第六章 导管架的设计ppt课件

1、第六章 导管架设计第一节 设计依据及设计内容一、设计导管架的基本依据一、设计导管架的基本依据水深：动力效应、疲劳分析、安装工艺、倾水深：动力效应、疲劳分析、安装工艺、倾覆力矩等覆力矩等海洋环境：决定几何形状，冰、腐蚀、环境海洋环境：决定几何形状，冰、腐蚀、环境力力甲板空间：决定导管架顶部尺度，由甲板支甲板空间：决定导管架顶部尺度，由甲板支撑结构的腿柱数目和间距控制撑结构的腿柱数目和间距控制施工场地与施工设备：几何形状与施工设备施工场地与施工设备：几何形状与施工设备相适应，小型导管架采用还上浮吊吊装，相适应，小型导管架采用还上浮吊吊装，大型导管架采用下水驳船拖运。大型导管架采用下水驳船拖运。二、

2、导管架结构的设计内容二、导管架结构的设计内容1. 导管架结构型式的设计方案设计）导管架结构型式的设计方案设计）拟定初步设计方案，确定导管架尺度。对可供选择拟定初步设计方案，确定导管架尺度。对可供选择的方案进行研究，进行经济效益评价，确定最的方案进行研究，进行经济效益评价，确定最终结构型式。终结构型式。2. 导管架腿柱直径与斜度设计导管架腿柱直径与斜度设计腿柱直径：主要受土质情况和基础要求的限制。一腿柱直径：主要受土质情况和基础要求的限制。一般按以前比较成功的经验选择，按甲板支撑桁般按以前比较成功的经验选择，按甲板支撑桁架腿柱的要求决定。靠近水面附近构件尺度减架腿柱的要求决定。靠近水面附近构件尺

3、度减小。小。腿柱斜度：主要与土壤性质、打桩机性能和承受荷腿柱斜度：主要与土壤性质、打桩机性能和承受荷载类型有关。综合考虑各种因素。通常设计成载类型有关。综合考虑各种因素。通常设计成双斜对称式。双斜对称式。3. 支撑布置设计支撑布置设计要求能把水平荷载传递到桩基中，并使结构成为一要求能把水平荷载传递到桩基中，并使结构成为一个整体。尽量减少水平支撑的层数，各连接构个整体。尽量减少水平支撑的层数，各连接构件间交角大于件间交角大于304. 导管架结构受力分析通常考虑导管架在建造、运输、下水、吊装及使用过程中可能出现的最不利的荷载及组合情况。5. 构件尺寸确定根据受力分析确定的应力，按规范对选定的构件进

4、行校核，最后确定构件尺寸。最关键的是管节点设计及疲劳分析，其次是杆件断面选择。6. 动力分析和疲劳分析对深水导管架，当结构自振周期接近平台安装水域内的波浪主要能量的波频率时，要进行动力分析。当自振周期T3s时，对导管架管节点进行疲劳分析。第二节 设计计算模型n导管架是空间杆系结构，它承受结构本身及工艺设备等垂直荷载和由风、波浪、地震、冰、海流等环境荷载引起的水平荷载。受力分析时，通常选取的结构计算模型有整体分析计算模型和分部分析计算模型。一、整体分析计算模型一、整体分析计算模型把导管架和桩视为一个整体建立三维空间框把导管架和桩视为一个整体建立三维空间框架结构的计算模型，编制计算机程序，分架结构

5、的计算模型，编制计算机程序，分析整个结构在海洋环境荷载和使用荷载作析整个结构在海洋环境荷载和使用荷载作用下，并考虑结构用下，并考虑结构-流体流体-基础相互作用，确基础相互作用，确定结构的内力。定结构的内力。该方法分析工作复杂，需要高容量的计算机，该方法分析工作复杂，需要高容量的计算机，一般适用于深水结构分析。一般适用于深水结构分析。二、分部分析计算模型二、分部分析计算模型用于浅水的不太复杂的导管架结构，通常采用于浅水的不太复杂的导管架结构，通常采用简化的分析方法：把导管架与桩基在泥用简化的分析方法：把导管架与桩基在泥面处分开，对泥面以上的导管架和泥面以面处分开，对泥面以上的导管架和泥面以下的桩

6、基分别建立计算模型进行计算。下的桩基分别建立计算模型进行计算。泥面以上部分是具有基桩支座的空间杆系结泥面以上部分是具有基桩支座的空间杆系结构，泥面以下部分是埋置于土中的桩。基构，泥面以下部分是埋置于土中的桩。基桩支座是两者的结合点。通过计算和迭代桩支座是两者的结合点。通过计算和迭代分析，使在泥面处位移和内力相容。分析，使在泥面处位移和内力相容。两种计算模型的比较：两种计算模型的比较：整体分析计算模型节点与杆件数目较多，计整体分析计算模型节点与杆件数目较多，计算工作量大。如考虑桩变位算工作量大。如考虑桩变位土反力的非土反力的非线性计算，则工作量更大。线性计算，则工作量更大。分部分析计算模型节点与

7、杆件数目较少，且分部分析计算模型节点与杆件数目较少，且采用线性结构分析方法计算工作量小。对采用线性结构分析方法计算工作量小。对桩的分析，如果有些桩截面相同还可大幅桩的分析，如果有些桩截面相同还可大幅度减少计算工作量。度减少计算工作量。推荐使用分部分析计算模型。推荐使用分部分析计算模型。第三节 导管架结构静力分析n导管架结构的受力分析是个复杂的过程，工程中广泛采用有限元分析方法，把结构模拟为二维或三维框架结构，用计算机计算结构内力和节点位移。一、有限元方法分析导管架结构的基本概念一、有限元方法分析导管架结构的基本概念n结构分析的基本假定结构分析的基本假定n导管架结构静力分析是基于线弹性理论，导管

