專利名稱：：巨型框架結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種固定式海洋平臺的支撐結(jié)構(gòu)，特別涉及一種的深海固定式海洋平臺的巨型框架結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架。(二)
背景技術(shù)：
：巨型框架結(jié)構(gòu)是以巨型構(gòu)件組成的簡單而巨型的桁架或框架結(jié)構(gòu)作為主體結(jié)構(gòu)，與其他結(jié)構(gòu)構(gòu)件組成的次結(jié)構(gòu)共同工作的一種結(jié)構(gòu)體系，其主結(jié)構(gòu)是主要抗側(cè)力體系，次結(jié)構(gòu)只承擔(dān)豎向荷載，并負(fù)責(zé)將其所承擔(dān)的載荷通過巨型梁傳給主結(jié)構(gòu)。因此，巨型框架結(jié)構(gòu)是一種超常規(guī)的具有巨大抗側(cè)力剛度及整體工作性能的大型結(jié)構(gòu)。由于巨型框架結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的性能，在陸地高層建筑中得到廣泛地應(yīng)用，取得很好的經(jīng)濟和社會效益。近年來，由于經(jīng)濟的發(fā)展，石油的需求量也逐年遞增。為了適應(yīng)社會的發(fā)展和能源的供給，許多國家把石油開發(fā)的目光投向資源豐富的海洋，建造了許多海上石油平臺。平臺建筑在環(huán)境惡劣的海洋中，受到多種載荷的作用。概括起來，引起平臺振動和破壞的載荷主要有以下幾種地震、波浪、風(fēng)力、冰載及平臺上機器和設(shè)備運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的激勵載荷。在多數(shù)情況下，平臺受到的載荷不是單一的，而是多種載荷的聯(lián)合作用。在多種載荷的聯(lián)合作用下，平臺結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生劇烈的振動。輕者讓工人產(chǎn)生恐慌，重者會導(dǎo)致平臺結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，造成平臺倒塌的災(zāi)難。固定式平臺是最常用的一種海洋平臺，支撐結(jié)構(gòu)是鋼質(zhì)導(dǎo)管架，一般是用優(yōu)質(zhì)鋼材焊接而成的空間剛架結(jié)構(gòu)。其功能主要是為海洋平臺的上部結(jié)構(gòu)提供支撐。為使平臺上機電設(shè)備有一個良好而持久的工作環(huán)境，就必須使導(dǎo)管架具有足夠的強度和剛度，以便在承受巨大的上部結(jié)構(gòu)重力和環(huán)境載荷的作用下保持安全和穩(wěn)定。我國從1966年在渤海灣建成第一座固定式導(dǎo)管架平臺起，已有40多年的歷史。在這期間己建成使用的海洋平臺有幾十座，結(jié)構(gòu)型式主要是鋼質(zhì)導(dǎo)管架式固定平臺，主要應(yīng)用在水深較淺的海域。隨著石油勘探和開采向較深水域發(fā)展，導(dǎo)管架平臺的發(fā)展面臨許多困難和難以解決的問題。(1)隨著水深的增加，鋼導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的造價會急劇上升，海上運輸和作業(yè)時間延長，受環(huán)境的影響變大。(2)海洋平臺總體上是垂直布置的懸臂梁，隨著結(jié)構(gòu)的增高變大，抗彎剛度下降，抗側(cè)力能力減小，自振周期增長，逐漸接近海浪的振動頻率，因此會引起共振。(3)結(jié)構(gòu)的增大，會使結(jié)構(gòu)水下部分的迎流面積增加。