大型海洋平台基础结构有限元分析.docx
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大型海洋平台基础结构有限元分析
16卷6期2007年12月自 然 灾 害 学 报
JOURNALOFNATURALDISASTERSVol.16,No.6Dec.2007
收稿日期:
2007-06-10; 修订日期:
2007-09-20
作者简介:
徐秀丽（1963-,副教授,硕士,主要从事桥梁结构分析及振动控制研究.E2mail:
njxuxiuli@yahoo
文章编号:
100424574（20070620209207
大型海洋平台基础结构有限元分析
徐秀丽1
张元壮1
刘伟庆1
潘晓峰1
王仁贵
2
（1.南京工业大学土木工程学院,江苏南京210009;2.交通部公路规划设计院,北京100010
摘要:
某大型海洋平台基础采用平台板+桩基础组合形式,承台面为椭圆形,台面尺寸为147.6m×
9910m,平台板为混凝土板和钢梁组成的叠合梁板结构。
该工程地处世界三大强潮海湾之一,所受荷
载与当地地质条件均较复杂。
介绍了应用有限元对其进行结构分析的实施方法及过程,采用弹性抗力法考虑了桩-土共同作用,重点探讨了钢梁加混凝土厚板组成的叠合梁的有限元模拟方法。
通过对比分析,提出了计算结果精度高、可操作性强的叠合梁有限元模拟方案。
有限元分析结果表明,该平台钢管混凝土桩与钢梁均满足材料强度要求,但在施工阶段,桩内存在拉力。
关键词:
海洋平台基础;有限元法;钢-混凝土叠合梁;结构分析中图分类号:
U441;TU381 文献标识码:
A
Finiteelementanalysesoflarge2sizeoffshoreplatformfoundation
XUXiu2li1
ZHANGYuan2zhuang1
LIUWei2qing1
PANXiao2feng1
WANGRen2gui
2
（1.CollegeofCivilEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China;2.HighwayPlanningandDesignInstitute,MinistryofCommunicationsofChina,Beijing100010,China
Abstract:
Alarge2sizeoffshoreplatformwithassembledplatformslab2pilefoundationhasanellipticshapeplatformof147.6m×99.0mdimension.Theplatformslabisasuperposedbeam2slabstructureconstructedbysteelbeamandconcreteslab.Thegulfwheretheplatformlocatesisoneofthethreebiggesttidegulfsintheworld,andthegeologicalconditionthereiscomplex.Thestructurebearscomplexload.Inthispaper,aprocessofstaticanalysisforthisstructurewasintroducedbyfiniteelementmethod.Thepile-soilinteractionproblemwassolvedbyelastic2resistancemethod,andthesimulationofcompositesteelbeam2concreteslabwasmainlydiscussed.Theanalysismethodproposedinthispaperishigh2preciseandhigh2operable.Thefiniteelementanalysisresultshowsthatthe
materialstrengthdemandofCFST（concretefilledsteeltubes2pilesandsteel2beamscanbesatisfied,butthereispullinthepilesonthestocks.
