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由单色和不规则波组成的升降平台的土壤 结构相互作用分析
Maziar Gholami KORZANI和Ali Akbar AGHAKOUCHAK1
伊朗德黑兰Tarbiat Modares大学土木与环境工程学院
摘要
随着自升式平台已经开始在更深层次的水域中使用，我们越来越需要更准确地了解其行为方式用以开发更复杂的分析技术。有着显著发展的领域是关于桩腿性能的建模，其中基础的载荷—位移特性需要被包含在结构的任何数值模型中。在这项研究中，采用基于非线性弹簧和阻尼器而不是连续土壤介质的非线性闪烁基础（BNWF）建模的梁，用于此目的。常规单色设计波和代表设计海况的不规则波作为横向载荷应用于平台。通过使用BNWF模型并假设泥浆下的颗粒状土壤，结构附近的土壤非线性行为等特性，土壤界面和桩腿接触现象（如隆起和摇摆）以及结构的几何非线性行为进行了研究。这项研究的结果表明，土壤的非弹性行为引起的侧向位移增加船体的海拔和土壤下面桩腿永久的不均匀沉降，从而增加了降低沙质土的摩擦角。事实上，桩腿和底层土壤造成一个相对固定的平台支持，这改变了结构的动力响应与结构的情况下假定有固定支撑或固定支架。为了模拟这种行为没有明确的建模土-结构相互作用（SSI），弯矩旋转曲线的平台腿，这是依赖于基础尺寸和土壤特性的结束，得到。这些曲线可用于该平台的简化模型，考虑在土壤基础接口的相对固定性。
关键词：自升式平台；波浪载荷；非线性动力分析；土-结构相互作用（SSI）；梁的非线性温克勒地基（BNWF）
- 介绍
自升式平台在境外开发和运营等离岸行业中发挥着至关重要的作用，具有可靠的灵活性和成本效益。 随着在更深的水域和更恶劣的环境中使用的需求不断增加，以及在单一地点，尤其是生产单位的作用下长期承担自升式的愿望，越来越需要了解并开发自升式平台。与许多海洋的主要波浪类似，大型起重机具有包含自然振动周期的柔性结构。因此通过考虑大偏转以及SSI的影响，我们应进行非线性动力学分析用以获得结构设计波浪载荷的响应。
目前已经做了许多工作来进行评估自升式行为，例如下列所提到的研究。威廉斯等人（1998,1999）对经过单色波的2D模型进行非线性动力学分析，假设塑料模型为桩腿，全固定支撑和固定支撑。考虑到土体的力结果模型，Cassidy（1999）进行了动态分析。 Howarth等人（2004）进行了动态分析，考虑了两个耦合的线性和非线性桩腿。 Nataraja等人（2004）根据实测和SNAME T和 5-5A获得了海床的固定和阻尼。 Vlahos等人（2006）基于超塑性模型，在实验室中对粘土土壤的渗透性行为进行了研究，同年，Bienen和Cassidy（2006）也基于该方法进行了SSI分析。 Allotey和El Naggar（2008）利用BNWF模型研究了循环荷载下的浅基础模型。
一般来说，可以使用以下方法建立水泥和底层土壤：
（1）弹性基础方法梁（Winkler，1867）;
（2）弹性连续法（Gazetas和Dobry，1984）;
（3）有限元法（Yegian and Wright，1973）;
（4）BNWF方法（Allotey和El Naggar，2008）。
第一种和第二种方法基本上是分析法。有限元法是SSI系统中最具代表性的方法，但是计算过程复杂又耗时。BNWF方法在SSI分析中被广泛使用，因为其简单性和能力在减少的计算工作中并入行为的不同非线性方面。 Allotey和El Naggar（2008）和Harden等人 （2005）已经做了一些实验和数值模拟，表明该方法与浅层基础的更准确的方法和现实有很好的一致性。
在本文中，Allotey和El Naggar（2008）开发的非线性闪光基础方法用于土壤介质建模。 在这种方法中，使用非线性非弹性弹簧和线性阻尼器的集合来模拟土壤行为，以捕获土壤的非线性行为。该模型代表着滞后阻尼以及土壤的辐射阻尼。它也可以模拟土壤和基础界面的间隙现象。
- 类型
