满足日益增长的海洋结构物支反力要求, 在不降低安全储备并符合国家规范的前提下, 本文对滑道承载力的强度储备进行深入探讨实际工程中, 海洋结构物组件重量分布多不均匀, 不能简单地考虑在均匀分布的基础 * 收稿日期 : 作者简介 : 田会元 (1991-), 女, 硕士研究生, 主要从事海洋可再生能源开发利用和港口海岸及近海工程方面研究. tianhuiyuanzj@163.com * 通讯作者 : 史宏达 (1967-), 男, 教授, 博士, 主要从事海洋可再生能源开发利用和港口海岸及近海工程方面研究. hd-shi@ouc.edu.cn ( 王佳实编辑 )

2 第 35 卷田会元, 等 : 大型海工结构物建造场地滑道强度安全储备分析 59 上乘以一定的系数, 需通过钢结构支腿滑靴钢板和垫块将上部组件的重量以均布荷载的形式传递至滑道面板图 1 滑道平面布置图 (mm) Fig.1 Layoutmapoftheslipway(mm) 图 1 为研究计算的滑道平面布置图, 左侧为临海侧, 右侧为陆侧此滑道共有 11 种板, 平面尺寸厚度配筋率及板下对应桩的桩径和数目不同, 研究以框内滑道板为例进行详细计算分析, 该滑道板位于滑道的中间位置, 是滑道上 11 种滑道板中数量最多的典型滑道板, 该滑道板对应的上部载荷分布及断面如图 2, 图 3 所示图 2 上部载荷分布图 (mm) Fig.2 Distributionoftheupperload(mm) 图 3 滑道断面图 (mm) Fig.3 Sectionoftheslipway(mm) 2 有限元模型利用 APDL 与宏技术组织管理 ANSYS 有限元命令, 实现参数化建模参数化荷载施加等用 Solid65 单元模拟滑道的钢筋混凝土结构,Solid65 单元是专门用于混凝土岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料单元, 可以模拟混凝土中的加强钢筋和混凝土材料的拉裂和压碎破坏根据设计图纸计算不同跨中及桩上板带的配筋率, 进而建

60 海岸工程第 1 期立桩上板带和跨中板带参考滑靴位置分布, 在滑靴与滑块接触面上施加向下的均布荷载, 嵌岩桩的作用模拟为刚性垫片, 且将刚域底部全约束, 滑道板有限元模型如图 4 所示滑道设施所承受的垂直力全部由滑道板下方的嵌岩桩或沉箱基础承担, 滑道板各段之间均埋置有传力销管以消除各段之间的差异沉降

3 60 海岸工程第 1 期立桩上板带和跨中板带参考滑靴位置分布, 在滑靴与滑块接触面上施加向下的均布荷载, 嵌岩桩的作用模拟为刚性垫片, 且将刚域底部全约束, 滑道板有限元模型如图 4 所示滑道设施所承受的垂直力全部由滑道板下方的嵌岩桩或沉箱基础承担, 滑道板各段之间均埋置有传力销管以消除各段之间的差异沉降组块滑移下水过程中在滑道上拖拽产生的巨大水平力均采用按桩距摆放的简支滑块临时形成的压柱, 转化成压柱内力来消除, 因此嵌岩桩不承受水平作用力, 故可将刚域所承受的总垂向压力作为荷载输入施加到桩顶图 4 滑道板有限元模型示意图 Fig.4 Finiteelementmodeloftheslipwayslab 桩体结构与土体的相互作用是一种高度非线性行为, 其接触状态随荷载材料边界条件等发生变化, 同时也存在摩擦非线性问题研究取桩体面积作为目标刚性接触面, 单元类型为 TARGE170; 各层土表面作为柔性接触面, 单元类型为 CONTA173 采用面面接触的方式来模拟桩体与土体的接触效果图 5 Drucker-Prage 屈服面 Fig.5 Drucker-Prageyieldsurface 岩石和土壤材料受压屈服强度远大于受拉屈服强度, 且材料受剪时, 颗粒会膨胀, 常用的 VonMises 屈服准则不适用于这类材料更能准确描述这类材料的强度标准为 [7] Drucker-Prager 准则, 使用该准则的材料简称为 DP 材料 DP 材料的特征参数为黏聚力 c, 内摩擦角 φ, 膨胀角 ψ, [7] 其屈服准则的表达式为 F =3βσm = [ 1 2 { S} T [M]{S}] 1/2 -σ y =0, (1)

