0 引　言

近年来，我国建造了大量海洋工程装备，如FPSO、半潜平台、自升式平台等。随着海洋平台的发展，尺寸和吨位快速増加，如何缩短建造周期、实现功能多样化，并做到利润最大化，成为船厂生存和发展的重要课题。海工装备具备明显区域特性，这为模块化技术的应用提供了良好的基础^{[1 − 2]}。模块化设计可缩短设计和制造周期，便于装备现代化改装和升级，提高其可用性^[3]。

在多功能平台研究方面，董强^[4]基于海洋石油市场前景及作业需求，提出了多功能自升式平台的设计思路，并验证了其合理性；王杨等^[5]介绍了自升式多功能施工平台在海上风电安装、石油开采及桥隧工程中的应用，指出功能系统模块化处理搭载不同装备是海洋平台的发展方向；郑洁等^[6]提出海上核电站反应堆采用模块化设计，通过按需模块化组合安装在浮体平台上，体现平台特定功能模块化设计，但尚未形成商业化应用。模块化技术主要体现在模块化建造技术^[7]和功能模块组合2个方面。模块化建造技术在船舶领域应用成熟^[8]，功能模块化应用于海洋工程已成为不断发展的重要技术^{[9 − 10]}，如何将模块化技术优势与平台多功能性融合是本文的研究方向。

本文针对自升式平台进行多功能模块化设计，提出“基型+变形”的设计思路，将平台划分成标准主体和附加功能模块。根据不同环境和载荷要求设计能够承担不同功能模块的基础型平台和功能模块；针对平台设计中的关键要素如总布置、主尺度、冗余度、桩腿利用率、结构强度等进行分析验证。采用全方位耦合计算理论^[11]，合理确定动态响应工况及载荷组合，保证模块化结构计算的精度，确保平台主体结构满足不同功能作业要求，完成总体结构设计及方案验证，并给出结构设计建议。

1 计算理论 1.1 桩腿校核

根据API RP 2A-WSD规范^[12]，轴向受压和弯曲的管状构件，在长度范围内满足下式：

$ \frac{{{f_a}}}{{{{{F}}_{{a}}}}} + \frac{{\sqrt {f{}_{bx}^2 + f_{by}^2} }}{{{{{F}}_{{b}}}}} \leqslant 1。$

(1)

式中：$ {f_a} $为设计轴向应力；$ {{F}}_{{a}} $为许用轴向应力；$ {f_{bx}} $、$ {f_{by}} $为设计2个方向弯矩；$ {{{F}}_{{b}}} $为许用弯矩。

1.2 基本工况和工况组合

基于准静态分析方法计算桩腿整体强度，可能导致平台自然频率在波浪频率范围内，从而引发结构激励并放大静态响应。计算时，考虑桩腿偏心$ P - \Delta $二阶效应，采用单自由度方法计算动态响应，并引入动力放大系数以及惯性力。$ P - \Delta $效应可以采用水平力P作用船体上，计算公式如下：

$ P = \frac{{{{W}}\Delta }}{l}。$

(2)

式中：$ {{W}} $为船体重量；$ \Delta $为波浪方向船体位移；$ l $为底部支撑点到桩腿和船体连接处距离。

考虑非线性放大系数$ \alpha $，船体偏移总和$ \Delta $为：

$ \Delta = \alpha \left( {{\gamma _{{\text{fd}}}}{e_1} + {\gamma _{{\text{fe}}}}e} \right)。$

(3)

式中：$ {e_1} $为平台最大位移；$ e $为一阶位移；$ {\gamma _{{\text{fd}}}} $为变形载荷系数；$ {\gamma _{{\text{fe}}}} $为环境载荷系数。

计算工况及载荷组合如表1所示。

2 基型平台设计 2.1 设计指标

基于对国内外USTO MSC、AQUALIS、708所、中远船务部分优秀作品设计指标的分析（见图1），并结合饶广龙等^[13]的统计数据，总结得出平台可变载荷集中在2000 t，作业水深范围为45～50 m，甲板面积随可变载荷增加而扩大。本平台主要设计指标确定为可变载荷2000 t，作业水深50 m，甲板面积1800 m²。

