水下管匯筒型基礎設計方案研究

0總結水下管道是油船海上浮式系泊和原油輸送裝置的主要設備。它連接著水下采礦樹木和海底管道，優化了海底的配置，減少了連接的管道數量。1樁基模型及接觸面設置4樁型基礎因其自身較高的可靠性及便于上部結構布置設計等優點，目前在水下生產設施中應用較多。以某實際工程水下基礎結構設計為背景開展計算分析工作。應用有限元軟件Abaqus進行三維建模分析，其單樁樁徑為0.762m，壁厚為0.03m，樁基橫向間距為16.5m，樁基縱向間距為7.5m，其中4樁錨樁模型1樁長為24.5m,4樁錨樁模型2樁長為6.0m。樁體材料均為鋼材，其材料強度遠高于土體的強度，因此采用線彈性本構模型，彈性常數分別取E=2.1×10為了合理施加初始土壤應力，假定筒型基礎插入土體后筒基底部與周圍土體平接。土體側面施加水平方向約束，底面施加固定約束，頂面自由約束。筒型基礎與土體的接觸面采用Abaqus中的接觸對算法，通過定義的接觸面相互作用力學傳遞模型來模擬界面的摩擦接觸特性?？紤]到錨樁的彈性模量遠大于土體的彈性模量，指定吸力錨上的接觸面為主接觸面，土體上的接觸面為從接觸面。此模型共設立3對面面接觸，分別是樁頂、樁外側、樁內側與土體的接觸，主、從接觸面的摩擦因數取0.65，樁土接觸面詳細設置如圖3所示。2土：土壤分布對我國南海海域的土壤條件進行調研，確定3種典型土壤：分布最廣土壤、強度最弱土壤、近岸典型土壤?；谶@3種典型土壤的4種工況（LC1～LC4），分別選取2種4樁錨樁模型進行有限元計算和強度分析。2.1為今后評估提供參考地基土的性質對其與平臺結構間的相互作用有根本的影響，且大尺度沉墊結構對于地基承載和抗滑移能力有著非常高的要求，因此對平臺的沉墊結構進行全面的受力分析是十分必要的，也可為今后同種類型的平臺進行風險評估提供參考。實例平臺的工作海域位于中國南海，針對南海的地質條件進行調研和總結，通過對濱海區海底、海峽區海底、內陸架海底、外陸架海底、陸坡、深海平原海底、南海中沙海域海底、南海南部海域海底、南海珠江口海域海底土等典型區域海底土壤類型及力學性質的調研和總結確定3種典型目標海底土壤，分別是：分布最廣的目標海底土壤（目標土壤1）、工程性質最弱的目標海底土壤（目標土壤2）和目標海域近岸典型土壤（目標土壤3）。土壤特性如表1～表3所示。2.2樁基礎及受力節點布置根據4種工況（見表4～表7）下管匯支座位置支反力計算結果，計算得出樁柱的最大水平力為179289.3N，最大豎直力為-109850.0N，均位于樁頂。4樁基礎及受力節點布置如圖4所示。根據節點載荷，經過對空間力系的簡化，得出4種工況下4樁錨的受力數據（見表8～表11），后續的設計與分析工作均基于此載荷開展。2.3土壤條件對樁基結構的影響經過有限元分析計算，分布最廣土壤在LC1工況作用下樁基結構應力如圖5和圖6所示。4樁錨樁模型1和模型2在不同典型土壤4種工況下的計算結果匯總如表12～表14所示。依據《APIRP2SK》2008規范，可以確定4樁錨樁模型1和模型2在不同典型土壤4種工況的結構強度分析均符合規范要求。在相同載荷工況下，對比分析3種典型土壤對樁基結構的應力和變形的影響。通過對計算結果的對比分析可發現下述力學現象：首先，在樁的長度對結構應力的影響方面，計算結果表明：在3種土壤條件、4種不同工況下，由于樁長不同，模型1與模型2的應力響應有較大的差異，模型2的應力相對模型1的應力降幅百分比如表15所示。由表15可知：3種土壤條件下最大的差異均發生在LC2，具體表現為模型1的應力響應比模型2高86%。樁長縮短導致樁身最大應力降低，這種現象的原因是樁長減小后鋼樁與土壤的總體接觸剛度降低，從而引起結構應力減小。其次，在不同土壤參數對結構應力的影響方面，計算結果表明：在3種土壤條件、4種不同工況下，由于土壤參數變化，模型1和模型2的應力響應變化均不大。在相同受力工況不同土壤參數情況下樁基礎結構最大應力變化百分比如表16所示。由表16可知：土壤參數的變化對樁基礎結構應力的影響較小，平均值為3.7%?？梢姡５讟痘A的應力對海底土壤的變化表現出一定的“惰性”，并不敏感。在各個樁基礎的最大變形方面，由表12～表14可以看出，各個關鍵節點的最大位移均為1～2cm，各工況之間的差異不大。3樁基結構應力對水下管匯筒型基礎結構進行研究，在考慮目標地質條件的情況下，利用有限元軟件設計并驗證兩種4樁錨樁的結構強度和穩定性。分析樁基長度、土壤參數對樁基礎結構應力、變形與位移的影響。得到以下結論：(1）所設計的4樁錨樁筒型基礎，在目標地質條件的工況下，可確保其結構強度、穩定性滿足設計規范要求。(2）對3種土壤條件4種受力工況結構計算結果進行分析，發現錨樁基礎結構長度的變化對樁基的最大應力有較大影響，樁長由24.5m降至6.0m后，最大應力降幅達86%，結構因素是影響樁基結構應力的主要因素之一。(3）土壤參數的變化對錨樁基礎結構應力的影響較小。對3種土壤條件各工況計算結果進行分析比較，發現樁基結構應力因土壤參數改變而產生的變化