迎流面積的增加，使海浪作用在平臺上的拖曳力、慣性力和繞射力增加，加重平臺所承受的水平荷載，引起平臺整體過大的振動響應(yīng)，最終導(dǎo)致平臺結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了克服以上技術(shù)的不足，提供了一種在非均勻水平和垂直載荷作用下，各個樁腿受力更小，更均勻，具有比較好的靜態(tài)特性的巨型框架結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架。本發(fā)明是通過以下措施來實現(xiàn)的本發(fā)明的巨型框架結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架，是由主框架和次框架組成，其特別之處在于所述的主框架是由立柱結(jié)構(gòu)和2-6層桁架結(jié)構(gòu)組成，所述的立柱結(jié)構(gòu)是由620根豎立的巨型柱構(gòu)成，所述的桁架結(jié)構(gòu)是由焊接在巨型柱上并與巨型柱相垂直的巨型梁構(gòu)成；次框架為安置在桁架結(jié)構(gòu)上方的平臺。本發(fā)明的巨型框架結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架，所述的巨型柱的高度為60-500m，所述的桁架結(jié)構(gòu)為高度4-20m空間格構(gòu)式桁架，桁架結(jié)構(gòu)的層高為20-60m。優(yōu)選方案為所述的巨型柱的高度為100-300m，所述的桁架結(jié)構(gòu)為高度5-15m空間格構(gòu)式桁架，桁架結(jié)構(gòu)的層高為30-50m。本發(fā)明的巨型框架結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架，所述的巨型柱為直徑10003000mm、壁厚為15~30mm的鋼管，所述的巨型梁為直徑5002000mm、壁厚為10~25mm的鋼管。優(yōu)選方案為所述的巨型柱為直徑1500~2500mm、壁厚為1530mm的鋼管，所述的巨型梁為直徑5001500mm、壁厚為1025mm的鋼管。該發(fā)明在深海導(dǎo)管架的設(shè)計中引入巨型框架結(jié)構(gòu)，使導(dǎo)管架的抗側(cè)振能力大大提高。該導(dǎo)管架由主框架和次框架組成；主框架由巨型柱和巨型梁構(gòu)成，是主要承載結(jié)構(gòu)，具有很強的抗側(cè)剛度，能有效承擔(dān)垂直載荷和抵抗水平載荷；平臺上部結(jié)構(gòu)與導(dǎo)管架主框架聯(lián)結(jié)，形成次框架或次結(jié)構(gòu)。次框架或次結(jié)構(gòu)只承擔(dān)本身的載荷并把載荷傳遞給主框架。主次結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)工作，構(gòu)成剛度均勻，結(jié)構(gòu)合理，傳力明確的力學(xué)結(jié)構(gòu)體系。該導(dǎo)管架在非均勻水平和垂直靜載荷作用下，各個樁腿受力更小，更均勻，具有比較好的靜態(tài)特性；前三階振型變形小且協(xié)調(diào)，具有比較好的剛度質(zhì)量匹配，沒有振型畸變現(xiàn)象產(chǎn)生，具有比較好的動態(tài)性能。本發(fā)明的效果巨型框架結(jié)構(gòu)具有良好的適應(yīng)性和高效的材料利用率，受到越來越多的關(guān)注。概括說來，巨型框架結(jié)構(gòu)具有如下鮮明的特點(1)結(jié)構(gòu)整體剛度大，傳力明確，具有較強的抗側(cè)力能力。(2)剛度分布均勻，具有比較好的空間協(xié)調(diào)性。(3)結(jié)構(gòu)簡單，施工簡便，便于縮短施工周期。(4)具有比較好的抗風(fēng)、抗震性能。(5)具有更大的穩(wěn)定性和更高的綜合性能，可以節(jié)省材料，降低造價，使結(jié)構(gòu)物經(jīng)濟耐用。