深水导管架分离式防沉板设计简析
张乐 袁廷廷
摘 要：防沉板是桩基式平台导管架部分重要的附属构件。在导管架坐底过程中，防沉板对导管架安装过程中的稳定性起着至关重要的作用，其结构形式的科学与否直接关系导管架的坐底过程能否顺利进行。根据防沉板与主结构的联系分为一体式防沉板和分离式防沉板两种。本文以恩平海域某导管架为例，阐述了分离式防沉板设计的思路與计算过程，并对设计过程中可能出现的问题进行了分析。
关键词：深水；导管架；分离式防沉板；强度校核
中图分类号：TE952 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）7-0047-02
防沉板的主要作用是在导管架初始坐底时，提供支撑来阻止导管架下陷，一般在导管架插桩完毕后，完成其工作使命。由于在深水海域海床不平整度出现的可能性更大，因此，产生了通过导管架自身设置的主动性调平构造的设计理念，通常情况下采用防沉板底标高入手解决，将防沉板脱离开已经既定的导管架主结构底层框架，根据海床倾角和平台底部尺寸算出每一个角防沉板各自的海床理论标高，然后防沉板用短柱或立梁与主结构相连，形象地讲，就是用平行于海床的斜底座来临时支持平底的导管架。
本文旨在以我国南海海域某90m左右水深导管架防沉板设计为依托，阐述深海海域导管架分离式防沉板的设计思路与过程。
1 分离式防沉板设计基础
1.1 计算水深的选择
根据导管架安装位置海域的地质调查报告，得到平台底部海床的平整度资料，如果水深差距比较大，则要考虑采用分离式的防沉板设计，本项目中四个平台角的高差最大0.4m，因此采用分离式防沉板进行调平。此外，根据地质调查报告，得到导管架安装位置土质资料，作为计算防沉板承载力的依据。
1.2 环境条件
根据设计规格书，得到导管架坐底安装过程中环境条件（见表1）。
海水中的流速采用定常流：表层流速0.6m/s，中层流速0.3m/s，底层流速0.3m/s。
2 分离式防沉板设计过程
2.1 计算模型
分离式防沉板，即防沉板自身成为一个结构，通过竖向杆件和主结构相连。防沉板的结构采用最有效的三角形的形式，布置在距中心最远的四个角上，这样既能满足承载力的需求，还能够提供最大的抗倾覆能力，防沉板布置和三维结构，见图1和图2。四周采用直径762mm的圆管，中间的十字撑采用直径610mm的圆管，中间的支撑采用工字钢，板厚10mm，钢材质为Q235。
图2所示中支撑梁结构的选型如下：主梁采用H300x300mm，次梁采用H300x150mm。
2.2 计算工况
防沉板的设计，需要满足API规范[1]及设计规格书规定的稳性，承载力，防沉板自身强度的要求。
2.2.1防沉板稳性校核
采用最高天文潮水深，结构重量系数取1.0，目的是产生最大的倾覆荷载和最小的抗倾覆能力，这样更为保守。
稳性校核考虑的计算工况分为如下两种：
（1）初步坐底工况下环境力作用；
（2）打桩工况下环境力的作用。
根据上面所述的环境条件和计算模型，得到每个工况下水平荷载的最大倾覆力矩，与结构自身重力产生的抗倾覆力矩相比较，抗倾覆力矩/最大倾覆力矩>1.5，满足规范设计要求。
2.2.2土壤承载力校核
采用最低天文潮水深，结构重量系数放大，主结构重量放大1.03，附属结构放大1.05倍，产生最大的重力，使计算趋于保守。
计算土壤承载力考虑如下三种工况：
（1）静水工况，不与环境力组合；
（2）自重与坐底工况下环境力组合作用；
（3）自重与打桩工况下环境力组合作用。
通过项目规格书了解到，海床上单位面积土壤承载力计算公式为：
qu=24.3×Sr×B （1）
式中，
qu：海床上单位面积土壤承载力， kPa
B：防沉板宽度或半径， m
Sr：地基形状系数。对矩形地基来说，按照如下公式取值，
Sr=1-0.4（B/L） （2）
对形状为三角形的防沉板，L取最长边，B应该取最长边对应的最短的高。
根据海洋工程计算软件得到每个工况下，不同防沉板对应的垂向压力载荷，单位面积土壤极限承载力qu与垂向压力荷载之σc比，即为承载力安全系数。参考规范，其校核衡准如下：
（1）自重工况：qu/σc >2.0；
（2）自重与环境力组合工况：qu/σc >1.5。
2.2.3防沉板强度校核
对模型中模拟出来的防沉板结构如圆管，工字钢，可以采取在计算软件中校核，将第二步中土壤承载力计算得到的防沉板最大垂向荷载σc加载到防沉板的杆件上，校核防沉板结构强度是否满足要求。
对于不能在模型中校核的结构，比如一些小梁和板的强度，需要通过手算来校核，定义好材料属性，如材料抗弯屈服强度，截面抗弯模量，支撑间距离等，截面承受的最大载荷与抗弯强度之比<1.0，即可满足要求[2]。