第 35 卷田会元, 等 : 大型海工结构物建造场地滑道强度安全储备分析 61 式中, β 为材料常数, 与内摩擦角 φ 有关 ;σm 为平均应力 ;{S} 为偏应力 ;[M] 为 Mises 屈服准则中的偏应力修正系数 ;σ y 为屈服应力, 与黏聚力 c 和内摩擦角 φ 有关对于 DP 材料, 当材料参数 β σ y 给定后, 屈服面为图 5 所示的圆锥面 3 滑道强度控制因素分析

4 第 35 卷田会元, 等 : 大型海工结构物建造场地滑道强度安全储备分析 61 式中, β 为材料常数, 与内摩擦角 φ 有关 ;σm 为平均应力 ;{S} 为偏应力 ;[M] 为 Mises 屈服准则中的偏应力修正系数 ;σ y 为屈服应力, 与黏聚力 c 和内摩擦角 φ 有关对于 DP 材料, 当材料参数 β σ y 给定后, 屈服面为图 5 所示的圆锥面 3 滑道强度控制因素分析早期海洋石油平台组块滑移装船过程中, 分析的侧重点往往是平台组块结构本身的安全性, 很少考虑滑道结构的安全性, 随着海洋工程结构物大型化发展趋势, 滑道结构在平台组块的建造和滑移装船阶段中的安全, 也应该给予足够的关注滑道板滑道桩体以及滑道桩侧土体的承载力共同决定着滑道的最终强度滑道板的受力云图如图 6 所示在设计载荷作用下, 按照水运工程混凝土结构设计规范 [8] 计算滑道截面受弯弯距 M= N m 滑道板底部由 49 个节点进行支撑, 通过估算每个节点所能承受的最大压力, 确定传递给桩的载荷大小为 N1= kn 图 6 设计载荷作用下滑道板应力云图 Fig.6 Stressnephogramoftheslipwayslabunderthedesignedload 根据地质勘察资料, 整个底部土层分为 3 部分 : 顶层为淤泥土层, 中层为粉质黏性土层, 底层为花岗斑岩层对桩及桩周土体进行建模, 在 N1 作用下, 桩的受力云图如图 7 所示, 其最大压力 N2= N 由桩体资料计算桩的极限承载力为 N2'= N 计算单桩轴向承载力的方法众多, 研究采用在海洋工程中应用最为广泛的 API- RP2A 方法 [9], 单桩的轴向承载力 Q 可表示为 n Q = Qf+Q p = fn +Am +qa p, (2) i=1 式中,fn 为桩侧极限单位摩阻力 (kn/m 2 );Am 为桩周侧面积 (m 2 );q 为桩端部处单位承载力 (kn/m 2 );A p 桩端部截面积 (m 2 ) 结合地质参数计算桩周 3 层土的侧摩阻力之和, 即桩承载力为 N 由表 1 可知, 设计载荷作用下, 滑道桩体和滑道桩侧土的强度储备远大于滑道板, 故滑道板是滑