(四)圖1為本發(fā)明實施例1的結(jié)構(gòu)示意圖圖2為本發(fā)明實施例2的結(jié)構(gòu)示意圖圖3為本發(fā)明實施例3的結(jié)構(gòu)示意圖圖4為普通導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)示意圖圖5為直樁導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)示意圖圖6為本發(fā)明實施例2的Z向載荷施加點的示意圖圖7為本發(fā)明實施例2的泥面處樁腿節(jié)點編號示意圖圖8為三種導(dǎo)管架樁腿X向豎向載荷示意圖圖9為三種導(dǎo)管架樁腿y向豎向載荷示意圖圖IO為三種導(dǎo)管架樁腿Z向豎向載荷示意圖圖11為三種導(dǎo)管架樁腿三向豎向載荷標(biāo)準(zhǔn)差示意圖圖12為三種導(dǎo)管架樁腿X向豎向應(yīng)力示意圖圖13為三種導(dǎo)管架樁腿y向豎向應(yīng)力示意圖圖14為三種導(dǎo)管架樁腿Z向豎向應(yīng)力示意圖圖15為三種導(dǎo)管架樁腿三向豎向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差示意圖圖16為三種導(dǎo)管架樁腿X向水平載荷示意圖圖17為三種導(dǎo)管架樁腿Y向水平載荷示意圖圖18為三種導(dǎo)管架樁腿Z向水平載荷示意圖圖19為三種導(dǎo)管架樁腿三向水平載荷標(biāo)準(zhǔn)差示意圖圖20為三種導(dǎo)管架樁腿X向水平應(yīng)力示意圖圖21為三種導(dǎo)管架樁腿Y向水平應(yīng)力示意圖圖22為三種導(dǎo)管架樁腿Z向水平應(yīng)力示意圖圖23為三種導(dǎo)管架樁腿三向水平應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差示意圖(五)具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作具體的說明。實施例l:本實例的巨型架結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架，如圖1所示，是由主框架和次框架組成，所述的主框架是由立柱結(jié)構(gòu)和3層桁架結(jié)構(gòu)組成，所述的立柱結(jié)構(gòu)是山6根豎立的h:型柱構(gòu)成，6根巨型柱分兩排，每排3根。所述的桁架結(jié)構(gòu)是由焊接在巨型柱上并與i^:型柱相垂直的巨型梁構(gòu)成，上部平臺作為次框架安置在桁架結(jié)構(gòu)上方。泥線上導(dǎo)管架的高度是70m，導(dǎo)管架的巨型柱為直徑1397mm，壁厚20mm的鋼管；巨型梁為直徑635mm，壁厚19.05mm的鋼管構(gòu)成的空間格構(gòu)式桁架，共三層，分別布置在泥面上25m、50m和70m處(如圖1所示)，三道巨型梁的層高分別是5m、5m和4m;上部平臺采用與巨型柱同樣材料和尺寸的鋼管作為立柱。聯(lián)接各個立柱的主梁用H1200x350型鋼。實施例2:本實例的巨型架結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架，如圖2所示，是由主框架和次框架組成，所述的主框架是由立柱結(jié)構(gòu)和3層桁架結(jié)構(gòu)組成，所述的立柱結(jié)構(gòu)是由16根豎立的巨型柱構(gòu)成，16根巨型柱分四排，每排4根。所述的桁架結(jié)構(gòu)是由焊接在巨型柱上并與巨型柱相垂直的巨型梁構(gòu)成，上部平臺作為次框架安置在桁架結(jié)構(gòu)上方。泥線上導(dǎo)管架的高度是110m，導(dǎo)管架的巨型柱為直徑1524mm，壁厚20mm的鋼管；巨型梁為直徑660.4mm，壁厚19.05mm的鋼管構(gòu)成的空間格構(gòu)式桁架，共三層，分別布置在泥面上37.5m、75m和110m處(如圖2所示)，三道巨型梁的層高分別是12.5m、12.5m和7m;上部平臺采用與巨型柱同樣材料和尺寸的鋼管作為立柱。聯(lián)接各個立柱的主梁用H1200x350型鋼。