海洋环境下独立桩的水平承载性能研究

论文摘要

作为一种已经得到了广泛应用的简易平台型式,独桩平台具有良好的应用前景,但随着水深的增加,采油平台独立桩在风、浪、流、冰作用下,也存在着上部结构晃动严重的问题。为了保证油田的安全生产,避免事故发生,需要对独桩平台在各种环境荷载作用下的响应形式、受力和变形做进一步研究。首先通过对桩土相互作用理论的研究,分析了独立桩的水平承载性能及原理,通过对现有理论的比较,考虑到水平荷载作用下桩土间的非线性响应,作为有波浪反复荷载作用的桩基结构的计算法,确定了适合海洋环境的桩土计算理论—p-y曲线法。根据竺艳蓉教授提出的波浪理论的适用范围标准,同时考虑海工结构物的受力特性,通过对理论计算和水槽实验资料的对比分析,认为按斯托克斯二阶波理论计算出的波力一般较大,本文采用斯托克斯五阶波理论。采用ANSYS软件将p-y曲线法应用到CAE分析中,利用COMBIN39弹簧单元对桩土间的相互作用实现了等效集中的非线性数值模拟,建立了立管桩的整体三维有限元模型。通过对立管桩在三种工况下的静力分析和瞬态动力学分析,总结了影响独立桩水平位移的主要因素,重点比较了桩身截面形状、变直径位置、土体性质等对独立桩的水平受力性能的影响,提出了控制顶部水平位移和桩身最大应力的研究方法。研究表明,桩身变径有效减小了荷载作用,对桩体刚度影响不大,经过对比分析,验证了变径措施对控制桩顶水平位移的有效性。综合分析桩身变径、增加套筒、桩身加肋及灌注混凝土等桩身位移控制措施的技术经济效果,提出了桩身变径和增加套筒的优化设计方案。论文分析结果对海洋环境下独立桩的设计计算提供了理论依据,提出的桩身位移控制措施在工程应用中有良好的技术经济效果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究的意义
• 1.2 桩结构物的研究方法及现状
• 1.3 本文的主要内容
• 第二章 桩基水平承载力计算方法的研究
• 2.1 国内外研究现状
• 2.2 横向抗力计算方法
• 2.2.1 极限地基反力法
• 2.2.2 弹性地基法
• 2.2.3 复合地基反力法（p-y曲线法）
• 2.3 p-y曲线法详述
• 2.3.1 软粘土中的p-y曲线
• 2.3.2 砂土中的p-y曲线
• 2.3.3 硬粘土中的p-y曲线
• 2.4 本章小结
• 第三章 海洋环境荷载的计算理论
• 3.1 波浪理论
• 3.1.1 小微幅波（线性波）理论
• 3.1.2 有限振幅波（非线性波）理论
• 3.1.3 几种波浪理论适用范围的分析
• 3.1.4 Morison方程
• 3.2 海流荷载
• 3.2.1 海流荷载的计算
• 3.2.2 波流相互作用
• 3.3 冰荷载
• 3.4 风荷载
• 3.4.1 确定设计风速
• 3.4.2 计算公式
• 第四章 独桩平台的三维有限元分析理论
• 4.1 引言
• 4.2 有限单元法及ANSYS简介
• 4.2.1 有限单元法的基本思想
• 4.2.2 ANSYS 简介
• 4.3 单元特性
• 4.3.1 PIPE59 单元特性
• 4.3.2 PIPE16 单元特性
• 4.3.3 COMBINE39 单元特性
• 4.3.4 MASS21 单元特性
• 4.4 基于ANSYS的三维有限元分析
• 4.4.1 结构分析的基本假定
• 4.4.2 前处理建模
• 4.4.3 工况及荷载组合
• 4.4.4 荷载的施加方式
• 4.5 小结
• 第五章 工程计算与分析
• 5.1 工程概况
• 5.1.1 平台型式
• 5.1.2 海域环境
• 5.1.3 土壤环境
• 5.2 三维有限元模型
• 5.3 静力计算分析
• 5.3.1 波流合力的搜索结果
• 5.3.2 位移结果分析
• 5.5.3 应力结果分析
• 5.4 动力计算分析
• 5.4.1 模态分析
• 5.4.2 瞬态动力学分析
• 5.5 影响因素分析
• 5.5.1 桩径的影响分析
• 5.5.2 桩身变径的影响分析
• 5.5.3 变径位置的影响分析
• 5.5.4 土壤条件的影响分析
• 5.5.5 冰厚的影响分析
• 5.6 桩身位移的控制措施探讨
• 5.6.1 常用控制方案
• 5.6.2 计算结果及分析
• 第六章 结论
• 参考文献
• 致谢