5 62 海岸工程第 1 期道强度的主控因素后期滑道设计改造过程中应着重考虑加强滑道板的强度以提高滑道的整体强度储备图 7 设计载荷作用下滑道桩应力云图 Fig.7 Stressnephogramoftheslidepileunderthedesignedload 表 1 滑道各部分强度储备汇总表 Table1 Strengthreservetableofalpartsoftheslipway 项目滑道桩体滑道桩测土滑道板载荷效应 N N N m 极限承载 N N N m 强度储备 83% 78% 45% 4 滑道板强度储备分析滑道板强度储备分析中, 常见的工况为多组件施工建造或滑移装船同时进行, 因此对多组件同时施工时滑道承载力的最不利荷载的分析更具实际指导意义滑道服役工况下, 建造物尺度变化使得着力滑块位于滑道板的不同位置, 给滑道结构施加荷载, 其基本受力状态与多跨梁类似如图 8a,5 跨及以上的多跨连续梁活荷载最不利布置原理如下 : 图 8a 中支座 B 截面最大负弯矩载荷布置 : 支座两个邻跨有活荷载, 每隔一跨布置活载荷见图 8b; 图 8a 中跨中点 2 截面最大正弯矩载荷布置 : 本跨有活荷载, 每隔一跨布置活荷载, 见图 8c 依据活荷载不利布置理论, 需要根据滑道块所处的不同位置, 分析滑道板的承载效应采用经典力学分析方法, 对不同滑靴间距的工况进行滑道承载力分析, 以 250mm 为步长将载荷滑块从滑道边缘移动, 每移一步, 逐渐增加载荷值, 记录滑道板达到极限承载力时的载荷值, 并以极限载荷与滑道板设计载荷的比值作为参考值, 探索滑块放置在滑道板不同位置时的强度储备图 10 中, 横坐标对应滑块中心至滑道板边缘的距离, 载荷块

6 第 35 卷田会元, 等 : 大型海工结构物建造场地滑道强度安全储备分析 63 移动范围如图 9 所示, 结合结构对称性, 仅计算载荷块位于 1000~4000mm 时滑道板的极限承载力图 8 活载荷的最不利布置 Fig.8 Themostunfavorablearrangementoftheliveloads 图 9 载荷块移动范围示意图 (mm) Fig.9 Movingrangeoftheloadblock(mm) 图 10 载荷块位置变化对应滑道板极限承载力 Fig.10 Changeoftheloadblockpositioncorrespondingtotheultimatebearingcapacity oftheslipwayslab

7 64 海岸工程第 1 期滑块放置在滑道板边缘时滑道板强度储备最小, 随着滑块向滑道板中间移动, 滑道板强度储备整体呈现递增趋势, 在 2000,2500 和 3500 mm 位置强度储备有略下降趋势, 与桩的位置和滑道板配筋率的变化有关此极限承载力变化曲线可用于指导海工结构物建造过程中的放置位置, 避开强度储备较低的区域 5 结论本研究采用有限元参数化建模技术, 对大型海洋结构物建造及运输滑道强度安全储备进行分析, 得到如下几点结论 : 1) 对于典型海工滑道, 根据结构特点及服役工况, 可采用下述方式进行有效的数值模拟 : 桩的竖向承载力远大于滑道板, 可将板底桩的作用模拟为刚性垫片, 提取垫片节点的最大支反力, 保守估算, 刚域总压力 = 节点最大支反力刚域节点数, 此总压力为板传递给桩的荷载值, 再对桩进行受力分析同时利用有限元参数化建模, 以一定步长移动上部载荷块, 模拟工程中结构物放置的随机性 2) 考虑活载荷不利布置对承载力的影响, 随着滑块由滑道板边缘向中间移动, 滑道的极限承载力呈递增趋势, 递增幅度约为 15% 现役海工结构物施工建造过程中需避开边缘位置 ; 拟建结构可在设计期内调整尺度及重量, 提高滑道的利用率 3) 影响滑道强度的因素包括滑道板滑道桩体以及桩侧土的极限承载能力本文研究表明, 该种场地土及滑道板特点下, 桩体桩侧土及滑道板的强度储备由高至低, 即整个滑道强度的主控因素为滑道板参考文献 : [1] 李淑民. 超大型结构物建造过程中滑道受力的建模分析 [J]. 港工技术,2012,49(3): [2] 李越松. 大型海洋石油平台组块滑移装船过程中滑道结构安全性评价 [J]. 水道港口,2006,27: [3] 王阔, 窦星慧, 刘广辉, 等.Spar 平台建造的滑道承载力分析 [J]. 中国造船,2011,52: [4] THOMASB,HADFIELD M,AUSTENS.Wearobservationsappliedtolifeboatslipwaylaunches [J].Wear,2009,267(11): [5] SUNIL R.Efectofslidingcontactgeometryontheinducedstressesindiscontinuousscoatings [D].Thiladelphia:ThePennsylvaniaStateUniversity,1998: [6] 王安龙, 梁丰收, 李成升, 等. 蓬莱巨涛 5 万吨级滑道建设及码头改造中关键问题的处理 [J]. 水运工程,2012,467: [7] 石长. 基于 ANSYS 的岩土参数优化反分析和边坡稳定性分析 [D]. 南京 : 南京航空航天大学, 2006: [8] 中华人民共和国运输部. 水运工程混凝土结构设计规范 :JTS [S]. 北京 : 人民交通出版社,2011. [9] 李润培, 王志农. 海洋平台强度分析 [M]. 上海 : 上海交通大学,1992:48-50.