Keywords:
offshoreplatformfoundation;finiteelementmethod;steel2concretesuperposedbeam;structureanalysis
1 工程概况
某大型海洋平台是某跨海大桥工程的重要组成部分,通过设置海中平台结构,一方面可以作为大桥建设过程中施工、测量以及海上作业人员的工作基地,解决沿途海域无可利用岛屿的困难,提高大桥施工的效率;另一方面在大桥竣工后则可成为一个海中交通通讯服务、海事监控、海上紧急救援基地,同时也是一个绝佳
的旅游观光平台（图1。
海洋平台总面积约3.9万m2
共分为3个部分:
桩基础及桩顶平台（停车、桩顶平
图1 海洋平台建成后效果图
Fig.1 Renderingoftheoffshoreplatform
tobeconstructed
台以上屋面以下的上部结构（5层:
餐饮、住宿、商务、屋面
系统（网架结构。
本工程所处建设场地自然环境较为恶劣:
（1地处世界三大强潮海湾之一,必须考虑海流海浪对结构的影响;（2所在海域位置存在约16m的淤泥质可冲刷土层,地质条件很差,海中平台采用桩基+桩顶平台的形式,桩-土相互作用显著;（3海洋平台所处海湾海域辽阔,风力大,风期长,
为台风影响和龙卷风出现多发区。
在海中建造近4万m2
的大型平台,加之所处场地的自然环境复杂,极大地增加了工程的建设难度,因此必须对此平台进行全面的结构分析,以保证平台在各荷载工况下的安全性与使用性能。
海洋平台基础部分采用平台+桩基础组合形式,其中承台平面为椭圆形,台面标高+11.8m（海平面518m,长轴半径147.6m,短轴半径99.0m,采用桩柱一体钢管桩+叠合梁结构并沿平台东西方向直桩部分设置交叉支撑,桩为直径1.6m的打入钢管桩+填芯钢筋混凝土结构,共298根,其中直桩228根,斜桩70根;直桩、斜桩桩底标高均为-80m,桩顶标高为+10.16m,桩竖向投影长度为90.16m,基础平台平面及剖面结构见图2-4
。
图2 海中平台基础平面示意图（单位:
cm
Fig.2Planoftheoffshoreplatformfoundation（Unit:
cm
图3 A-A剖面示意图
Fig.3 ProfileinA-Aplan
图4 B-B剖面示意图
Fig.4 ProfileinB-Bplan
平台主梁与桩顶之间的连接采用可传递弯矩的刚节点,桩基础施工完毕后将节点以及接长的钢管吊装
焊接,并浇筑填芯混凝土。
平台梁板结构由钢梁加铺预制混凝土板形成,其中平台梁分为3类:
A类梁,B类梁,次梁,均采用Q345钢材,具体形式见图5。
为增加梁板结构的整体性,除在钢梁上设置一定数量的连接件,还在各预制板间预留了7cm的板缝浇注现浇板带,最后在预制板板面浇筑8cm的整浇层（见图6,预制板混凝土及现浇混凝土均采用C60强度等级。
考虑到该结构所处的特殊环境,需常年承担波流等动荷载且对钢筋混凝土的耐久性有较高的要求,在预制板的纵横向施加了双向预应力。
・
012・自 然 灾 害 学 报 16卷
图5主梁与次梁截面（单位:
mmFig.5Crosssectionsofmainbeamandsecondarybeam（Unit:
mm
图6叠合梁断面（单位:
mm
Fig.6Crosssectionofsuperposedbeam（Unit:
mm
2 有限元分析模型
2.1 钢管混凝土桩
桩基础采用钢管混凝土桩形式,用梁单元模拟。
建模时,根据混凝土与钢材的弹性模量比值将钢筋混凝土填芯（C30与钢管桩换算为同种材料,钢管桩采用Q345级钢,壁厚22mm,计算时取海水腐蚀后厚度17mm。
考虑桩与土的相互作用,采用桩基静力设计方法m值法,用水平弹簧模拟桩与土的相互作用[1]。
以-27.8m为泥面标高（冲刷高度,计算出的水平弹簧刚度k如表1所示。
表1 m值法土弹簧刚度计算
Table1 Calculationofsoilspringstiffnessby‘m’valuemethod
标高/m土层厚度a/m计算宽度bp/m抗力系数m/（103kN・m-4土层深度z/m土弹簧刚度k/（103kN・m-1-27.800-----