2.2 主尺度设计

根据平台主要设计指标，确定初步船型及总布置，估算排水量、主尺度、总船重量和提升重量，确认重量与浮力平衡，调整提升重量和提升能力后，进行性能校核，若满足则结束，否则修改主尺度并重新计算。优化后主尺度为：总长75 m，型宽40 m，型深7 m，设计吃水4.4 m，空船重量7200 t，最大甲板面积2000 m²。

2.3 基本型平台总布置设计

基本型平台由主船体、4条圆柱型桩腿、液压提升系统及锚泊系统构成，配置2台1500 kW，2台1200 kW全回转推进装置，2套液压泵站，4台1600 kW主机，3套大型空调机组。布置图见图2。

3 变型平台设计 3.1 模块结构说明

修井模块位于平台尾部，其关键部分是悬臂梁系统，两根悬臂梁间距12.5 m，长35.9 m，修井机提供最大225 t钩载，左舷配有200 t绕桩吊辅助作业。近岸施工模块配备200 t绕桩吊，配置抱桩器、液压打桩锤等施工设备。生活模块配备2个可容纳400人的生活区模块。海上移动电站模块配置4台18 MW发电机组，采用双燃料主机。气体压缩模块配备直升机平台和1台60 t吊机，满足日常吊运和作业需求。海上风电安装模块能够满足运送2套8 MW风机需求，配有600 t大型吊机。

3.2 典型装载平台重量

基本型平台空船重量7200 t，压载水、燃油等重量2248 t。典型装载工况重量汇总见表2。

4 关键要素冗余度分析 4.1 电力负荷冗余分析

各功能模块电力负荷见表3。效费比k₁定义为最大电负荷与总发电量之比，冗余度k=1−k₁，通常冗余度保持在总发电量的10%～25%。

4.2 稳性冗余分析

稳性计算采用极限重心高度法^[14]，依据IMO稳性规范衡准^[15]开展研究。各功能模块稳性冗余如表4所示，冗余度k等于稳性裕度与极限重心高比值。

4.3 桩腿结构冗余

桩腿设计基于实际最危险工况，通过模块重量汇总分析，确定对桩腿结构要求最高的重量和重心，选择该危险工况进行设计。桩腿材料采用EQ69高强钢，设计尺寸为直径3.4 m，厚度45 mm。桩腿最大利用率k₂见表5，冗余度k=1−k₂。计算依据本文1.1部分。

4.4 结果分析

以冗余度为统一度量，要求冗余度大于0，且冗余度越高，性能越好。电力负荷冗余度为10%～25%，说明平台总发电量足以满足各功能模块需求；稳性冗余度集中在35%左右，说明平台能够提供充足的稳性支持；桩腿冗余度大于0，表明其强度符合规范要求。需要说明的是，桩腿设计基于最危险的实际工况，虽然对某些功能模块而言并非最优，但兼顾了其他功能模块的需求。

5 全局设计及方案验证 5.1 平台载荷计算

根据ABS规范^[16]，计算工况主要有静态工况和合成工况。其中静态工况考虑静态载荷，合成工况考虑静态和动态载荷，动态载荷涵盖风浪流载荷、动态效应的惯性力及二阶效应引起的额外弯矩。以自存工况3为例，动力放大系数为1.5，相应载荷计算结果见表6。

5.2 基型平台结构分析

基本型平台承受甲板载荷为2 t/m²，主船体最大应力229 MPa，主船体甲板以下最大应力172 MPa，满足规范要求。船体纵向和横向舱壁，以及舷侧外板和固桩架连接区域剪切应力较大，通常的做法是加大板厚和增加肘板。

