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DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2101-5640-7135
摘 要：根据ABS规范以及AISC规范，计算了不同桩腿节距高度和主弦杆间距的自升式平台的等效桩腿刚度、风暴自存工况强度及不同弦杆和撑杆壁厚的自升式平台风暴自存工况强度，得出了桩腿节距高度、主弦杆间距、弦杆和撑杆剖面壁厚对桩腿强度的影响规律，从而对自升式平台的桩腿选型、优化设计及结构加强起到一定指导意义。
关键词：自升式平台 桩腿强度 影响规律 优化设计
中图分类号：P75 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）03（c）-0039-04
Discussion on the Influence of Various Components of Jack up Platform Leg on the Leg Strength
JIA Sen1 LIU Anqin1* LIU Pengfei2
（1.Wenjing College， Yantai University， Yantai， Shandong Province，264000 China; 2.Yantai CIMC Raffles Offshore Co.， Ltd.， Yantai， Shandong Province， 264000 China）
Abstract： According to ABS code and AISC code， the equivalent leg stiffness， storm self survival strength and storm self survival strength of jack up platform with different leg pitch height and main chord spacing are calculated， and the influence law of leg pitch height， main chord spacing， chord and strut section wall thickness on leg strength is obtained， So it has a certain guiding significance for the selection， optimization design and structural strengthening of the jack up platform.
Key Words： Jack up platform; Leg strength; Influence law; Optimization design
随着人类对能源需求量的日益增加以及陆地能源的日渐枯竭，世界各国对海洋资源越来越重视，都加紧了对海洋资源的开发利用[1]。在各种海洋平台中，自升式平台适用于浅海海区，具有用钢量少，造价低，在各种海况下几乎都能持续工作并且效率比较高等诸多优点[2]。但自升式平台桩腿长度有限，使它的工作水深受到了限制。最大工作水深大约为550ft左右，超过此水深桩腿重量增加很快，同时拖航时桩腿升起很高，对桩腿强度和平台稳性都很不利[3]。本文通过系列的计算，总结出桩腿各构件对桩腿强度的贡献规律，从而为桩腿优化设计起到一定指导意义。
1 自升式平台的桩腿结构
自升式平台按桩腿数量来分一般有三腿、四腿、五腿[4]。因为三腿自升式平台具有更加优越的稳性，目前全球的自升式钻井平台一般为三腿，占全部自升式平台总量的80%以上[5]。按桩腿的形式来分可分为壳体式和桁架式两类。壳体式桩腿一般工作水深在250ft以下，再深则需增大桩腿尺寸，这样会导致更大的波浪载荷，结构重量也会增加，从经济性来说不太合理[6]。因此，250～550ft水深的自升式平台一般都采用桁架式结构，桁架式桩腿按照弦杆数量来分又有三弦杆、四弦杆、典型三弦杆桁架式桩腿结构见图1。桁架式樁腿由弦杆，斜撑杆、水平撑杆、内水平撑组成，在弦杆上有齿条，供升降机构把平台主体进行升降。
2 不同桩腿的结构形式
自升式平台船体的刚度要比桩腿的刚度要大得多，而且从桩腿的受力情况可知桩腿为压弯构件，就总体强度而言桩腿相对船体而言往往是“薄弱”构件，因此，桩腿整体强度计算是必不可少的。
由于桩腿被理想化为相当杆件，所以首先要求得这些相当杆件的截面几何特性。根据ABS规范，桁架式桩腿的一个侧面的等效剪切面积AQ可按图2中公式计算[7]，而整个桁架式桩腿的截面几何特性可按下式计算[8]。
式中，A表示桩腿截面面积;AQy=AQz为桩腿的y、z向的等效剪切面积，表示了桩腿抗剪切能力;Iy、Iz、为桩腿对y、z轴的惯性矩，表示了桩腿抗弯能力;IT为桩腿截面扭转惯性矩，表示了桩腿抗扭能力;v表示材料泊松比[9]。
3 不同结构形式桩腿的利用率
