海上孤立建筑物的总体设计与抗震设计南堡35-2油田油轮坐底方案研究

海上孤立建筑物的总体设计与抗震设计南堡35-2油田油轮坐底方案研究

随着海洋石油的开发，尤其是大陆架和沿海油田的开发，原油的海上储存和输送方式变得越来越多样化。利用已退役或即将退役的大型船舶,特别是油轮,经加固改造后,将其拖至预定位置并坐底,使之形成一固定的海上孤立建筑物。该建筑物既可作为中转储油库,又可供穿梭油轮停靠作业。这种储存及转输方式的研究和应用,在国内均为一较新课题。本文将结合南堡35-2油田工程研究实例,对采用油轮坐底的建设方案所应考虑的因素、计算方法和船体加固方法作全面阐述。1“希望”号叶轮坐底方案南堡35-2油田位于渤海湾大清河口东南约7.4km海域。海底泥面顶标高-16.2m。根据油田建设开发的需要,拟将“希望”号油轮采用沉船方法使其坐底,满足转储油库和2.4～6万吨级穿梭油轮的停靠要求。该建筑物设计使用年限为20年。1.1设计波要素及海冰设计条件该海区属不规则半日潮海区,设计高水位2.45m,设计低水位-0.23m,极端高水位3.05m,极端低水位-1.25m,平均海平面1.37m(潮位由当地理论最低潮面起算)。由于渤海属于半封闭海域,波浪多为风浪和以风浪为主的混合浪。设计波要素见表1。该海区为规则半日潮流海区,潮流呈往复流性质。涨、落潮流主流向为WSW—ENE,最大流速分别为0.98m/s,1.26m/s。本区域在冬季有不同程度的海冰(岸边固定冰和海面上浮冰)出现,正常年份对船舶通航无大的影响;但是1969年渤海曾发生了解放后最严重的冰情,几乎整个渤海海面被冰覆盖,造成一定海损。海冰设计条件见表2。该海域海床表层为软的粉质粘土含细砂粒,厚度约为4.2m;其下为厚约13.9m的密实～非常密实的细砂;再下为厚约10m砂质粉砂与粉质粘土互混层和厚约12m混合密实～非常密实的细砂层。总体而言,将表层软土挖除,再换填抛石基床后可作为重力式结构的基础。该海区建筑物的抗震设计烈度为8度。1.2长丝群舱室划分“希望”号油轮1976年建成投产,于1998年退役。其空船自重30089t;船长294.9m,型宽46.0m,型深24.0m;舱室划分为货油舱、压载水舱、淡水舱、污水舱、燃料油舱、柴油舱、润滑油舱、泵舱、轮机舱及配套的生活、作业舱室等。“希望”号改造前舱室布置见图1。2相关因素及荷载组合坐底油轮是位于海中的孤立式建筑物,其受力状态十分复杂,应充分考虑风、浪、流、冰、地震、水位和地质条件等多种因素的作用,以及相应的荷载组合情况。由于本工程除提供油田必要的生产、生活保障外,还储存有可能污染海洋生态环境的原油,因此属于破坏后果很严重的建筑物,故其结构安全等级取为一级,结构重要性系数γ0=1.1。2.1重量永久(1)推进系统荷载原“希望”号油轮空船自重30089t,拆卸推进系统主机500t,新增工艺设施荷载等1800t,累计为31389t;为保证油轮坐底后的抗倾、抗滑稳定而进行的压载依舱位确定。(2)储油温度5.人员及生活物资30t;燃料油、柴油和润滑油5392t(储油温度65℃);淡水和污水6018t;2～5号油舱要求总载油量75000t。(3)强度抗压强度风荷载、水流力及船舶荷载按照现行的《港口工程荷载规范》(JTJ215-98)计算。油轮坐底后所受风荷载最大风压力为5300kN,受最大水流力为10500kN。穿梭油轮的控制靠船速度分别为:24000～30000t油轮0.20m/s;60000t油轮0.15m/s。(4)确定极端低水位时静水浮托力(永久作用)根据《“希望”号生产储油轮装载及完整稳性手册》中不同水位条件时的船舶排水量确定为:极端高水位时2095000kN;设计高水位时2023000kN;极端低水位时1586750kN;设计低水位时1704050kN。波浪产生的浮托力(可变作用)依照现行的《海港水文规范》(JTJ213-98)(以下简称为“水文规范”),通过计算不同工况条件下的波浪力求得。