某8腿导管架中心平台设置24井槽, 配备模块钻机、电站、火炬臂等设施。甲板南北两侧各设1台吊机, 顶层设有120人生活楼, 中层设有2层工作房间。设计水深约为100 m(相对于海图基准面)。根据导管架结构可能的水平层层数布置, 对比分析5层和6层水平层的两种导管架总体结构方案的优劣性。

根据以往类似项目经验和结构设计基本原理, 考虑在位静力、地震、运输、装船和滑移下水等控制工况^[1], 采用相同的上部组块重控数据、相同的建造安装资源和环境条件、相同的荷载组合, 对两个总体结构方案分别进行分析研究, 为设计类似导管架总体结构方案提供参考。

1 基础资料及环境条件 1.1 水深和设计水位

某中心平台所在海域水深为100 m, 其它环境数据包括风、波浪、海流、设计水位、拖航过程极值条件、附着海生物等均取自场址调查报告; 轴向桩承载力设计参数表以及极限桩承载力曲线取自《油田工程地质调查报告》, 海床冲刷深度取2.1 m。

1.2 上部组块重控

该导管架中心平台工作点间距为(18 m+ 18 m+18 m)×22 m, 平台上部组块分为上、中、下三层甲板。其上布置有模块钻机、120人生活楼、直升机甲板、电站、燃料气系统、油气处理设施、配套公用设施、凝析油外输系统、干气/湿气压缩机系统、水处理设施、消防系统、开闭排系统等, 上部组块重量考虑设备、结构、所受环境荷载及不同工况下的荷载, 并将上部组块的重量荷载统计估算以后施加到导管架模型上。

1.3 其他条件

设计使用年限:30年

极端环境条件重现期:100年

操作环境条件重现期:1年

飞溅区腐蚀裕量:0.3 mm/年

飞溅区范围:EL.(-)3.95 m~EL.(+)9.95 m

2 导管架结构形式

5层和6层水平层的两种导管架结构形式均采用8腿12裙桩, 导管架工作点标高为EL(+) 12.0 m, 导管架工作点平面尺寸为(18 m+18 m+18 m) ×22 m, 导管架底部尺寸为54 m×54 m, 在导管架EL(. -)100 m处设有防沉板。

对于主构件, 所有节点都被模拟成刚性节点, 每个杆件也被模拟成刚性连接^[2]。桩基础在进行静力计算时, 考虑了其非线性的桩土相互作用。桩头在模型中定义为"PILEHD"。在地震计算时, 把桩土系统凝聚成一线性超单元^[3]。

模型中对立管、靠船构件以及电缆护管进行了模拟, 但只被模拟成具有较小刚度的构件, 主要是为获得环境力而不对结构整体刚度产生任何影响^[4]。

2.1 5层水平层的导管架结构形式

5层水平层的导管架结构方案规划分5层, 各水平层标高分别为EL.(+) 10.5 m、EL.(-) 14.5 m、EL.(-) 42.5 m、EL.(-) 70.5 m和EL.(-)98.5 m。在"B"轴, 4腿均以7:1沿"Y"轴单斜。在"A"轴, "A1"腿和"A4"腿以7:1沿"Y"轴单斜, "A2"腿和"A3"腿以5:1沿"Y"轴单斜(图 1)。

2.2 6层水平层导管架结构形式

6层水平层的导管架结构方案规划分6层, 各水平层标高分别为EL.(+) 10.5m、EL.(-) 8.0 m、EL.(-) 29.0 m、EL.(-) 51.0 m、EL.(-) 74.0 m和EL.(-) 98.5 m。在"B"轴, 4腿均以7:1沿"Y"轴单斜。在"A"轴, "A1"腿和"A4"腿以7:1沿"Y"轴单斜, "A2"腿和"A3"腿以5:1沿"Y"轴单斜(图 2)。

3 工况分析说明 3.1 在位静力分析

在位静力分析选择一年一遇和百年一遇最大波浪对应的可能风速和流速工况组合作为输入环境工况。环境荷载操作工况考虑1年重现期对应的高、低水位和平均海平面情况下, 一年一遇波浪加上相应的风、流; 极端工况考虑100年重现期对应的高、低水位和平均海平面情况下, 百年一遇波浪加上相应的风、海流。风、波浪、海流等环境荷载考虑了8个方向。

