自升式平台三角桁架式桩腿等效的方法.pdf

本发明公开了一种自升式平台三角桁架式桩腿等效的方法，首先测量或设计三角桁架式桩腿中的参数：Di——第“i”个构件的直径；li——构件‘i’长度；s——横撑间距；βi——构件与水平面间倾角；αi——构件轴投影到水平面内与流向夹角；CDi——单一构件的拖曳力系数；θ——风向入射角度；W——单个弦杆的齿条根部到齿条另一端的端部的水平距离；CD0——管构件的拖曳力系数，取0.5；CD1——投影直径W对应的流向垂直于齿条时的拖曳力系数。通过上述参数可以直接确定等效理论公式CD×D=K中的K值，进而将三角桁架式桩腿等效成圆柱形桩腿，达到简化自升式平台完整稳性和破舱稳性分析中的风模型建立和桩腿风载荷计算的目的。

1.一种自升式平台三角桁架式桩腿等效的方法，其特征在于，包括如下步
骤：
S1、测量或设计确定三角桁架式桩腿中所有构件的如下参数：
D_i--第“i”个构件的直径；
li--构件‘i’长度；
s--横撑间距；
β_i--第“i”个构件与水平面间倾角；
α_i--第“i”个构件轴投影到水平面内与流向夹角；
C_Di--第“i”个构件单一构件的拖曳力系数；
θ--风向入射角度；
W---单个弦杆的齿条根部到齿条另一端的端部的水平距离,
C_D0--管构件的拖曳力系数，取0.5；
C_D1--投影直径W对应的流向垂直于齿条时的拖曳力系数;
S2、根据如下公式，获得C_D·D＝K中K值；
K = ( Σ D i 2 l i / s ) Σ C Dei - - - ( 1 ) ]]>
C Dei = [ sin 2 β i + cos 2 β i sin 2 α i ] 3 / 2 C Di D i l i ( Σ D i 2 l i / s ) s - - - ( 2 ) ]]>
当杆件为圆柱形杆件时，式中C_Di取为0.5；当杆件为弦杆时，C_Di的取法如
下式所示：

C D 1 = 1.8 ; W / D i < 1.2 1.4 + 1 / 3 ( W / D i ) ; 1.2 < 2.0 ; 1.8 < W / D i W / D i < 1.8 - - - ( 4 ) ]]>

自升式平台三角桁架式桩腿等效的方法

技术领域

本发明涉及海洋工程设计技术领域，更具体地说，涉及三角桁架式桩腿稳
性分析的改进。

背景技术

随着陆地油气资源的减少，海洋勘探开发工作的增加，世界经济发展所需
的石油、天然气等资源开采将逐步转移到海洋。自升式钻井平台作为一种移动
式钻探装置，以其优良的定位能力和作业稳定性好，是大陆架海域的油气勘探
和开发的重要装备之一。自升式平台的稳性分析是自升式平台设计过程中的关
键技术之一，桩腿的风模型建立和风载荷计算是平台稳性计算分析中的一个重
要组成部分，也是稳性计算的重要输入数据之一，直接关系到稳性分析的结果。

本发明对自升式平台三角桁架式桩腿等效的方法进行了阐述。现有技术的
三角桁架式桩腿结构，如图1和图3所示，包括三根直立的弦杆1（主舷管）、
连接各个弦杆1的横撑2、支撑于横撑2和弦杆1之间的斜撑4，以及内部支撑
的内撑3等多种构件。

根据等效后C_D×D=K的基本理论。其中，C_D为等效后桩腿（圆柱形）拖曳
力系数；D为等效后桩腿（圆柱形）直径；K为恒定值。或者说，C_D是桩腿的实
际拖曳力系数；D--用于稳性分析或风载荷计算时桩腿的等效直径。

也就是说，在确定K值后，在实际确定桩腿稳定时，就可以以不同等效后桩
腿（圆柱形）直径D对应的等效后桩腿（圆柱形）拖曳力系数C_D值进行确定。
例如，在进行等效桩腿建模时，为了便于计算，一般选取等效桩腿的直径为10
米（当然要视平台大小而定），得到的K=3.5；如果取D=10米，那么C_D=0.35；
如果K=4.05，D=8米，那么C_D=0.506。C_D用于计算桩腿风载荷的输入数据（替
代原来的形状系数值），等效后桩腿的高度要与实际的保持一致。

因此如何获得恒定值的K，是进行桩腿稳定分析，以及桩腿风载荷分析的基
本依据。

发明内容

针对上述内容，本发明一种自升式平台三角桁架式桩腿等效的方法，旨在
确定等效理论中C_D×D=K这一公式中的K值，从而将三角桁架式桩腿等效成圆
柱形桩腿，以达到简化自升式平台完整稳性和破舱稳性分析中的风模型建立和
桩腿风载荷计算的目的。

为了达到上述目的，本发明提供了一种自升式平台三角桁架式桩腿等效的
方法，包括如下步骤：

S1、测量或设计确定三角桁架式桩腿中所有构件的如下参数：

D_i--第“i”个构件的直径；

li--构件‘i’长度；

s--横撑间距；

β_i--第“i”个构件与水平面间倾角；

α_i--第“i”个构件轴投影到水平面内与流向夹角；

C_Di--第“i”个构件单一构件的拖曳力系数；

θ--风向入射角度；

W---单个弦杆的齿条根部到齿条另一端的端部的水平距离,

C_DO--管构件的拖曳力系数，取0.5；

C_D1--投影直径W对应的流向垂直于齿条时的拖曳力系数;

