基于桩土相互作用的自升式平台桩靴强度研究

论文摘要

海洋平台所受风浪等环境载荷及其复杂,自升式平台的桩靴与土的相互作用提供了平台站立所需的支反力和抗滑力,同时也承受了环境载荷下桩腿传递过来的弯矩。以往的研究往往过分简化了地基土壤对桩靴的约束,导致分析结果的失实。本文以某自升式海洋平台的桩靴桩腿为研究对象,借助有限元软件ANSYS对其在风暴自存海洋环境下与海底土的相互作用进行分析。在此基础上对自升式海洋平台在海洋环境下的承载力学特性进行了深入探讨。并得出一些具有一定适用价值和工程指导意义的结论。本文的主要研究内容是:(1)对自升式平台的环境载荷进行了分析。计算了风暴载荷下平台所受风力以及波流力,并以一作业于渤海湾的自升式平台进行了详细的外载荷计算。(2)研究了自升式平台桩靴桩土相互作用的模型,并对桩靴的地基承载力的计算方法进行了研究。(3)建立自升式海洋平台桩靴的三维有限元模型,模型详细、合理,使其利于后续的有限元分析。(4)采用Winkler地基梁模型模拟桩一土相互作用,结合本平台所在工作海域的海洋地质资料,利用非线性弹簧单元模拟土反力。并与固端模型相比较,研究结构一桩一土相互作用的影响。结果表明固端模型由于加强了模型的约束条件,其刚度变强,相应的结果也偏于安全。在实际的计算过程中,仅仅采用固端模型是不行的,有必要建立复杂的桩一土模型。而Winlder地基梁模型虽然具有一定的局限性,但能够反映深度和土质的非线性变化,无论从计算结果还是实验方法来看,都是具有一定的实用价值的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 立题的背景和意义
• 1.2 自升式平台
• 1.2.1 自升式平台概述
• 1.2.2 自升式平台结构组成
• 1.2.3 自升式平台的设计步骤
• 1.3 国内外研究历史和现状
• 1.3.1 自升式平台波浪载荷及结构强度研究现状
• 1.3.2 桩土相互作用研究现状
• 1.3.3 单桩力学性状的研究现状
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 自升式平台桩土相互作用模型研究
• 2.1 桩—土相互作用
• 2.2 桩—土计算模型
• 2.2.1 桩的载荷传递机理
• 2.2.2 计算模型
• 2.3 自升式平台桩靴地基承载力的计算
• 2.4 本章小结
• 3 桩土相互作用的有限元解决方法
• 3.1 结构—土体的本构关系
• 3.2 土体等效非线性本构关系
• 3.3 土体的弹塑性本构模型
• 3.4 有限元法与ANSYS数值模拟
• 3.4.1 有限元法概述
• 3.4.2 有限元法的基本概念
• 3.4.3 有限元法的求解步骤
• 3.4.4 ANSYS的特点
• 3.5 弹簧单元模拟桩土相互作用
• 3.5.1 COMBIN14单元描述
• 3.5.2 COMBIN39单元描述
• 3.5.3 弹簧实常数的确定
• 3.6 本章小结
• 4 自升式平台环境载荷的分析
• 4.1 平台重力载荷
• 4.1.1 固定载荷
• 4.1.2 可变载荷
• 4.2 风载荷
• 4.3 波浪载荷
• 4.3.1 Morison方程的基本假定
• 4.3.2 使用Morison方程所面临的一些问题
• 4.3.3 确定桩腿最大合波浪力和合波浪力矩
• 4.4 海流载荷
• 4.5 本章小结
• 5 算例分析
• 5.1 工况与环境参数
• 5.2 有限元模型
• 5.3 工况分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