本文中研究的自升式平台具有三条桁架腿。考虑到其在水深150米进行作业。其船体的等效质量（由固定载荷和可变载荷组成）约为18000吨。这种质量在平台的纵向方向上具有-2m偏心度并且在横向方向上具有-0.5m的偏心度。 在暴雨条件下对自升式平台的规格进行研究。
2.1结构建模
平台桩腿腿通过等效管状元件进行建模，而不是对所有部件进行建模。从实际的桁架桩腿性质中提取桩腿管状元件的性质。最后，将等效的桩腿部件特性与软件中的桁架桩腿的完整模型进行比较，该模型用于不同类型的海上平台的模仿和设计。假定等效直径计算流体力学性能。直径为18米，这等于三角形桁架桩腿的长度。
船体由六个梁构成，其中三个被称为内梁，其他是外梁。内部梁仅用于将船体的重量（重力载荷）转移到腿部，因此在这些梁的末端没有弯曲刚度。因此，船体的重量不会向腿部引入弯曲力矩。内部实际上可以由腿顶部的三点负载替代。但是这种方法的优点是考虑到梁的每个网格点上的质量值较小，而不是三点上的三个大质量块，这可以导出更接近船体重量现实的动态分析的更准确的质量矩阵分布质量）。然而，外梁用于对平台承受侧向载荷时的船体弯曲刚度进行建模。根据平台的可用数据及其连接类型，计算外部梁在与腿部连接处的性能。
假定结构钢的行为呈线性弹性。结构粘性阻尼通过瑞利阻尼理论建模。为此，由于在第10振动模式下累积有效质量达到95％以上，所以发现该结构的最高有效模式的第1和第10模式的阻尼比为5％。
在确定结构的质量特性时，还考虑了浸入水中的元素的流体动力学添加质量。流体力学附加质量是物体在水中的物体的动态分析中具有水的物体的更换体积的质量。这里有一个有一定体积的桁架腿 浸入式结构的体积乘以水的密度，假设为流体动力学附加质量，并沿腿分布。此部分也与上述软件的结果进行比较。
大挠度分析用于考虑泥土与土体的分离以及结构内的几何非线性现象。结构的有限元型如图1所示。
图1
2.2 桩腿和土壤建模
平台基础结构由泥土和底层土壤组成。基础建模应允许泥沙的变形，摇摆和滑动以及土壤的变形。平台上的桩腿是直径为25 m的圆柱形。外壳元件如图2（a）所示。用于建模桩腿灵活性。在这项研究中，土壤被认为是颗粒状，具有不同的摩擦角，范围在20ordm;到30ordm;之间。用于土壤建模的非线性眨眼者基础由两部分组成：
（1）通过弹簧和阻尼器对土壤性质建模;
（2）土体基础界面现象建模，即间隙。
图2
为了考虑土壤介质的三维变形，应考虑平行于平台重力荷载的两个独立的水平方向和垂直方向。这些代表土壤性质的弹簧和阻尼器都放在所有方向。所有水平弹簧（P-x）都是线性的，但垂直弹簧（Q-z）是非线性非弹性的。阻尼器也被假定为线性行为。界面元素用于模拟土壤和基础之间的间隙现象。该元件具有非线性弹性，非常高的张力和压缩刚度以及非常低的拉伸强度。图3显示了界面元素的行为。该元素与垂直土壤元素串联放置。为了将两个元素串联建模，必须定义土壤和桩腿节点之间的节点。水平面和间隙元件中的弹簧和阻尼器由3D连接器元件建模，然后使用接口节点将垂直弹簧和阻尼器与它们串联放置。弹簧，阻尼器和间隙元件如图4所示，统称为土壤元素。图2（b）中标记的电显示了每个桩腿中土壤元素的位置，分析结果将在稍后报告。每个元素都有一个用于计算其属性的支流有效区域。
这里简要介绍了计算土壤元素不同部位特征所需的参数。
初级剪切模量G0：圆粒砂的主要剪切模量由方程式
- ，由Hardin和Black（加拿大岩土学会，2006年提出。式（1）对于低应变土，但是由Idriss（1990）提出的曲线适用于在高应变条件下降低沙土的剪切模量，如图5所示。
其中，e是空隙率，是土壤的垂直应力。
剪切波速度Vs：（2）用于通过使用干密度来计算剪切波速度。 根据Hardin和Richart（1963）的观点，当土壤饱和时，这种速度降低了4％。
rho;是土壤的饱和密度。
图3
图4
图5
土壤行为曲线，P-x和Q-z：FEMA356（FEMA，2000）是建筑物和结构的地震复原的指南。在本指南中，提供了一些方程来通过非耦合的水平和垂直弹簧来模拟浅层地基。从这些方程式计算出水泥和垂直弹簧的线性刚度（饱和砂的泊松比假定为0.4）。承载能力用Meyerhof方程计算（Bowles，1997）。通过将线性刚度与垂直弹簧的承载力相结合，可以获得垂直弹簧的弹塑性双线性曲线（力—位移曲线）。然而，如图6所示，水平弹簧使用线性弹性曲线。必须指出的是，这些弹簧完全代表了浅基础行为，而对于深基础，即桩，P-y，t-z和Q-z曲线则需要模拟周围土壤的横向和垂直行为。