对图2所列4种形式的桩腿，分别定义Iy=Iz/weight、IT/weight、AQy=AQz/weight为桩腿的利用率（weight，为一个节距高度的腿重量），以其为因变量，以桩腿节距的高度及水平杆长度（弦杆间距）为自变量，总结桩腿节距及弦杆距离对桩腿强度利用率的规律曲线如图3～图8。
4 结论 对于A、B、C、D四种形式的桩腿的Iy、Iz、IT、AQy、AQz的利用率曲线图的对比分析中可得出如下结论：
（1） 总体上来说，随着桩腿节距的高度和弦杆间距的增加，桩腿形式B的IT、AQy=AQz、的利用率都明显优于其他3种，形式A的利用率次之，形式D的利用率最差。而在Iy、Iz的利用率上，四种形式都差不多，形式B的利用率略低于其他三种，但相差不大。
（2）Iy、Iz的利用率随着桩腿节距高度的增加而减小。IT、AQy=AQz的利用率曲线呈现为二次曲线的形式，随着桩腿节距高度的增加先增加， 继而减小，形式B、C、D在节距高15ft左右达到峰值，形式A在节距高10ft左右达到峰值。
（3）Iy、Iz、IT的利用率随着桩腿弦杆距离的增加而增加，4种形式的利用率差别不大。AQy=AQz利用率随着桩腿弦杆距离的增加先增加，继而减小，其中形式A、C、D弦杆距离为15ft时达到峰值，形式B在弦杆距离为25ft时达到峰值。
（4）可以看出AQy=AQz利用率当桩腿节距的高度和弦杆距离相当时其利用率最高。形式B和形式D的IT、AQy=AQz利用率随着弦杆距离变化在34ft时达到相等，随着桩腿节距高度变化在11ft时达到相等。
参考文献
[1] 武少波，王初龙.自升式平台风暴自存状态桩腿强度计算分析[J].船舶的标准化工程，2020，53（6）：48-52.
[2] 郭海强，黄守成.自升式平台桩腿强度计算与分析[J].船舶工程， 2011，33（增刊1）：72-75.
[3] 蒙占彬.深水自升式平台设计关键技术研究[D].青岛：中国石油大学（华东），2016.
[4] 周炳焕，黄守成.自升式平台桩腿结构拖航强度分析[J].船舶工程，2011，33（增刊1）：60-64.
[5] 吕国兴.自升式海洋平台桩腿的结构强度分析及优化设计[D].舟山：浙江海洋大學，2016.
[6] 周海波，崔恩慧.基于Sesam软件自升式平台安全性分析的设计与实现[J].山东科技经济导刊，2019，27（17）：8，3.
[7] 李润培，王志农.海洋强度分析[M].上海：上海交通大学出版社，1992.
[8] ABS. Mobile Offshore Drilling Units[S].2017.
[9] AISC. Manual of Steel Construction[S].13th.， Chicago，IL，2016.
摘 要：根据ABS规范以及AISC规范，计算了不同桩腿节距高度和主弦杆间距的自升式平台的等效桩腿刚度、风暴自存工况强度及不同弦杆和撑杆壁厚的自升式平台风暴自存工况强度，得出了桩腿节距高度、主弦杆间距、弦杆和撑杆剖面壁厚对桩腿强度的影响规律，从而对自升式平台的桩腿选型、优化设计及结构加强起到一定指导意义。
关键词：自升式平台 桩腿强度 影响规律 优化设计
中图分类号：P75 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）03（c）-0039-04
Discussion on the Influence of Various Components of Jack up Platform Leg on the Leg Strength
JIA Sen1 LIU Anqin1* LIU Pengfei2
（1.Wenjing College， Yantai University， Yantai， Shandong Province，264000 China; 2.Yantai CIMC Raffles Offshore Co.， Ltd.， Yantai， Shandong Province， 264000 China）
Abstract： According to ABS code and AISC code， the equivalent leg stiffness， storm self survival strength and storm self survival strength of jack up platform with different leg pitch height and main chord spacing are calculated， and the influence law of leg pitch height， main chord spacing， chord and strut section wall thickness on leg strength is obtained， So it has a certain guiding significance for the selection， optimization design and structural strengthening of the jack up platform.
