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主桩式导管架钢桩结构设计浅谈

2024-07-13 来源:易榕旅网
・160・工程技术主桩式导管架钢桩结构设计浅谈曹建华中国石油天然气第一建设有限公司河南洛阳471023摘要主桩式导管架平台是浅水油气资源开发普遍采用的一种结构形式,本文结合工程实例,对导管架主桩的设

计流程进行了梳理,重点探讨了持力层及桩壁厚的选定方法、桩分段原则、桩的承载能力核算方法、桩身强

度核算方法及桩的可打入性关键词主桩式导管架钢桩设计承载能力强度分析打入性分析中图分类号:F284

文献标识码:B 文章编号:1672 -9323(2019)02 -0160 -04主桩式导管架钢桩结构设计(以下简称钢桩设计)一般

应水位如表1所示,前期地质勘查给出了桩设计所需的土层 信息及48in桩承载能力曲线等资料见表2、图1。基于场址土壤类型、土壤位移变形曲线、修正后的桩极限承

载能力曲线等工程地质资料及主体结构试算得出的最大桩

头力,在给定桩径的前提下,通过设计最终确定桩贯入海床

工况表1桩头力汇总操作工况极端工况的深度、桩身壁厚及桩身分段。强度地震1工况概况某浅水导管架设计水深40m,采用4腿主桩结构,主体结构试算给出的静力及地震工况近似最大桩头轴向力及对韧性地震011131.3重工况,设卄低水位2180.2设计高水位10626.6380.7设卄高水位6718.216883.88794.9压力KN设卄低水位拉力KN轻工况,设计低水位设计高水位设计高水位表2 土层信息j,「◎3.Sj讥紂%仰沐7 f1 I 1A

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、谢:[4飞;亦1 Y iT3.414 $g?a■t-i蜃■擀cmST3,酬\"!31j}63.71鼠28.18.2隔:护.n13IS3;題S'; '&'■的迟錦淤1-倔JSS忙嘲'tssn.sQ:林W~~~下薛 ~~~~~~~~~~i4 g51,39脅'叶7 \"W%气较歸S..&8,®;辭慨5SXf81

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2钢桩贯入深度桩贯入土壤的设计深度是从桩的承载能力角度来考虑

的。设计时采用近似的极端桩轴向荷载乘以安全系数的方

系数,然后与给定的桩修正后极限承载能力值相比较,确定 最终插桩深度。2.1极端桩头力轴向荷载表3汇总了主体结构静力及地震工况对应的最大桩头

法,即通过主体结构在位静力、地震分析试算获得最大桩头

工程技术力轴向荷载,按照规范要求考虑相应安全系数后,采用的最

大桩头力设计值分别为:对于压桩情况取操作工况17589.

8KN、对于拔桩情况取韧性地震工况6718.2KN。表3桩头力轴向荷载工况汇总工况桩头力设计值压力KN拉力安全 KN系数压力KN拉力KN操作工况8794.902.017589.80极端工况11131.32180.21.5166973270.3强度地震10626.6380.71.212751.9456.84韧性地震16883.86718.21.016883.86718.22.2承载能力的近似核算地勘资料给定的桩径为1219mm,结合土层资料及API

RP 2A规范关于持力层的要求,初步选定66m、78m、90m三 个贯入深度,并假定桩身壁厚50mm。ww {方0畑3宜徐if忽AP.r.Rp M 烧师 syitt图1 48in桩修正后承载能力曲线不同贯入深度下桩的承载能力值汇总见表4,对比图1

修正后的桩极限承载能力曲线,可以看出桩入泥深度78m

较为合理。表4不同贯入深度对比结果贯入

修正后桩极端

深度 桩头力设计值桩重桩承载能力

设计值承载能力曲线值结 m压力KN拉力KNKN压力KN拉力KN压力KN拉力KN果66933.319456. 44851.61790016400否7817589.8671&21103.019795.84512. 22960024000是901272.720135.14172.93360027900否3桩身壁厚桩的壁厚主要取决于强度条件和稳定条件。由于钢桩

