直立式非灌浆桩腿导管架平台超常态振动研究

    导管架式海洋平台是近海采油平台的主要结构形式,其桩腿有灌浆和非灌浆两种处理方式。在设计计算时,灌浆与非灌浆的区别仅在于桩与导管架主导管之间是否存在轴向相对运动,而假定径向无论灌浆与否都是同步运动的[1]。对于倾斜式桩腿,这样的计算假定是合理的;对于直立式桩腿,只有当泥线处被泥沙覆盖时,这个条件才是近似成立的。当桩头处由于海水冲刷出现淘空使主导管泥线下完全裸露时,导管架成为底部悬空而连接点处悬挂在桩上的摆。这样的服役状态与设计计算模型有较大的区别。因此,预测的结构响应与实际结构响应往往会有较大差别。某油田一座导管架平台的超常振动暴露出了这个问题。该平台位于渤海湾的南部、莱州湾西北部的浅海海域,投产后不久,平台发生了令设计人员不解的超常振动。在非极值海况条件下,该平台的振动使平台上的工作人员感到不适。伴随较大的振动并听到沉闷的响声,有一种“靠船”的感觉。经测试[3],在18m/s左右的风速时,加速度(峰-峰值)可达到0.095g左右,位移(峰-峰值)可达到48mm左右,这与设计结果有较大的差异。经调查发现[3],由于海水的冲刷,导管架泥线处的淘深达1～2米左右,这就使导管架失去了泥线处的支撑。如果四根桩腿反向偏心都达到桩腿的最大间隙,那么,主导管径向受桩的约束没有相对运动,桩腿径向同步运动,这是计算模型的假设条件。因此,这时的计算模型和实际结构是吻合的。否则,计算模型与真实结构将有较大的差异。导管架在随桩运动的同时也有相对桩的运动,这时的导管架更像一个悬挂在连接点处的摆。因此,桩与腿的径向运动不再是同步的,桩腿间的径向力传递也不再是连续的。而现行的平台计算程序(SACS,StruCAD等[1,3])是以桩与腿间径向力的传递是连续的为前提条件,这一点应当引起设计人员的高度重视。此外,由于径向力传递不连续,桩腿间就可能发生碰撞,引起人们有“靠船”的感觉。本文对此给出了初步的研究结果。

    1　分析计算

    1.1　侧向刚度

　　该平台是一个具有梯形截面的四桩导管架平台[2],其主要特征参数为:相对于水面的距离工作点为9.6m,连接点为7.8m,泥线为-11.2m;导管架主导管内直径1676mm,桩外直径1400mm,主导管内在导管架的三个水平层和潮差段设有四个径向尺寸为120mm的导向限位装置,如图1所示。因此,桩与主导管的径向平均间距为138mm,桩与导向限位装置的径向平均间距为18mm。按照设计计算结果,该平台不应该产生超常的振动。这表明,平台的实际服役状态与设计模型有所不同。

　　由前面的分析可知,如果桩头处有淘空,主导管与桩之间极有可能发生相对运动,使得径向力的传递不连续,这与设计模型中径向力连续传递的假定不符。当主导管与桩之间没有相对运动时,泥线处和连接点处同时传递径向力,反之,则只有连接点处传递径向力,这两种情况均可以用框架结构进行简化分析。不同的是,同一根桩腿上,桩腿没有相对运动时,桩上同时有两个侧向力作用,而桩腿有相对运动时,桩上只有一个侧向力作用。