Key Words： Jack up platform; Leg strength; Influence law; Optimization design
随着人类对能源需求量的日益增加以及陆地能源的日渐枯竭，世界各国对海洋资源越来越重视，都加紧了对海洋资源的开发利用[1]。在各种海洋平台中，自升式平台适用于浅海海区，具有用钢量少，造价低，在各种海况下几乎都能持续工作并且效率比较高等诸多优点[2]。但自升式平台桩腿长度有限，使它的工作水深受到了限制。最大工作水深大约为550ft左右，超过此水深桩腿重量增加很快，同时拖航时桩腿升起很高，对桩腿强度和平台稳性都很不利[3]。本文通过系列的计算，总结出桩腿各构件对桩腿强度的贡献规律，从而为桩腿优化设计起到一定指导意义。
1 自升式平台的桩腿结构
自升式平台按桩腿数量来分一般有三腿、四腿、五腿[4]。因为三腿自升式平台具有更加优越的稳性，目前全球的自升式钻井平台一般为三腿，占全部自升式平台总量的80%以上[5]。按桩腿的形式来分可分为壳体式和桁架式两类。壳体式桩腿一般工作水深在250ft以下，再深则需增大桩腿尺寸，这样会导致更大的波浪载荷，结构重量也会增加，从经济性来说不太合理[6]。因此，250～550ft水深的自升式平台一般都采用桁架式结构，桁架式桩腿按照弦杆数量来分又有三弦杆、四弦杆、典型三弦杆桁架式桩腿结构见图1。桁架式樁腿由弦杆，斜撑杆、水平撑杆、内水平撑组成，在弦杆上有齿条，供升降机构把平台主体进行升降。
2 不同桩腿的结构形式
自升式平台船体的刚度要比桩腿的刚度要大得多，而且从桩腿的受力情况可知桩腿为压弯构件，就总体强度而言桩腿相对船体而言往往是“薄弱”构件，因此，桩腿整体强度计算是必不可少的。
由于桩腿被理想化为相当杆件，所以首先要求得这些相当杆件的截面几何特性。根据ABS规范，桁架式桩腿的一个侧面的等效剪切面积AQ可按图2中公式计算[7]，而整个桁架式桩腿的截面几何特性可按下式计算[8]。
式中，A表示桩腿截面面积;AQy=AQz为桩腿的y、z向的等效剪切面积，表示了桩腿抗剪切能力;Iy、Iz、为桩腿对y、z轴的惯性矩，表示了桩腿抗弯能力;IT为桩腿截面扭转惯性矩，表示了桩腿抗扭能力;v表示材料泊松比[9]。
3 不同结构形式桩腿的利用率
对图2所列4种形式的桩腿，分别定义Iy=Iz/weight、IT/weight、AQy=AQz/weight为桩腿的利用率（weight，为一个节距高度的腿重量），以其为因变量，以桩腿节距的高度及水平杆长度（弦杆间距）为自变量，总结桩腿节距及弦杆距离对桩腿强度利用率的规律曲线如图3～图8。
4 结论 对于A、B、C、D四种形式的桩腿的Iy、Iz、IT、AQy、AQz的利用率曲线图的对比分析中可得出如下结论：
（1） 总体上来说，随着桩腿节距的高度和弦杆间距的增加，桩腿形式B的IT、AQy=AQz、的利用率都明显优于其他3种，形式A的利用率次之，形式D的利用率最差。而在Iy、Iz的利用率上，四种形式都差不多，形式B的利用率略低于其他三种，但相差不大。
（2）Iy、Iz的利用率随着桩腿节距高度的增加而减小。IT、AQy=AQz的利用率曲线呈现为二次曲线的形式，随着桩腿节距高度的增加先增加， 继而减小，形式B、C、D在节距高15ft左右达到峰值，形式A在节距高10ft左右达到峰值。
（3）Iy、Iz、IT的利用率随着桩腿弦杆距离的增加而增加，4种形式的利用率差别不大。AQy=AQz利用率随着桩腿弦杆距离的增加先增加，继而减小，其中形式A、C、D弦杆距离为15ft时达到峰值，形式B在弦杆距离为25ft时达到峰值。
（4）可以看出AQy=AQz利用率当桩腿节距的高度和弦杆距离相当时其利用率最高。形式B和形式D的IT、AQy=AQz利用率随着弦杆距离变化在34ft时达到相等，随着桩腿节距高度变化在11ft时达到相等。
参考文献
[1] 武少波，王初龙.自升式平台风暴自存状态桩腿强度计算分析[J].船舶的标准化工程，2020，53（6）：48-52.
[2] 郭海强，黄守成.自升式平台桩腿强度计算与分析[J].船舶工程， 2011，33（增刊1）：72-75.
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[4] 周炳焕，黄守成.自升式平台桩腿结构拖航强度分析[J].船舶工程，2011，33（增刊1）：60-64.
[5] 吕国兴.自升式海洋平台桩腿的结构强度分析及优化设计[D].舟山：浙江海洋大學，2016.
[6] 周海波，崔恩慧.基于Sesam软件自升式平台安全性分析的设计与实现[J].山东科技经济导刊，2019，27（17）：8，3.
[7] 李润培，王志农.海洋强度分析[M].上海：上海交通大学出版社，1992.
[8] ABS. Mobile Offshore Drilling Units[S].2017.
[9] AISC. Manual of Steel Construction[S].13th.， Chicago，IL，2016.