通过导管架腿打入海床,其泥面以上部分受到导管架的约

束,泥面以下部分受到桩周土壤的支撑,因此一般来说决定 性因素是强度条件。钢桩需要具有足够的强度以抵抗最大弯矩和轴向荷载 作用,壁厚是综合在位静力、地震、吊桩、自由站立及打入性 分析结果来最终确定的,但在设计之初我们可以有以下考

虑:• 161 •3.1最小壁厚要求由桩身强度、稳定、腐蚀、磨损和施工要求确定的最小管

壁厚度不应小于下式决定的壁厚(单位公制mm):t =6.35 + D/100通常钢管桩桩身壁厚的最小尺寸可以参考下表:表5常用管桩最小壁厚公制桩mm61076291410671219152418292134243827433048径

英制in243036424860

728496108120公制壁 mm1314161719222528313437厚英制in1/29/165/811/163/47/819/85/411/83/23.2径厚比要求一般来说焊接管型构件径厚比D/t范围为20 ~ 60,最好

大于30,对于本项目来说壁厚取值范围为20mm ~ 60mm。

3.3初步确定的结果按照常规,桩顶、桩端位置桩身壁厚值一般不小于2in,

假定值取60mm(径厚比20);导管架主腿内部及泥面附近位 置桩身壁厚假定值50mm(考虑到后期打桩应力较大);入泥

段桩身壁厚假定值38mm (径厚比30) o4在位工况分析按照前面所述的贯入深度及桩身壁厚,采用SACS软件

“带桩土相互作用的静力分析模块”及“单桩分析模块”分别 对静力、地震工况下的桩承载能力和桩身强度进行核算,核

算结果见表6、表7。表6承载能力核算结果汇总最小安全系数工况安全系数 压桩拔桩规定值结论操作工况3.0402.0'礙曩亲~~~极端工况2.4519. 561.5满足要求强度地震2.5647. 471.2满足要求韧性地震1.674.161.0满足要求表7桩身强度核算结果汇总——

—工况最大L'C值点的距离〔齟)結论静力王况0. 5980满足要求强度地靂0.642.06满足要求韧性地震0. 742. 06满足要求5安装工况分析5.1桩身分段海洋工程一般采用深(桩)基础,对于本项目来说,入泥

深度78m,水深40叫桩顶(工作点)在水面以上8m,导管架

表观斜度1 = 7.071,桩长为127. 254m,考虑安装过程中的余 量总桩长在130m左右。对于这样长的钢桩无论是运输,还

是现场吊装与施打都是比较困难的。因此,需要把一根长桩

分为若干段,陆上分段制作,海上现场接桩后打入海床。影响桩分段的主要因素:5.1.1起吊能力在吊桩、接桩、打桩作业过程中,起重船需要满足自身吊

装能力(吊高、吊重、作业半径等)和安全距离的要求。安全

距离一般取3 ~5m,考虑以下3个方面:• 162 •(1) 起重船与运输驳船及导管架结构物间的安全距离;(2) 吊桩过程中桩端底端与导管架主腿顶部间的安全

距离;(3) 打桩前,桩锤与桩段顶部间的安全距离。5.1.2接桩位置接桩时桩端在土层中的停留位置一般选择在黏土层,综

合项目船舶的吊装能力及土层资料,接桩位置分别选择在桩

端入泥16m和48m处,见图2O起桩是指打桩前通过吊机将钢桩吊离驳船甲板的过程。 当钢桩一端抬起,桩身只有另一端与驳船甲板接触时,钢桩 相当于一根简支梁,此时需要核算桩身最大应力是否超出允

许值,同时也要查看变形情况。最大桩身强度和变形发生在P-1段(长度69叫壁厚

38mm)跨中位置,计算结果如下:5.2.1强度计算桩段外径D = 1219mm;桩段壁厚t = 38mm;桩段长L =69m;钢材屈服强度(DH36)Fy=345MPa;跨中弯曲正应力6 = 205.4MPa;根据API RP 2A WSD关于圆柱形构件弯曲容许应力的

规定:[6] =256.5MPa;6<[6],强度满足要求。5.2.2变形计算简支梁在均布荷载下的跨中挠度计算值为w = 0. 84m;

