第10卷第25期2010年9月科学技术与工程Vol110No125Sep120101671-1815(2010)25-6244-05ScienceTechnologyandEngineeringZ2010Sci1Tech1Engng1力学海洋环境下变直径独立桩的有限元分析12唐娜俞然刚邵正飞(大庆油田工程有限公司,大庆163318;中国石油大学1,东营257061;上海同设建筑设计院有限公司2,上海200092)摘要针对变直径独立桩在风、浪、流联合作用下的受力特性进行研究,以埕岛油田CB11F平台处的某一变直径立管桩为例,应用有限元软件ANSYS进行了有限元分析,分析过程中考虑环境荷载、土壤条件及变直径位置等因素对结构响应的影响,对光滑渐变的锥形体变径段进行合理地简化,得到了变径桩在波流作用下的桩顶位移和桩身应力,并与通长桩的计算结果进行比较,结果表明,变径桩的位移和应力减幅都大于20%,充分验证了变径措施在降低独立桩位移和减小桩身应力方面的有效性。关键词海洋工程变直径独桩平台水平承载力有限元分析中图法分类号O342;文献标志码A在埕岛油田滚动开发的模式下,采用独立桩结轴向为z轴,土表面水平方向为y轴,根据梁挠曲变构[1]型式,无论在结构型式还是在经济性上都比较形理论,可得到水平承载桩的挠曲微分方程:适合本海区的特点,但随着开发水深的增加,环境d4yEI4+p(y,z)=0(1)荷载逐渐增大,平台上部结构会产生较大幅度的水dz平晃动。为了解决平台顶部晃动严重的问题,海洋式(1)中:y为z深度处的桩身挠度,p(y,z)为单位开发公司提出了桩身变径的方法。桩长上的反力,表达式如式(2)。nmm桩身变径位置一般在海平面以下1m,这样可以p(y,z)=kzy或p(y,z)=k(z)y(2)有效减小波浪、海流和冰荷载的作用面积,达到降式(2)中k(z)为地基系数。根据对地基反力p(y,低水平环境荷载的目的。z)考虑方法的不同,桩的横向承载力的计算方法可对桩土模型进行了适当的简化,应用有限元软以分为极限地基反力法、弹性地基反力法和复合地[3]件ANSYS中PIPE59单元的波流荷载自动计算功基反力法(p-y曲线法)三种。目前工程上广泛采能[2]进行独立桩的动力计算,比较分析变径前后的用的是弹性地基反力法和复合地基反力法(p-y曲计算结果,验证了变径措施的有效性。线法)。前者主要用于受横向荷载时的弹性分析,后[4,5]者主要用于弹塑性分析。由于p-y曲线法如实反1单桩水平承载力的计算方法映了土的非弹性性质及自泥面开始的进行性破坏现象,因此在海洋平台桩基设计工程中普遍采用。桩的横向承载力主要取决于桩的刚度、强度、入土深度以及土体特性,打入土体中的桩类似于放2独立桩的有限元建模在地基上的长梁,可采用地基反力法计算。取桩的211单元的选取2010年6月7日收到,7月8日修改利用有限元软件ANSYS建立对应的有限元模第一作者简介:唐娜(1983)),女,大庆人,助理工程师,硕士,研型。将桩平台模拟成空间管、梁、板组合结构[6],建究方向:管道穿越及工业建筑。模过程主要用到的单元为PIPE59单元模拟泥面以25期唐娜,等:海洋环境下变直径独立桩的有限元分析6245上的桩段;PIPE16单元模拟泥面以下的桩段;212变径位置的简化处理COMBIN39单元模拟土体。工程中的变径位置为光滑渐变的锥形体,几何21111PIPE59单元形状见图2,但由于PIPE59单元不具备变径功能,PIPE59单元是与空间梁单元类似的圆管形单故在有限元模拟中要采用简化处理,采用从上至下元,可以考虑轴向拉压、扭转、弯曲变形,同时扩充了沿深度方向分段逐级加大的等直径单元(见图3)。单元的海洋环境荷载,即浮力、波浪与海流荷载的计算功能。通过输入波流参数表(表1),可进行海洋环境荷载作用下的结构线性、非线性静力与动力分析。表1波流参数表12345KWAVEKCRCDEPTHDENSWHwZ(i)W(i)Hd(i)A(j)S(j)U(j)KWAVE为波浪理论选项,ANSYS软件中波浪荷载的计算理论有四种,KWAVE=0对应微幅波理论;KWAVE=1对应Airy波理论;KWAVE=2对应斯托克斯五阶波理论;KWAVE=3对应流函数波浪理论。KCRC为波流相互作用选项;DEPTH为水深;DENSW为海水密度;Hww为波浪入射方向;Z(i)为从海底到水面不同海流流速所在Z坐标值;W(i)、213波浪理论的选择常用的波浪理论有微幅波、二次斯托克斯波、Hd(i)分别为各对应高度的海流的流速和流向;五次斯托克斯波三种。这些波浪理论都是通过