實施例3:本實例的巨型架結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架，如圖3所示，是由主框架和次框架組成，所述的主框架是由立柱結(jié)構(gòu)和5層桁架結(jié)構(gòu)組成,所述的立柱結(jié)構(gòu)是由20根豎立的巨型柱構(gòu)成，20根巨型柱分五排，每排4根。所述的桁架結(jié)構(gòu)是由焊接在巨型柱上并與巨型柱相垂直的巨型梁構(gòu)成，上部平臺作為次框架安置在桁架結(jié)構(gòu)上方。泥線上導(dǎo)管架的高度是300m，導(dǎo)管架的巨型柱為直徑2794mm，壁厚25.4mm的鋼管；巨型梁為直徑1524mm，壁厚20mm的鋼管構(gòu)成的空間格構(gòu)式桁架，共五層，分別布置在泥面上60m、120m、180m、240m和300m處(如圖3所示)下面四道巨型梁的層高是20m，最上一道巨型梁的層高是15m;上部平臺采用與巨型柱同樣材料和尺寸的鋼管作為立柱。聯(lián)接各個立柱的主梁用H1200x350型鋼。下面以實施例2的導(dǎo)管架進行模型構(gòu)建及靜力分析。1模型構(gòu)建不同類型的海洋平臺，在相同的豎向靜載荷下導(dǎo)管架樁腿承擔(dān)的戰(zhàn)荷是不同的。比較好的設(shè)計是將平臺的載荷由導(dǎo)管架樁腿均勻承擔(dān)。因此，模型構(gòu)建時主要考慮導(dǎo)管架各樁腿承擔(dān)載荷的均勻性和最大位移。本發(fā)明實施例2的巨型框架導(dǎo)管架(簡稱MFJ)是根據(jù)與普通導(dǎo)管架(簡稱CJ)和直樁導(dǎo)管架(簡稱UCJ)功能相似的原則構(gòu)建的。本發(fā)明實施例2的巨型框架導(dǎo)管架的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。CJ就是現(xiàn)在一般使用的普通導(dǎo)管架。在本發(fā)明中，CJ是以W12-1平臺導(dǎo)管架為原型重新構(gòu)建的。導(dǎo)管架的立柱均采用直徑1371.6mm，壁厚31.75mm的鋼管。聯(lián)接導(dǎo)管架立柱的斜撐為直徑660.4mm，壁厚19.05mm的鋼管。構(gòu)建平臺的主梁是H1200x350型型鋼，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。UCJ的結(jié)構(gòu)參數(shù)跟CJ相似，區(qū)別就是將導(dǎo)管架的樁腿變成豎直布置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。2豎向載荷作用下的靜力分析2.1豎向荷載本發(fā)明的導(dǎo)管架所承受的豎向載荷主要有平臺主體自重、機械設(shè)備重量、活體重量和雨雪等。平臺自重在平臺上均勻分布，最終由樁腿均勻承擔(dān)。平臺上的機械設(shè)備則是根據(jù)需要或工藝要求安裝布置的，重量集中布置在安裝點上。以圖4所示的W12-1平臺為例，平臺上生活模塊(生活樓加上直升機升降平臺)重500t，安裝在平臺的東側(cè)；16t吊車安裝在平臺的西北側(cè)；50t的天然氣壓縮機安裝在底層平臺的北側(cè)；100t的二級分離器(含油)安裝在中層平臺的南側(cè)，修井機安裝在西側(cè)等等。這些結(jié)構(gòu)由于工藝安裝位置的限制，容易造成樁腿載荷分配不均勻。載荷的嚴(yán)重分布不均會引起平臺的局部導(dǎo)管架立柱破壞，最終導(dǎo)致平臺的倒塌。活體重量主要是平臺上工作人員的重量，平臺上工作人員比較少，他們的總重量跟平臺重量或平臺上設(shè)備的重量相比非常小，一般設(shè)計時不考慮。此處的雨雪載荷也可忽略不計。因此，平臺設(shè)計時要考慮的豎向載荷主要有平臺主結(jié)構(gòu)自重、次結(jié)構(gòu)重量和機械設(shè)備重量。2.2承載均勻性分析由于使用要求和結(jié)構(gòu)的限制，上部平臺結(jié)構(gòu)和裝備或裝置不會沿整個平臺均勻布置，而是根據(jù)工藝要求合理安置，這造成導(dǎo)管架樁腿承擔(dān)載荷不均勻。