图6
阻尼：沙土中有三种类型的阻尼：（1）土粘性阻尼，与其他阻尼相比可以忽略不计，（2）迟滞阻尼，由于土体中的非弹性变形，通过非线性非弹性行为建模 的垂直弹簧，（3）辐射阻尼，由于通过辐射将能量耗散到土壤介质中，这是通过使用线性阻尼器建模的。这些阻尼器的性质由Dobry和Gazetas（1985）提出的用于圆形基础的方程计算如下：
其中，Cz和Cy分别是在垂直和水平方向上的辐射阻尼。 Ab（=pi;B2）是土壤和地基的界面，B是基础的半径，VLa用公式（4）计算。
nu;是饱和砂的泊松比，假定为0.4。
2.3载荷
本研究中使用的平台假设在150米深的水深中进行作业。设计波高和周期分别为29 m和16 s。设计海状态下的有效波高（Hs）和过零周期分别为16 m和14.8 s，代表所提到的设计波。
使用两种方法在结构上施加波浪载荷，如下所示：
- 通过具有指定波高和周期的单色设计波，应用波浪载荷。
- 利用波谱中水面高程的模拟时程，在设计海域中应用不规则波浪波浪载荷。
为了模拟来自特定光谱的不规则海浪的水面轮廓，有几种方法是可用的，例如傅立叶逆傅立叶级数，确定性光谱幅度和不确定光谱幅度（Chakrabarti，1987）。
五阶斯托克波理论用于计算单色波的波动运动，但是对于不规则波，使用P-M谱和通气波理论（Goda，1985）。 SNAME中的等效方法用于计算具有相同属性的腿的Cd和Cm。
如图7所示。相对于平台北侧，波浪载荷可能在180°，210ordm;和240ordm;三个方向上施加在平台上，但180ordm;方向是研究平台倾翻的最关键方向，因为船体的最大偏心 沿着这个方向。 应该注意的是，由于平台的横向偏心，每个腿响应不同; 因此平台不能用2D建模。
图7
- 分析结果
前面介绍的模型用于计算平台应用波浪载荷的动态响应。 动态分析通过使用专门的FE软件进行，该软件通过Newmark-beta;算法解决了动态平衡的控制方程。
3.1自然振动期
在进行非线性动态分析之前，先进行模型的特征值分析，以考虑到基础灵活性来确定结构的自然振动周期，并将其与假定完全固定或固定腿的模型的结果进行比较支持。应对模型进行两种修改，以便考虑土壤—结构相互作用从而进行模态分析：（1）消除垂直土壤元素中的非线性行为，（2）消除界面元素。这些修改是必需的，因为模态分析是线性分析，应该消除任何非线性效应。结构的自然周期计算如表1所示三种情况。完全固定和固定支持模型的第一模式周期之间的差异非常显着，通过考虑SSI，计算的第一模式周期在这两种情况之间。结果是更靠近固定的支撑壳体，这表明腿部支撑件具有相当大的相对固定性。
结构的自然时期也证实了模拟模型的运行良好。另外，通过在船体上应用周期性的点载荷来进行各种周期的研究。衍生的扩增因子与文献中提出的动态扩增因子（DAF）曲线相匹配。然而，由于空间的限制，结果未写在论文中。
表1
3.2平台响应受单色波浪载荷的影响
对于结构的一些特定接头，如图1和图2（b）所示。 选择其并检查这些关节的位移以呈现动态分析的结果。
在图8中显示了了承受单色波的不同摩擦角的土体中的船体高度处的位移。由于船体载荷偏心和由五阶Stoke产生的不对称载荷，所有情况下的位移在x轴上不对称 波浪理论以及不同腿部不平等的定居点。 具有最大摩擦角的土壤的位移最小。应该注意的是，在情况c中，即当砂摩擦角小时，反渗透能力大到足以承受静态的结构重量和波浪力。但是当平台受到动态载荷的影响时，由于搅拌机的摇摆运动，产生土壤变化。这些因素导致船体高程位移的逐渐增加，并且如果持续循环波载荷的增大，结构中可能会产生不稳定性。
在图9-11，显示了土壤元素和界面元素位移的时间历程。在这些数字中可以观察到循环行为，摇摆和永久性沉降。当phi;=30ordm;时，土壤中没有任何非线性行为。在phi;=25ordm;的土壤中，在桩腿的边缘观察到一
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