跨中变形为桩段全长的1/82,考虑到起桩过程时间较

短,且桩身仍在弹限范围内,结果可以接受。5.3自由站立分析打桩分为三阶段进行见图3,在每一段桩打入前,桩身

会悬出主腿顶部一定的长度,悬出的桩段相当于一根悬臂

梁,此时在悬出段桩重、桩锤、替打等静荷载作用下产生的桩

身静应力(轴向和弯曲应力)不应该超出允许值,打桩应力 工程技术(动应力与静应力的组合)不应该超出钢材屈服强度,以防

止对桩身造成破坏。桩悬挑长度及桩锤(孟克MHU 800SY

液压锤)数据汇总见表8:表8桩身自由站立长度及桩锤信息汇总阶段倾斜角度桩悬挑长度桩悬挑重量桩锤长度桩锤重量aLPhH代P-18.05°21. 532ni233. 78KN13. Im1098. 72KNP-1 + P-28.05°37. 000m574. 19KN13. Im1098. 72KNP-1 + P-2 + P-38. 05°35. 754m236. 44KN13. Im1098. 72KN自由站立时最大桩身应力发生在悬挑端的根部,此时最 大应力由三部分组成:fa是由悬挑段桩身、打桩系统(锤、替 打)自身重力引起的桩悬挑端根部压应力;fb是由悬挑段桩 身、打桩系统(锤、替打)自身重力引起的桩悬挑端根部弯曲 正应力;fd是由桩锤冲击动荷载引起的桩身应力。5.3.1最大静应力校核根据API RP 2A WSD关于承受压缩和弯曲联合作用的

圆柱形构件的核算方法,在打P2段及P3段桩时,桩身最大 静应力UC值分别为1.181和1.101,不满足要求,因此需要

对Pl ~ P3段接桩位置处桩身进行局部加强(接桩处,上、下

各7m范围内壁厚改为60mm)。再次核算,桩身最大静应力

发生在打P2段桩时,核算结果显示UC值为0. 797,满足规

范要求。图3桩自由站立示意5.3.2打桩应力校核表9桩身打桩应力结果汇总截面静应力动应力桩锤分段(KN/cnd打桩应许用应(KN/W)力力结果直径壁厚KN/cn?KN/cm2fafbfdP1380. 94512. 36119. 3632.6735. 500KMHU800SP1+P21219500. 76614.37519. 3634. 50

35. 50OKP1+P2+P360

0. 74813.80119. 3633.9135. 50OK5.4可打入性分析桩的可打入性分析采用GRLWEAP软件一维smith波动

方程,桩锤选择孟克MHU 800S液压锤,按照土塞和非土塞

并考虑连续打桩、短暂停歇、长时间停歇,共计6种工况,汇工程技术总见表10:表10可打入性分析工况汇总桩锤工况桩侧桩端土塞情况打桩过程损失系数损失系数A0.50.6非土塞连续打桩B0.70.7非土塞短暂停歇MHU 800SC0.71.0非土塞长时间停歇D0.50.6土塞连续打桩E0.70.7土塞短暂停歇F0.71.0土塞长时间停歇可打入性分析结果,需要满足桩身动应力及打桩速度要

求见表11,在锤效85%的情况下:通过打桩速度判定,打桩

过程未发生拒锤现象,选定的桩锤能力满足要求;最大打桩

动应力261.5MPa,未超过屈服强度的80%。表11可打入性分析结果汇总最大锤击数最大打桩应力桩锤贯入深度王况(击/英尺)结果(Wa)(in)A20261. 2957& 00KB33261.5007&00KMHU 800SC35261. 4997& 00KD32261.2950KE81261. 4997&00KF83

261.5007&00K• 163 •6总结归纳以上设计流程,钢桩设计需要经过前期准备、在位

工况分析及安装工况分析三个过程。首先,通过前期准备选 择贯入深度、桩身壁厚等初始尺寸;然后,通过结构在位静

力、地震分析,对假定桩的桩承载能力和桩身强度进行核算; 最后,将桩进行分段并通过起桩、自由站立、打桩等分析来核

算安装过程中的桩身强度和可打入性。参考文献1陈建民,娄敏,王天霖.海洋石油平台设计[M],北京:石油工业出

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社,2011.3 Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing

Fixed Offshore Platforms—Working Stress Design [ S]. API RP 2A -

WSD,21 ST Edition,Dec. ,2000.(收稿日期:2019 -03 -18)

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