8 第 35 卷田会元, 等 : 大型海工结构物建造场地滑道强度安全储备分析 65 AnalysisofSlipwayStrengthSafetyReserveof LargeMarineEngineeringBuildingVenue TIAN Huiȳuan 1,SHIHonḡda 1,GAORen-jie 2,MENGXun 1,XU Minḡqiang 1 (1.ColegeofEngineering,OceanUniversityofChina,Qingdao266100,China; 2.QingdaoXingyuan MarineEngineeringDesign & ResearchCo.Ltd.,Qingdao266100,China) Abstract:Withtheneedsofrapidoceandevelopment,largescaleofmarineengineering structureshasbeenaninevitabledevelopmenttendency.thismakestheslipwaysofthe originalconstructionsiteacriticalloadstateandbringsahugehiddendangertothe safetyproduction.accordingtothestructureoftypicalslipway,theslipwaystrength reserveisanalyzedbysimulatingtheflexiblearrangementoftheupperloadslideblock ontheslipwayslabusingthefiniteelementparametric modelingtechnique (ANSYS- APDL).Theresultsshowthatwithinthedesignedload,thestrengthreserveofthe slipwayslabissmalerthanthoseoftheslidepileandthesoilsurroundingthepile,indicatingthatthe strength ofthe slipway slabisthefactor controling the slipway strength.toimprovetheutilizationrateoftheslipwayduringtheconstruction,theultimatebearingcapacitiesoftheslipwayatdiferentpositionsarestudiedbychangingthe positionoftheupperloadslideblock. Keywords:slipway;ultimatebearingcapacity;strengthreserve;ANSYS-APDL

第 17 卷第 1 期 2018 年 3 月南通航运职业技术学院学报南通航运职业技术学院学报 JOURNAL OF NANTONG VOCATIONAL & TECHNICAL SHIPPING COLLEGE Vol.17 No 年 Mar doi: /

第 17 卷第 1 期 2018 年 3 月南通航运职业技术学院学报南通航运职业技术学院学报 JOURNAL OF NANTONG VOCATIONAL & TECHNICAL SHIPPING COLLEGE Vol.17 No 年 Mar doi: / 第 17 卷第 1 期 218 年 3 月南通航运职业技术学院学报南通航运职业技术学院学报 JOURNAL OF NANTONG VOCATIONAL & TECHNICAL SHIPPING COLLEGE Vol.17 No.1 218 年 Mar. 218 doi: 1.3969/j.issn.1671-9891.218.1.8 半潜式钻井平台甲板极限强度有限元分析夏苏上海交通大学