5.3 近岸施工平台结构分析

近岸施工平台左后方增加1台200 t绕桩吊，主船体中部设有5 t/m²和20 t/m²的重载荷区域，相比基本型平台，做了额外结构加强。以重载荷区域2为例，最大合成应力320 MPa，斜撑和横撑最大利用率为0.77，如图3所示。

近岸施工平台典型重载荷区域结构设计和强度校核结果如表7所示。

5.4 风力发电安装平台结构分析

风力发电安装平台分别计算了纵向和横向2种吊装方案，横向吊装及合成应力见图4。2种方案最大应力均为248 MPa，位于左后固桩架处。其结构与近岸施工平台类似，主要区别在于吊机能力从200 t提高到600 t。

5.5 生活平台结构分析

生活平台可根据实际需求安装1～2个生活模块，右舷增设1台60 t辅助吊机。主甲板生活区后部设置500 t甲板载荷，载荷分布为2 t/m²。生活平台最大应力248 MPa，如图5所示。

5.6 修井平台结构分析

修井平台在基本型平台后部增加悬臂梁，在左后固桩架上增设200 t吊机。由于悬臂梁结构较重，工作时后悬伸出主甲板，产生较大的倾覆弯矩，因此在船体尾部的主要舱壁、板材和悬臂梁固定装置连接区域进行结构加固。修井平台最大合成应力240 MPa，如图6所示。

5.7 压缩气体平台结构分析

压缩气体平台由5个模块组成，前4个模块基座位置和生活区模块基座位置一致，均通过标准基座与船体连接。平台最大应力248 MPa，如图7所示。气体压缩平台采用基型平台主船体结构，并对模块底座进行加强。

5.8 海上发电平台结构分析

海上发电模块有5个，分别为尾部2个LNG液罐，首部有2个发电机模块，中部为配电间模块。发电机模块基座位置与生活模块及压缩气体模块基座位置保持一致，平台最大应力为244 MPa，如图8所示。海上发电平台可以采用基型平台主船体结构。

5.9 船体结构大开口结构分析

主船体甲板设计有大开口和吊梁结构，便于设备吊装和模块更换，由于大开口会削弱整体结构强度，需对其进行补强。大开口边缘采用倒圆弧以减小应力集中，并在角隅应力集中处通过加厚板的方式改善结构强度和疲劳。开口区域应力为371 MPa，如图9所示。对于屈服应力为355 MPa的高强钢，细网格许用应力可以提高至1.2倍，即426 MPa，经过边缘加强后，结构强度满足要求。

6 结　语

基于“基型+变形”的模块化设计思路，完成平台的设计指标确定、结构设计、重量平衡估算、总布置设计及关键指标冗余分析；采用有限元分析方法，考虑风浪流载荷、动态效应的惯性力及$ {P-}\text{Δ} $二阶耦合效应，完成全方位动态载荷预报，基于强度校核结果进行平台结构的全局设计及方案验证，保证了计算精确性并优化平台结构。研究得到以下结论：

1）模块化设计需要增加额外结构，结构重量的增加或导致建造成本增加，减少平台的可变载荷，因此冗余度分析必不可少，本研究选取的关键指标具有代表性但不限于这些指标，对于结构增加开销较大的功能需评估模块化冗余度，建议根据实际研究需要客观选取。

2）自升式平台的关键结构包括平台主体和桩腿，而承载不同功能模块的桩腿结构设计和强度校核尤为必要。建议设计桩腿时，要充分考虑同频率弯矩对桩腿水动力性能的影响，因此考虑二阶水平效应更能贴合平台应用环境，本文研究方法具有一定的推广性。

3）根据本文结构强度评估结果提出建议：生活平台、压缩气体平台和海上发电平台可以共用底座加强，这3种功能做成模块化有利于节约成本；修井平台悬臂梁结构使得平台整体重量提升较多，因此修井功能的结构成本较大；近岸施工平台和风力发电安装平台主要区别在于吊机能力的不同，结构加强类似，可以共用船体。