-33.80062.3456421.2
-39.80062.34512842.4
-45.80062.345181263.6-51.80062.345241684.8-57.80062.3453021060
-63.80062.345362527.2-69.80062.345422948.4-75.80062.345483369.6-80.0004.22.34552.2—
2.2 交叉支撑
交叉支撑截面采用焊接工字形钢梁,钢材为Q345C级。
根据交叉支撑的受力特点,建模时用只受轴力的桁架单元模拟。
2.3 叠合梁
根据结构设计方案,梁板结构为钢梁上加预应力混凝土板的叠合梁形式,本工程中钢梁与混凝土翼板交接处设置一定数量的连接件传递接触面上的作用力,如果连接件具有绝对刚性,则二者不会发生相对滑移,可称为完全共同作用的组合梁。
由材料力学可知,无共同作用和完全共同作用时,钢-混凝土组合梁截面的弹性抗弯刚度分别为[2-5]:
∑EI=EcIc+EsIs（1
EI=∑EI+EA・r2（2式中:
E
c
Ic,EsIs分别为混凝土翼板和钢梁截面的抗弯刚度;∑EI为无共同作用时“组合梁”的弹性抗弯刚
度;r为混凝土翼板截面形心轴和钢梁截面形心轴之间距离;EA为截面组合抗拉刚度,
1
EA
=
1
EcAc
+
1
EcAc
Ac,
As分别为混凝土翼板和钢梁的截面面积;EI为完全共同作用组合梁截面的弹性抗弯刚度。
・
1
1
2
・
6期徐秀丽等:
大型海洋平台基础结构有限元分析
在建立有限元模型时,参照弹性理论为基础的容许应力设计体系[6]
采用如下假定:
（1钢材和混凝土两种材料均认为是理想弹性体;
（2钢梁与混凝土翼板之间有可靠的连接,相对滑移很小,可以忽略不计;
（3混凝土翼板按实体面积计算,不扣除其中受拉开裂的部分,为了简化计算,钢梁托板面积忽略不计;（4不考虑混凝土板中的钢筋。
如何有效模拟叠合梁是建立本有限元分模型的难题之一。
本工程中钢梁均采用两节点梁单元模拟,以Timoshenko梁理论为基础,考虑梁剪切变形的影响,具有抗拉、抗压、抗剪、抗弯、抗扭刚度;有限元分析中板有3种单元形式:
薄板单元、厚板单元、实体单元,由于厚板单元理论考虑了横向剪切应力的影响,因此较薄板单元理论更为精确。
由上述板、梁的模拟方法,在模拟叠合梁截面时,给出了如下5种方案,通过对比,从中选择较优方案。
方案1:
使用实体单元建立模型;
方案2:
采用梁单元模拟工字钢梁,混凝土板用厚板单元模拟,梁单元与板单元以共用节点的方式连接;方案3:
采用梁单元模拟工字钢梁;混凝土板用厚板单元模拟。
为了模拟板的真实位置,将板单元升至梁单元重心以上769.36mm（A类梁、740.09mm（B类梁处,以梁单元的节点作为主节点,板单元对应节点作为从属节点进行“刚体连接”;
方案4:
采用梁单元模拟工字钢梁;混凝土板用实体单元模拟。
为了模拟板的真实位置,将实体单元升至梁单元重心以上499.36mm（A类梁、470.09mm（B类梁处,以梁单元的节点作为主节点,对应的板底位置的实体单元节点作为从属节点,进行“刚体连接”;
方案5:
采用梁单元模拟工字钢梁;混凝土板用实体单元模拟。
为了模拟板的真实位置,将实体单元升至梁单元重心以上499.36mm（A类梁、470.09mm（B类梁处,以梁单元的节点作为主节点,对应的板底与板顶位置的实体单元节点作为从属节点,进行“刚体连接”。
图7-9给出了方案3~方案5中梁单元（A类梁与板单元或实体单元连接示意图,B类梁类同
。
图7 叠合梁模拟方案3
Fig.7 Scheme3ofsuperposed
beam
modelling
图8 叠合梁模拟方案4
Fig.8 Scheme4ofsuperposed
beam
modelling
图9 叠合梁模拟方案5
Fig.9 Scheme5ofsuperposed
beammodelling
为了验证上述5种方案的可行性与有效性,本文给出如下算例进行比较[2]
。