8、架结构静力分析是基于线弹性理论，假定：假定：n（1材料是线弹性的，单元节点力与节材料是线弹性的，单元节点力与节点位移之间保持线性关系点位移之间保持线性关系n（2各单元或结构变形与整个结构尺寸各单元或结构变形与整个结构尺寸相比很小，可应用叠加原理。相比很小，可应用叠加原理。2. 基本方程基本方程二、导管架结构静力分析1. 结构计算模型的建立结构计算模型的建立（1单元与节点单元与节点节点：对于泥面以上的杆件，凡杆件交叉点、节点：对于泥面以上的杆件，凡杆件交叉点、集中荷载作用点、杆件横截面变化点、桩集中荷载作用点、杆件横截面变化点、桩与泥面交接点一般都应设为节点。泥面以与泥面交接点一般都应设为节点。

9、泥面以下的桩基上设置多个节点，每个节点处设下的桩基上设置多个节点，每个节点处设置两个垂直于桩身的弹簧，代替桩土的相置两个垂直于桩身的弹簧，代替桩土的相互作用。互作用。单元：连接两个节点的构件视为一个单元，单元：连接两个节点的构件视为一个单元，一般取导管架构件的单元为梁单元，传递一般取导管架构件的单元为梁单元，传递轴力、弯矩和剪力。桩一般作为独立的单轴力、弯矩和剪力。桩一般作为独立的单元，若桩视为若干弹簧支撑，则弹簧视为元，若桩视为若干弹簧支撑，则弹簧视为节点，桩划分为若干单元。节点，桩划分为若干单元。（2坐标系统通常采用两种坐标系统：整体坐标系结构坐标系）：空间固定的任意坐标系，用x，y，z表

10、示局部坐标系杆件坐标系）：用于表示局部构件的坐标系统，用S1，S2，S3表示结构整体坐标系与杆件局部坐标系均取为右手坐标系统。n对任意空间杆件，杆端节点有3个线位移和3各角位移共6个位移分量，杆端力也有3个力与3个力矩共6个分量。2. 计算刚度矩阵按分部分析计算模型对导管架和桩分别进行计算，即分别建立杆件坐标系下的桩基刚度矩阵和空间杆件刚度矩阵。1)桩基刚度矩阵2)空间杆件刚度矩阵3. 坐标系统转换矩阵坐标系统转换矩阵前面计算了杆件坐标系统的刚度矩阵，为了把各前面计算了杆件坐标系统的刚度矩阵，为了把各杆件刚度矩阵汇集成结构坐标系统下的刚度矩杆件刚度矩阵汇集成结构坐标系统下的刚度矩阵，需要对杆件

11、坐标系统和结构坐标系统进行阵，需要对杆件坐标系统和结构坐标系统进行转换。转换。转轴矩阵转轴矩阵T杆件坐标系下的杆端力与节点位移关系为：杆件坐标系下的杆端力与节点位移关系为：坐标转换：坐标转换：代入得结构坐标系下的杆件刚度矩阵：代入得结构坐标系下的杆件刚度矩阵：eFeeKD eeFTF eeDTDeeeFKD eTeKTKT4. 直接刚度法解节点位移与杆端力直接刚度法解节点位移与杆端力每个杆单元在结构坐标系下刚度矩阵每个杆单元在结构坐标系下刚度矩阵Ke求出后，即求出后，即可汇集成结构总刚度矩阵可汇集成结构总刚度矩阵K，它是将各杆件按总，它是将各杆件按总自由度编号为下标的刚度系数相叠加而成的自由度

12、编号为下标的刚度系数相叠加而成的6n6n矩阵。矩阵。为了求结构位移和内力，需将基桩约束刚度矩阵为了求结构位移和内力，需将基桩约束刚度矩阵KPH叠加到结构总刚度矩阵叠加到结构总刚度矩阵K相应位置上，经相应位置上，经过约束处理后的结构刚度矩阵为过约束处理后的结构刚度矩阵为Kr，那么：，那么：KrD=P式中式中D为全部节点位移向量，为全部节点位移向量，P为节点荷载向量。为节点荷载向量。求结构的节点位移公式为：求结构的节点位移公式为：D=Kr-1P结构坐标系下，节点位移产生的杆端力：结构坐标系下，节点位移产生的杆端力：Fe=KeDe杆件坐标系下，节点位移产生的杆端力：杆件坐标系下，节点位移产生的杆端力

13、：如果杆件上作用有分布荷载，则杆件坐标系下的杆端如果杆件上作用有分布荷载，则杆件坐标系下的杆端力为：力为： eeFTF eeeeLFTKDF杆件断面要素的确定杆件断面要素的确定杆件断面要素：杆件横截面面积杆件断面要素：杆件横截面面积A，有效剪切面积，有效剪切面积Ay，Az，截面惯性矩，截面惯性矩Iy，Iz及极惯性矩及极惯性矩J型钢截面：截面积和惯性矩查型钢表，工字型截面型钢截面：截面积和惯性矩查型钢表，工字型截面杆件有效面积可取腹板面积。杆件有效面积可取腹板面积。圆管杆件：截面为圆环，按公式计算。圆管杆件：截面为圆环，按公式计算。导管与桩之间环形空间用水泥砂浆填充的情况：假导管与桩之间环形空间用水泥砂浆填充的情况：假设水泥砂浆只起连接作用，不参与抵抗荷载，杆设水泥砂浆只起连接作用，不参与抵抗荷载，杆按双壁管计算，将内外管各自的断面面