基于ansys的单立柱海洋平台动力特性分析

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1、第六届全国现代结构工程学术研讨会基于ANSYS的单立柱海洋平台动力特性分析张宗峰冯春健(胜利油田胜利工程设计咨询公司，山东东营257000)摘要：运用ANSYS有限元分析软件，对渤海湾内某单立柱海洋平台进行了结构自振特性分析和地震反应谱分析。分别建立了六倍桩径处固定模型与桩一土共同作用模型，并对两种有限元模型的自振频率和地震作用下的结构响应进行了比较。分析结果表明，在该平台所处的工程地质条件下，由于地基土的影响，考虑桩一土共同作用时的结构响应比考虑六倍桩径处固定时的结构响应弱。’关键词：单立柱海洋平台桩土结构相互作用非线性弹簧自振频率地震作用一、引言随着社会经济的快速发展，人们对石油、天

2、然气等能源的需求也越来越大，世界各国把关注的目光投向了广阔的海洋，建造了大量的海洋平台。专门为开采近海、边际油田设计的单立柱导管架平台，因起结构简单，造价低，在浅海区得到了广泛应用。单立柱平台柔度较大，除了承受静荷载以外还要受到波浪等动荷载的作用，而且大多数此类平台都处于我国的渤海湾地震带上，所以对平台进行动力分析很有必要。通常，在导管架海洋平台结构体系的动力响应分析中，桩基础经常被处理成固定端支撑或者线性弹簧支承，然而海洋土有着明显的非线性，这样处理无法正确反映桩与结构体系的整体工作效应，对海洋平台结构体系的安全可靠性不利【l】，为此，Cauzzulo研究了海洋导管架桩基结构系统的可靠

3、性，将桩基分析结果作为输入条件代入结果系统的可靠性分析中；Amdahl研究了考虑地基效应的自升式海洋平台的极限承载能力；Hamsen采用桩头刚度矩阵来表述桩一土相互作用对海洋导管架海洋平台的影响，但是，这些方法都尚未将桩基和导管架结构作为一个整体考虑，而是采用简化方法来处理，具有一定的近似性。在本文中，将海洋平台结构体系作为一个整体，土对桩的影响采用非线性弹簧来模拟，考虑桩一土～结构共同作用，并与简化的固端模型进行了比较，得到了一些定性的结论。海洋平台结构动力分析原理海洋平台结构动力分析包括结构自振特性分析、地震反应谱分析和波浪载荷动力分析三种‘51。利用ANSYS软件的模态分析功能可以

4、完成结构的自振特性分析，利用其谱分析功能可以完成结构地震反应谱分析。利用其瞬态动力学分析功能可以完成结构波浪载荷动力分析。(一)模态分析具有N个自由度的无阻尼自由振动体系的运动方程为：旧坛)+k坛)=o(1)式中：协)、缸)分别为各自由度的加速度和位移向量；∞】为质量矩阵；k]为刚度矩阵；当I区】一国2瞳】=0时，得到有限振幅的自由振动，其中国是振型频率。工业建筑2006增刊第六届全国现代结构工程学术研讨会解行列式得到N个根，按从小到大顺序排列，从而得到频率向量如)：锄：协哆皑⋯％y各频率向量分别对应各阶模态。(二)反应谱分析广义线性单自由度体系／／(t)+2善ani(t)+c02“(f

5、)一／／g(f)f2)其相对位移、相对速度和绝对加速度为：比)2玄弦矽卜们sin吼吖渺(3)峥一孙㈩e-亭nJ(t-r)cosE(．od(∽m]以(4)∞M以)=-等弘矿⋯)sin[吼叫砌]如(5)式中：％=乒知，tga=善／丹。通过数值积分法，由则一(5)可以得出蝌⋯和西(f)+西g(f)的时间过程，并从中找出它们各自的最大值肋(孝，缈)：l“0)l。ax，s矿皓，动：1西O)

6、。ax，黝(孝，co)=／／(t)+／／g(叫。。、，它们分别称为与阻尼比亏、自振频率缈相对应的相对位移、相对速度和绝对加速度反应谱值。对于确定的阻尼比乡，变化的彩，可以得到三条肋，SV，SA曲线，即为地震动反

7、应三、建立有限元模型渤海湾内某海洋平台由单立柱导管架、水下桩、上部平台三部分组成。单立柱导管架采用单立柱和三腿水下导管架型式，导管架平面为等边三角形，三个腿位于三角形的顶点，单立柱位于三角形底边的中点。设计水深14．40m，设计寿命15年，环境条件略。针对此平台分别建立了两套ANSYS有限元模型，一种是采用等效桩理论，桩的等效长度取为6倍桩直径建立的模型，如图1所示：另外一种是桩一弹簧模型，如图2所示，土对桩的非线性作用通过假想在桩上的若干弹簧来模拟，弹簧刚度根据P．Y曲线来确定，这里只考虑桩的弯曲刚度。利用ANSYS中三维二结点管单元PIPE59模拟水下构件，泥面以下构件用PIPEl6

8、单元模拟，甲板用BEAMl88单元模拟，其他附属构件、上部设备重量采用质量单元MASS21进行模拟。工业建筑2006增刊1585第六届全国现代结构工程学术研讨会图1固端模型图2桩一弹簧模型四、结构动力响应分析(一)结构自振特性分析表1为用海洋结构分析软件SACS计算出的单立柱海洋平台的白振频率和用ANSYS分别计算出的固端模型和桩一弹簧模型的自振频率。结构的前三阶模态为：第一阶模态为x向弯曲，第二阶模态为Y向弯曲，第三阶模态为绕Z轴