某两端固支叠合梁的跨度l=6m,混凝土板的计算宽度be=1316mm,混凝土板的厚度hc=100mm,混凝土强度等级为C20;钢梁采用I25a工字钢,钢号为Q235。
梁在跨中承担竖向节点荷载100kN。
按上述5种模拟方法分别对此叠合梁进行数值分析（M1-M5分别代表方案1-5,分析结果见图10-11。
根据以上分析结果,并结合海洋平台基础的实际情况,对各模拟方案的优势和局限性作如下分析:
（1方案1用实体单元建立模型,原理上应为精确的分析模型,但若采用此方案建整个海洋平台基础模型,则建模过程复杂,计算量庞大,实现较为困难,且工程上梁的荷载效应组合习惯采用内力,如果采用全部实体单元模型,则只能得到梁应力,无法获得截面内力;
（2方案2以梁单元与板单元共用节点的方式建立模型,建模过程简单,计算量小,但此方案未能考虑
板形心对梁形心相对距离所形成的空间刚度（以下简称“空间刚度作用”,致使计算出的梁位移与应力结果偏大;
・
212・自 然 灾 害 学 报 16卷
（3方案3用梁单元与板单元建立模型,通过模拟板与梁的实际位置考虑空间刚度作用,建模过程简
单,计算量小,但是在台面不规则处,一些区域板单元已不符合板的尺寸比假定,故此方案不能有效模拟形状不规则的叠合梁台面。
对于形状规则且厚度较小的板面,建议使用此方案建立模型;
（4方案4用梁单元与实体单元建立平台模型,通过模拟板与梁的实际位置考虑了板的空间刚度作用,建模过程较方案2及方案3复杂,计算量也相应增大,但实体单元能够较好地模拟平台面板不规则处区域,此方案中,钢梁与板之间的连接较实际情况弱（实际情况为板面中心与梁中心相连计算结果偏安全,本文采用此方案建立平台基础模型;
（5方案5与方案4类似,但钢梁与板之间的连接较实际情况强,计算结果略小偏于不安全,平台基础也可采用此方案建模
。
图10梁位移比较
Fig.10 Comparisonofdisplacementsofbea
m
图11 梁底应力比较
Fig.11 Comparisonofstressesatbottomofbeam
2.4钢筋混凝土板
一般在用实体单元模拟板时,实体单元是由面经过拖拉、旋转、偏移等方式生成的,可先在原始面上生成
板单元形式的网格,然后在生成体的同时自动生成三维实体网格。
网格划分是建模中较关键的一个步骤,网
格划分的好坏直接影响到计算的精度和速度,一般应参照以下几点原则[7-8]
:
（1四边形单元精度较三角形单元精度高,三角形单元建议只用作过渡;
（2单元的纵横比不宜过大,如对于四边形,纵横比宜控制在1~4时,才能获得较好的计算结果;（3四边形单元内角在90°左右,或至少在45°~135°之间时,可获得较好的计算结果;（4在集中荷载与形状突变或梁板相交处,网格应细分。
3 荷载
一般结构承担的荷载可分为5类:
（1位移和约束
位移和约束是用来定义模型固定的位置（零位移位置,也可以用非零位移来设定一个已知的偏移。
本工程中将桩底的竖向自由度约束为零,以模拟桩支撑于大地。
（2波流荷载及风荷载
本工程中,波流荷载与风荷载需要用线荷载形式加至相应的单元上。
1波流荷载
对于小尺度圆形构件（D/L≤0.2,垂直于其轴线方向的单位长度的波浪力f,可按Morison公式计算[9-10]:
f=0.5CdρD|u|u+0.25CmρπD2
u（3式中:
Cd,Cm分别为曳力系数和惯性系数;ρ为海水密度;D为圆形构件直径;L为设计波长;u,u分别为水质点垂直于构件的速度和加速度。
海流与波浪联合作用时,u为波浪水质点的速度矢量与海流速度矢量之和在垂直于构件方向上的分矢量,根据海区的波浪参数选用不同的波浪理论,该平台波浪力用司托克斯三阶波进行计算,并对不同入射方
・
312・6期徐秀丽等:
大型海洋平台基础结构有限元分析
・214・自 16卷然灾害学报向进行搜索,以得到在以某入射方向产生最大合波力及相应波峰位置。
根据计算的波浪荷载,在标高-27.8m（冲刷面以上对应梁单元以线荷载的形式施加波流力,对应于实际情况下波浪对桩的作用力为东西向,在模型中为+Y向（如图2所示。
2风荷载作用于平台上的风荷载按下式计算[11]:
F=k1k2p0A2（4式中:
k1,k2分别为风荷载体形系数及海上风压高度变化系数;p0为基本风压P0=av;a为风压系数;v,A分别为设计风速及受风面积。
根据计算的风荷载（东西方向,在标高+3.7m（海浪面以上至桩顶的相应单元上施加均布风荷载112kN/m。
（3恒载及使用活荷载恒载为构件及建筑做法对应的重量,活荷载为由功能实施过程中产生的荷载。
（4温度荷载物体受温度荷载作用时,如果不受外界约束,则物体只发生自由变形并无内部应力,只有当物体处于温度变化状态且又有外界约束,其变形受到限制时才会产生温度应力,故温度应力是由物体所受温度荷载作用与外界约束共同作用的结果。
本工程所施加荷载为:
钢筋混凝土面板与钢梁体系升温13.3℃,体系降温21.3℃。
（5动力荷载波流力、地震力等,本文只考虑（1～（4静荷载的作用,平台基础在其它荷载作用下的效应另行分析。
4 分析结果通过对采用前述方案4建立的海洋平台基础有限元模型进行分析,得到平台基础在恒载、波流荷载及温度荷载作用下的内力（应力,见表2。
根据分析结果,可对平台基础做出如下评价:
表2各荷载工况下海洋平台计算结果（方案4Table2Numericalresultsofoffshoreplatformunderloadingscenarios（scheme4恒载min-5671.13-33.80-130.36-917.18-266.79-44.53-281.98-456.13-66.05-31.17-1.09-0.79-0.14-2.29max2753.13677.92648.624784.544983.36184.291220.391798.10269.68119.884.387.469.9913.42结构部位波流min-2610.71-526.54-640.97-4727.79-3324.22-184.29-1888.13-1731.99-254.20-119.81-4.79-7.52-1.14-13.13max282.33267.7051.57372.80613.1237.93231.45413.1058.7918.202.083.313.483.48温升min-225.81-155.52-27.44-453.84-874.89-37.92-306.88-324.23-58.79-19.97-2.14-2.94-1.32-5.31max361.64249.0743.94726.831401.1360.74491.46519.2594.1531.983.434.718.508.50温降min-452.15-428.72-82.58-597.04-981.91-60.74-370.66-661.59-94.15-29.15-3.33-5.30-1.56-5.57内力maxFx/kNFy/kNFz/kN237.1429.65桩133.56721.98266.7944.53My/（kN・mMz/（kN・mFy/kNFz/kN305.55298.0666.0516.581.121.051.552.20梁My/（kN・mMz/（kN・mMzh/（N・mmSxx/（N・mm-2-2板Syy/（N・mm2Sp1/（N・mm-2Spmax/（N・mm-2 :
桩、注梁内力取值基于局部坐标系,沿杆件轴线方向为x轴,与其垂直的其余两轴分别为y轴、轴,Mzh为组合应力;混凝土板应力取值基z 于全局坐标系。
6期徐秀丽等:
大型海洋平台基础结构有限元分析・215・（1波流荷载对平台基础各构件（钢管桩、钢梁、混凝土板的影响是所有荷载中最大的,其次是温降作用,恒载和风荷载影响相对较小。
（2在波流荷载作用下,桩内会产生较大的拉力;在自重荷载与施工荷载作用下,所有桩的轴力均为压力,但在桩基础的施工过程中,由于上部结构尚未形成,恒载较小,需采取一定的压桩措施来防止桩被拔出或波流冲倒。
表3 平台构件应力校核（3经对平台各构件在规范规定的各种组合荷载Table3 Checkofplatformstressesincomponentsof
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