2.3 其他需要考虑的问题
（1）防沉板静水压溃问题，由于导管架所处水深较深，这样就要求对防沉板自身密封杆件也进行静水压溃校核。
（2）防沉板波浪拍击强度校核，尤其对于滑移下水导管架，入水瞬间，其自身的下滑速度及波浪的运动速度，将会导致波浪对构件的拍击，对于防沉板这种与水面瞬间接触面积较大的结构，产生的拍击力更是不能忽视，因此，也需要进行波浪拍击强度校核[3]。
（3）防沉板坐底能力校核，由于深水导管架多为裙桩套筒结构，套筒的底部标高普遍比防沉板标高要低一些，此时，就要校核导管架的坐底能力，防止群桩套筒插入土中不够深，防沉板不能坐底情况的发生。需要单独计算群桩套筒的承载能力，与导管架在水中的重力对比， 如果计算得到裙桩套筒的承载力远小于导管架自身的重力，则导管架可以正常坐底。
（4）关注防沉板与主结构相连的杆件和节点强度，防沉板与主结构通过竖杆相连接，在坐底过程中，防沉板作为附属构件，其承担的支反力会通过连接竖杆传递到主结构上，这样，对底层主结构连接位置便形成了集中应力，通常需要通过截面加强来满足强度需求。
3 结语
综上所述，分离式防沉板与一体式防沉板设计的最大的区别在于与主结构的连接方式，分离式防沉板是单独的一个结构，与导管架主体通过竖向杆件连接，可以通过调整竖向杆件长度来消除海底不平度的影响。这是其优点，然而，缺点是当防沉板单独作为一个结构，用钢量增加了，自身强度满足的同时，需要对与主结构的连接点进行局部加强。除此之外，详细的设计过程却是相同的，本文只是简单阐述了防沉板设计所应考虑的具体内容，现实中，设计者可以根据项目实际情况和需求来选取不同的防沉板形式进行合理设计。
参考文献：
[1] API-RP-2A–WSD， Recommended Practice for Planning and Constructing Fixed Offshore Platforms – Working Stress Design， 21st Edition， 2007.
[2] AISC， Manual of Steel Construction – Allowable Stress Design， 9th Edition.
[3] DNV-RP-C205， Environmental Conditions and Environmental Loads， April 2007.
摘 要：防沉板是桩基式平台导管架部分重要的附属构件。在导管架坐底过程中，防沉板对导管架安装过程中的稳定性起着至关重要的作用，其结构形式的科学与否直接关系导管架的坐底过程能否顺利进行。根据防沉板与主结构的联系分为一体式防沉板和分离式防沉板两种。本文以恩平海域某导管架为例，阐述了分离式防沉板设计的思路與计算过程，并对设计过程中可能出现的问题进行了分析。
关键词：深水；导管架；分离式防沉板；强度校核
中图分类号：TE952 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）7-0047-02
防沉板的主要作用是在导管架初始坐底时，提供支撑来阻止导管架下陷，一般在导管架插桩完毕后，完成其工作使命。由于在深水海域海床不平整度出现的可能性更大，因此，产生了通过导管架自身设置的主动性调平构造的设计理念，通常情况下采用防沉板底标高入手解决，将防沉板脱离开已经既定的导管架主结构底层框架，根据海床倾角和平台底部尺寸算出每一个角防沉板各自的海床理论标高，然后防沉板用短柱或立梁与主结构相连，形象地讲，就是用平行于海床的斜底座来临时支持平底的导管架。
本文旨在以我国南海海域某90m左右水深导管架防沉板设计为依托，阐述深海海域导管架分离式防沉板的设计思路与过程。
1 分离式防沉板设计基础
1.1 计算水深的选择
根据导管架安装位置海域的地质调查报告，得到平台底部海床的平整度资料，如果水深差距比较大，则要考虑采用分离式的防沉板设计，本项目中四个平台角的高差最大0.4m，因此采用分离式防沉板进行调平。此外，根据地质调查报告，得到导管架安装位置土质资料，作为计算防沉板承载力的依据。
1.2 环境条件
根据设计规格书，得到导管架坐底安装过程中环境条件（见表1）。
海水中的流速采用定常流：表层流速0.6m/s，中层流速0.3m/s，底层流速0.3m/s。
2 分离式防沉板设计过程
2.1 计算模型
分离式防沉板，即防沉板自身成为一个结构，通过竖向杆件和主结构相连。防沉板的结构采用最有效的三角形的形式，布置在距中心最远的四个角上，这样既能满足承载力的需求，还能够提供最大的抗倾覆能力，防沉板布置和三维结构，见图1和图2。四周采用直径762mm的圆管，中间的十字撑采用直径610mm的圆管，中间的支撑采用工字钢，板厚10mm，钢材质为Q235。