百年一遇极端波浪取0.95的波浪运动系数, 一年一遇波浪取1.0的波浪运动系数。导管架端面、对角线和侧面分别取0.7、0.85、0.80的波浪阻挡系数。

考虑模型模拟的不完整性(如阳极等附属构件的模拟)等因素, 拖曳力和惯性力系数在API 2A 21版推荐值的基础上乘以1.1。

3.2 施工分析

导管架模型对所有主结构杆件、浮筒以及对水动力计算影响显著的次要杆件进行了建模模拟。对于阳极块、加强环、卡桩器等附属构件考虑其重力及浮力, 并考虑其在水动力计算方面的影响(图 3)。

施工分析主要包括装船分析、运输分析以及滑移下水分析。

装船分析采用滑移装船的方式, 导管架结构模型包含导管架结构及其附属构件。下水桁架添加弹性约束限制导管架在水平方向上的运动^[5]。

运输分析荷载包括船体运动加速度造成的惯性力和风的作用力, 风速按照十年一遇一分钟平均风速考虑。运输分析中所有杆件的许用应力增加1.333倍^[6]。

滑移下水分析考虑导管架在不同下水时刻的受力, 包括水动力、重力、浮力、惯性力等, 根据不同下水时刻的受力建立相应约束, 对导管架结构进行强度计算。在下水分析中, 导管架和驳船都认为是具备6自由度的刚体, 忽略其结构变形^[7]。

4 结果对比分析

两种方案均满足在位分析和施工分析要求, 均满足规范要求和生产要求, 均具有较好的结构安全性和施工可行性。但在结构和受力方面存在一些差异。

4.1 承受最大环境力对比

应用SACS有限元分析软件对5层和6层水平层的导管架结构在极端环境工况和操作环境工况下所受的波流力分别进行计算分析。分别得到5层和6层水平层的导管架结构在极端环境工况下和操作环境工况下受波流力分布(图 4、图 5)。

从导管架结构的波流受力示意图中可以看出, 5层比6层在波流力集中区少一层, 所受波流力相应减少。对5层和6层水平层的导管架结构方案所受的最大环境力进行汇总对比, 结果见表 1和图 6。

对5层和6层水平层的两个导管架结构方案进行比较, 由于5层水平层的导管架结构比6层水平层的导管架结构方案杆件较少, 所以它在承受波浪和海流力方面略小于6层水平层的导管架结构方案, 减少10%左右。同时, 由于5层水平层的导管架结构方案所受的侧向波浪力和海流力比6层水平层的导管架结构方案小, 在桩基设计时也可以优化桩基尺寸以及桩深度, 减少桩的用钢量。

4.2 传力情况对比

对5层和6层水平层的导管架结构方案的计算结果中的传力情况进行分析对比, 结果显示5层方案的传力路径简单, 能使中间4条腿上的力较早地传递到两侧主腿上。5层和6层水平层的导管架结构方案在自重工况下传力路径分析见图 7。

4.3 施工难易性对比

由于5层水平层的导管架方案和6层水平层的导管架方案外形尺寸相同, 各腿斜度相同, 裙桩套筒布置相同, 采用的桩径相同, 安装期重量差别5%, 因此, 两个方案安装期难易度基本无差别, 施工差异主要体现在建造期。

对5层和6层水平层的导管架结构方案建造期施工难易性进行对比分析, 结果见表 2。

从表 2不难看出, 5层水平层的导管架比6层水平层的导管架的建造期难度要小。

5 结论

5层和6层水平层的两个导管架结构方案的外形尺寸、裙桩套筒布置、桩径均相同, 两个方案各控制工况下的安全性均满足规范要求, 都具有较好的结构安全性和施工可行性。两个方案比较, 由于5层水平层的比6层的导管架结构方案杆件较少, 所以它在承受波浪和海流力方面略小于6层导管架结构方案, 减少10%左右; 用钢量方面, 5层水平层的导管架结构方案主结构用钢量为8 240 t, 6层水平层的导管架结构方案主结构用钢量为8 760 t, 5层水平层的导管架结构方案主结构节点数为515个, 6层水平层的导管架结构方案主结构节点数为572个, 因此从预制费用上, 5层比6层水平层的导管架结构方案较低; 5层方案由于结构自重较轻, 承受的波浪和海流力也略小, 桩头荷载小, 因此5层方案桩基用钢量应小于6层方案。但6层方案由于杆件相对较多, 提供的自身浮力较多, 因此需要配置的浮筒要小于5层方案, 6层浮筒用钢量为363 t, 5层浮筒用钢量为436 t。

总结以上分析, 虽然5层和6层水平层的导管架结构方案各有优劣, 但在满足工程安全性、可行性基础上, 5层方案工程费用较低, 节约建设投资, 具有更好的经济性。