S2、根据如下公式，获得C_D·D＝K中K值；

K = ( Σ D i 2 l i / s ) Σ C Dei - - - ( 1 ) ]]>

C Dei = [ sin 2 β i + cos 2 β i sin 2 α i ] 3 / 2 C Di D i l i ( Σ D i 2 l i / s ) s - - - ( 2 ) ]]>

当杆件为圆柱形杆件时，式中C_Di取为0.5，当杆件为弦杆时，C_Di的取法如
下式所示：

C D 1 = 1.8 ; W / D i < 1.2 1.4 + 1 / 3 ( W / D i ) ; 1.2 < 2.0 ; 1.8 < W / D i W / D i < 1.8 - - - ( 4 ) ]]>

对于管状几何构件，等效拖曳力系数C_Dei按公式(2)取值；对于非管状的几
何构件桩腿弦杆，等效拖曳力系数C_Dei按公式(3)和(4)取值。其中，弦杆的W与
Di的取法参考图2，采用现有技术的取值方式。

C_D×D=K这一公式中，D是用于稳性分析或风载荷计算时桩腿的等效直径。
C_D是桩腿的实际拖曳力系数，与相应的D匹配。

现有技术，桩腿详细建模方式（即桩腿上每个杆件都要建模）或将整个桩
腿建成满实面积的形式，增加了建模的工作量和繁琐性，且由于形状系数选取
偏大或太保守，对于稳性分析结果的准确性不能保证，一般偏于保守，影响了
平台的总体性能和设计成本。本发明给出的自升式平台三角桁架式桩腿等效的
方法，方法简单、意义明确，为建造三角桁架式桩腿自升式平台的风载荷设计
提供基础。

本发明可以比较简单、准确的确定三角桁架式桩腿的风载荷或稳定试验，
对三角桁架式桩腿自升式平台的设计和建造起到了指导作用。本发明采用此种
新型的桩腿等效建模的方式，极大地提高了建立桩腿模型和整个平台风模型的
效率和稳性分析的精确度，简化了稳性分析的过程，减少了设计冗余，有效地
降低设计成本。

本发明由于采用以上技术方案，具有如下有益效果：

1、本发明通过对自升式平台三角桁架式桩腿风载荷的分析、计算，给出
了一种自升式平台三角桁架式桩腿等效的方法，可以比较简单、准确的计算自
升式平台三角桁架式桩腿风载荷，为三角桁架式桩腿自升式平台的设计和建造
提供了指导作用。

2、本发明可以避免造成三角桁架式桩腿自升式平台的桩腿风载荷计算过大
或过小，从而既不会造成资源浪费，又能满足桩腿强度、拖航稳性的特殊要求
因此本发明在实际应用中具有重要意义。

3、本发明可以还对依靠类比、经验等估算方法建造的三角桁架式桩腿自升
式平台的桩腿风载荷进行验证和评估。综上所述，本发明可以广泛应用于三角
桁架式桩腿自升式平台的设计和建造中。

附图说明

图1为等效桩腿计算示意图，

图2为弦杆参数描述图。

图3为等效效果图。

具体实施方式

附图1-3是自升式平台三角桁架式桩腿等效方法的相关原理图，下面结合附
图实例进一步说明本发明。

如图1所示，本发明详细分析了弦杆、斜撑、横撑、内撑等多种构件的等
效方法。计算方法如下：

1）自升式平台三角桁架式桩腿等效成圆柱形桩腿的方法如下：

D D · D = ( Σ D i 2 l i / s ) Σ C Dei ]]>

式中,C_D--桩腿的实际拖曳力系数；D--用于稳性分析或风载荷计算时桩腿的
等效直径；C_Dei--每一构件的等效拖曳力系数；D_i--第“i”个构件的直径；li--
构件‘i’长度，节点到节点中心；s--横撑间距。

2）每一构件的等效拖曳力系数C_Dei：

C Dei = [ sin 2 β i + cos 2 β i sin 2 α i ] 3 / 2 C Di D i l i ( Σ D i 2 l i / s ) s ]]>

式中，β_i--构件与水平面间倾角；α_i--构件轴投影到水平面内与流向夹角；
C_Di--单一构件的拖曳力系数；D_i--第“i”个构件的直径；li--构件‘i’长度，
节点到节点中心；s--横撑间距。

3）非管状的几何构件（如,桩腿弦杆）等效拖曳力系数C_Dei：

式中，θ--风向入射角度；W---单个弦杆的齿条根部到齿条另一端的端
部的水平距离,此外附图中弦杆构件的直径，参考附图2标号D的取值方式；
C_D0--管构件的拖曳力系数，一般取0.5；C_D1投影直径W对应的流向垂直于齿
条时（θ=90°）拖曳力系数。计算公式如下：

C D 1 = 1.8 ; W / D i < 1.2 1.4 + 1 / 3 ( W / D i ) ; 1.2 < 2.0 ; 1.8 < W / D i W / D i < 1.8 ]]>

本发明给出的自升式平台三角桁架式桩腿等效的方法，公式简单，意义明
确，为建造三角桁架式桩腿自升式平台的风载荷设计提供了理论方法。本发明
可以比较简单、准确的确定三角桁架式桩腿的风载荷，对三角桁架式桩腿自升
式平台的设计和建造起到了指导作用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局
限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本
发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护
范围之内。