图2所示中支撑梁结构的选型如下：主梁采用H300x300mm，次梁采用H300x150mm。
2.2 计算工况
防沉板的设计，需要满足API规范[1]及设计规格书规定的稳性，承载力，防沉板自身强度的要求。
2.2.1防沉板稳性校核
采用最高天文潮水深，结构重量系数取1.0，目的是产生最大的倾覆荷载和最小的抗倾覆能力，这样更为保守。
稳性校核考虑的计算工况分为如下两种：
（1）初步坐底工况下环境力作用；
（2）打桩工况下环境力的作用。
根据上面所述的环境条件和计算模型，得到每个工况下水平荷载的最大倾覆力矩，与结构自身重力产生的抗倾覆力矩相比较，抗倾覆力矩/最大倾覆力矩>1.5，满足规范设计要求。
2.2.2土壤承载力校核
采用最低天文潮水深，结构重量系数放大，主结构重量放大1.03，附属结构放大1.05倍，产生最大的重力，使计算趋于保守。
计算土壤承载力考虑如下三种工况：
（1）静水工况，不与环境力组合；
（2）自重与坐底工况下环境力组合作用；
（3）自重与打桩工况下环境力组合作用。
通过项目规格书了解到，海床上单位面积土壤承载力计算公式为：
qu=24.3×Sr×B （1）
式中，
qu：海床上单位面积土壤承载力， kPa
B：防沉板宽度或半径， m
Sr：地基形状系数。对矩形地基来说，按照如下公式取值，
Sr=1-0.4（B/L） （2）
对形状为三角形的防沉板，L取最长边，B应该取最长边对应的最短的高。
根据海洋工程计算软件得到每个工况下，不同防沉板对应的垂向压力载荷，单位面积土壤极限承载力qu与垂向压力荷载之σc比，即为承载力安全系数。参考规范，其校核衡准如下：
（1）自重工况：qu/σc >2.0；
（2）自重与环境力组合工况：qu/σc >1.5。
2.2.3防沉板强度校核
对模型中模拟出来的防沉板结构如圆管，工字钢，可以采取在计算软件中校核，将第二步中土壤承载力计算得到的防沉板最大垂向荷载σc加载到防沉板的杆件上，校核防沉板结构强度是否满足要求。
对于不能在模型中校核的结构，比如一些小梁和板的强度，需要通过手算来校核，定义好材料属性，如材料抗弯屈服强度，截面抗弯模量，支撑间距离等，截面承受的最大载荷与抗弯强度之比<1.0，即可满足要求[2]。
2.3 其他需要考虑的问题
（1）防沉板静水压溃问题，由于导管架所处水深较深，这样就要求对防沉板自身密封杆件也进行静水压溃校核。
（2）防沉板波浪拍击强度校核，尤其对于滑移下水导管架，入水瞬间，其自身的下滑速度及波浪的运动速度，将会导致波浪对构件的拍击，对于防沉板这种与水面瞬间接触面积较大的结构，产生的拍击力更是不能忽视，因此，也需要进行波浪拍击强度校核[3]。
（3）防沉板坐底能力校核，由于深水导管架多为裙桩套筒结构，套筒的底部标高普遍比防沉板标高要低一些，此时，就要校核导管架的坐底能力，防止群桩套筒插入土中不够深，防沉板不能坐底情况的发生。需要单独计算群桩套筒的承载能力，与导管架在水中的重力对比， 如果计算得到裙桩套筒的承载力远小于导管架自身的重力，则导管架可以正常坐底。
（4）关注防沉板与主结构相连的杆件和节点强度，防沉板与主结构通过竖杆相连接，在坐底过程中，防沉板作为附属构件，其承担的支反力会通过连接竖杆传递到主结构上，这样，对底层主结构连接位置便形成了集中应力，通常需要通过截面加强来满足强度需求。
3 结语
综上所述，分离式防沉板与一体式防沉板设计的最大的区别在于与主结构的连接方式，分离式防沉板是单独的一个结构，与导管架主体通过竖向杆件连接，可以通过调整竖向杆件长度来消除海底不平度的影响。这是其优点，然而，缺点是当防沉板单独作为一个结构，用钢量增加了，自身强度满足的同时，需要对与主结构的连接点进行局部加强。除此之外，详细的设计过程却是相同的，本文只是简单阐述了防沉板设计所应考虑的具体内容，现实中，设计者可以根据项目实际情况和需求来选取不同的防沉板形式进行合理设计。
参考文献：
[1] API-RP-2A–WSD， Recommended Practice for Planning and Constructing Fixed Offshore Platforms – Working Stress Design， 21st Edition， 2007.
[2] AISC， Manual of Steel Construction – Allowable Stress Design， 9th Edition.
[3] DNV-RP-C205， Environmental Conditions and Environmental Loads， April 2007.