如本發(fā)明原型的生活模塊和動力模塊都安裝在平臺一側(cè)，另一側(cè)相對比較空閑，因此會引起載荷分布不均勻，造成部分導(dǎo)管架立柱局部應(yīng)力過大現(xiàn)象的產(chǎn)生，甚至?xí)饘?dǎo)管架局部的破壞，造成災(zāi)難。因此，在導(dǎo)管架設(shè)計時，要求在載荷不能均布的情況下，合理選擇類型和結(jié)構(gòu)參數(shù)，減輕載荷分布的不均勻性，減小應(yīng)力集中。為分析三類導(dǎo)管架載荷分配特性，在模型的920和921兩個節(jié)點(如圖6所示)分別施加50kN的力來模擬豎向不均勻載荷，計算導(dǎo)管架各個樁腿承擔(dān)載荷及應(yīng)力的大小。圖7為三種導(dǎo)管架立柱與泥面接觸處節(jié)點編號圖。由于導(dǎo)管架是對稱結(jié)構(gòu)，在圖7中選取一半節(jié)點(即129到136共8個節(jié)點)進行受力及應(yīng)力分析。三種導(dǎo)管架在相同非均勻載荷下，各個樁腿節(jié)點所承受的載荷見圖8—10，圖ll是不同導(dǎo)管架三向載荷的標(biāo)準(zhǔn)差。不同導(dǎo)管架樁腿所承受的應(yīng)力如圖12—14所示。圖15是不同導(dǎo)管架三向應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)差。從圖中可以看出，在相同非均勻豎向載荷作用下，MFJ各個樁腿所承受的載荷和應(yīng)力比較小，而且更均勻，因而具有更好的載荷承載能力。3水平載荷作用下平臺靜力分析3.1水平荷載海洋平臺建造在廣闊的海平面上，將主要承受海浪、海流、涌、海風(fēng)、海冰以及舟船碰撞等多種水平載荷。以這些載荷組合的最大值為水平靜載荷，對導(dǎo)管架進行承載能力和應(yīng)力分析。設(shè)計海況為水深85m，波高6m，波周期10s。用艾里波理論來計算水質(zhì)點的水平速度和水平加速度，然后用莫里森方程求解作用在樁柱上的總作用力，并將總力分配到有限元平臺模型樁柱的節(jié)點上。作用在不同水深處的有限元模型節(jié)點上的力見表l(坐標(biāo)原點在海平面處)。表1不同水深處導(dǎo)管架立柱的受力<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>3.2承載均勻性分析在圖1一3所示的3種導(dǎo)管架中，作用在水下導(dǎo)管架立柱上的波浪載荷沿水深呈指數(shù)衰減分布。有限元分析中，立柱實體上的分布載荷將轉(zhuǎn)換成模型節(jié)點的集中載荷。為簡化分析，直接在各種有限元模型的節(jié)點上沿水深施加表l所示的r向載荷。三種導(dǎo)管架樁腿與泥面接觸處節(jié)點編號見圖6。由于是對稱結(jié)構(gòu)，沿力作用方向上選取一半節(jié)點(129、130、133、134、137、138、141和142共8個節(jié)點)來進行受力和應(yīng)力分析。三種導(dǎo)管架在相同水平載荷作用下，樁腿所承受的載荷見圖16圖18所示。圖19是不同導(dǎo)管架三向載荷的標(biāo)準(zhǔn)差。分析圖16圖18，我們可以看出，在y向水平載荷作用下，樁腿主要承受的也是Z向載荷(豎直方向)，X、y向(水平方向)載荷相比很小。因此，研究水平載荷下樁腿承擔(dān)載荷的均勻性問題主要是研究Z向載荷均勻性問題。樁腿所承受的應(yīng)力見圖20圖22所示，圖23是不同導(dǎo)管架三向應(yīng)力的標(biāo)準(zhǔn)差。由圖20圖22可以看出，在相同水平載荷作用下，MFJ各個樁腿承載的載荷和應(yīng)力更小、更均勻，具有更好的水平載荷承載能力。以實際生產(chǎn)平臺(W12-l采油平臺)的導(dǎo)管架為參照來構(gòu)造巨型框架結(jié)構(gòu)深海導(dǎo)管架，將傳統(tǒng)導(dǎo)管架立柱直徑增大構(gòu)成巨型柱，沿平臺均勻分布的橫撐和斜撐集中并重新布置，形成沿巨型柱合理布置的巨型梁。與現(xiàn)在應(yīng)用的導(dǎo)管架和直立導(dǎo)管式導(dǎo)管架靜力對比分析發(fā)現(xiàn)在相同水平和豎直非均布靜力載荷作用下，該發(fā)明具有各個樁腿承載更均勻，應(yīng)力更小的特點，具有更好的載荷承載能力；模態(tài)對比分析發(fā)現(xiàn)該發(fā)明變形小且變形協(xié)調(diào)，還沒有振型畸變，具有較好的剛度和重力匹配，擁有比較好的動態(tài)性能?？傊摪l(fā)明所具有的優(yōu)點，能夠很好地解決固定式平臺向深水發(fā)展的瓶頸問題，具有重要的理論參考和工程應(yīng)用價值。權(quán)利要求1.一種巨型框架結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架，是由主框架和次框架組成，其特征在于所述的主框架是由立柱結(jié)構(gòu)和2-6層桁架結(jié)構(gòu)組成，所述的立柱結(jié)構(gòu)是由6～20根豎立的巨型柱構(gòu)成，所述的桁架結(jié)構(gòu)是由焊接在巨型柱上并與巨型柱相垂直的巨型梁構(gòu)成；次框架為安置在桁架結(jié)構(gòu)上方的平臺。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述的巨型框架結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架，其特征在于所述的展巨型柱的高度為60-360m，所述的桁架結(jié)構(gòu)為高度4-20m空間格構(gòu)式桁架，桁架結(jié)構(gòu)的層高為20-60m。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的巨型框架結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架，其特征在于所述的巨型柱的高度為100-300m，所述的桁架結(jié)構(gòu)為高度5-15m空間格構(gòu)式桁架，桁架結(jié)構(gòu)的層高為30-50m。4.根據(jù)權(quán)利要求l、2或3所述的巨型框架結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架，其特征在于所述的巨型柱為直徑1000-3000mm、壁厚為15-30mm的鋼管，所述的巨型梁為直徑500-2000mm、壁厚為10-25mm的鋼管。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的巨型框架結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架，其特征在于所述的巨型柱為直徑1500-2500mm、壁厚為15-30mm的鋼管，所述的巨型梁為直徑500-1500mm、壁厚為10-25mm的鋼管。全文摘要本發(fā)明涉及一種固定式海洋平臺的支撐結(jié)構(gòu)，特別涉及一種的深海固定式海洋平臺的巨型框架結(jié)構(gòu)導(dǎo)管架，該導(dǎo)管架是由主框架和次框架組成，所述的主框架是由立柱結(jié)構(gòu)和2-6層桁架結(jié)構(gòu)組成，所述的立柱結(jié)構(gòu)是由6～20根豎立的巨型柱構(gòu)成，所述的桁架結(jié)構(gòu)是由焊接在巨型柱上并與巨型柱相垂直的巨型梁構(gòu)成；次框架為安置在桁架結(jié)構(gòu)上方的平臺。本發(fā)明的效果(1)結(jié)構(gòu)整體剛度大，傳力明確，具有較強的抗側(cè)力能力。(2)剛度分布均勻。(3)結(jié)構(gòu)簡單，施工簡便。(4)具有比較好的抗風(fēng)、抗震性能。(5)具有更大的穩(wěn)定性和更高的綜合性能，可以節(jié)省材料，降低造價，使結(jié)構(gòu)物經(jīng)濟耐用。文檔編號B63B35/44GK101101084SQ200710016419公開日2008年1月9日申請日期2007年8月1日優(yōu)先權(quán)日2007年8月1日發(fā)明者李桂喜,蔡冬梅,東趙,馬汝建申請人:濟南大學(xué)