(5)地震负荷事故按照现行的《水运工程抗震设计规范》(JTJ225-98),油轮坐底后在8度地震时所受的地震荷载包括地震惯性力和地震水压力。(6)波浪力计算结果油轮坐底后,入射波遇船体在其四周形成的反射波与入射波以及绕射波相互叠加。入射波的方向不同,叠加后的波高分布也不相同。通过多向不规则波数学模型计算,可得到不同方向和不同波高的波浪在船体四周形成的比波高分布。图2给出了垂直于沉船纵轴线方向入射波的波高比分布。依据入射波高和比波高系数求得船周实际的波高数值,再根据水文规范计算出不同水位和波浪条件下沉船所受波浪力合力。沉船所受最大波浪作用合力为460000kN。此时的工况为:极端高水位3.05m;100年一遇设计波要素Η1％=7.0m‚ˉΤ=8.5sH1％=7.0m‚T¯¯¯=8.5s;波浪入射方向垂直于沉船纵轴线方向;荷载组合为油轮一侧受入射波波峰作用,另一侧受绕射波波谷作用。作为海中孤立式大型建筑物,波浪力的计算对坐底后的油轮稳定至关重要。为进一步分析比较,采用了日本港湾技术研究所有关孤立式大型建筑物所受波浪力的计算理论进行复核。计算公式如下:沿x方向(横向)的波浪力:Fx=ω0CmxπD24∫0-h∂u∂tdz沿y方向(竖向)的波浪力:Fy=ω0CmyπD24∫0-h∂v∂tdz式中:ω0为海水容重;Cmx为沿x方向的构筑物的质量系数;Cmy为沿y方向的构筑物的质量系数;D为构筑物长边尺寸;u为沿x方向的水质点速度;v为沿y方向的水质点速度;t为时间;h为水深。大量的数据表明,二者的计算结果符合性较好。采用日本港湾技术研究所理论计算值比依照“水文规范”计算的结果平均大15%。(7)冰的厚度和抗压强度本区域当海面流冰密集度≥8级,浮冰量≥8级且有灰白冰出现时,船舶航行受阻,可发生船速减慢,偏离航线,锚地的船舶拖锚而随流冰漂移等现象,因此在冰情严重的年份,应考虑破冰船破冰,以保证安全通航营运。冰的厚度和抗压强度见表2。极限冰压力计算公式如下:F1=mAbhRy式中F1为极限冰压力标准值;m为迎冰面形状系数;A为冰温系数;b为迎冰面投影宽度;h为计算冰厚;Ry为冰的抗压强度标准值。由于表2中冰的抗压强度为设计值,已经考虑了冰温和盐度的因素,故在应用以下公式时冰温系数取1.0。此外在计算冰荷载时,应按冬季水位考虑。经推算本海区冬三月高水位为1.80m,冬三月低水位为-0.04m。经计算,冬三月高、低水位下沉船所受最大冰压力分别为300000kN和275000kN。2.2载荷组合(1)最大风压、齿轮坐底后持久组合考虑:极端高水位(低水位)、50年一遇H1%波高的波浪力、最大潮流力、50年一遇最大风压、油轮坐底后的自重、最小载货量(最大载货量)同时作用的情况,以及冬三月高水位(低水位)、50年一遇极限冰压力、最大潮流力、50年一遇最大风压、油轮坐底后的自重、最小载货量(最大载货量)同时作用的情况。短暂组合考虑:极端高水位(低水位)、100年一遇H1%波高的波浪力、最大潮流力、50年一遇最大风压、油轮坐底后的自重和最小载货量(最大载货量)同时作用的情况,以及冬三月高水位(低水位)、100年一遇极限冰压力、最大潮流力、50年一遇最大风压、油轮坐底后的自重和最小载货量(最大载货量)同时作用的情况。偶然组合考虑:设计高水位(低水位)、50年一遇H1%波高的扬压力、穿梭油轮荷载(系缆力)、地震惯性力、地震水压力、油轮坐底后的自重和最小载货量(最大载货量)同时作用的情况,以及冬三月高水位(低水位)、50年一遇极限冰压力、地震惯性力、地震水压力、油轮坐底后的自重和最小载货量(最大载货量)同时作用的情况。(2)正常使用极限状态按正常使用极限状态的长期效应组合进行船体强度和地基沉降的验算。沿沉船横向的正常使用极限状态计算的荷载组合情况同前述承载能力极限状态时的荷载组合情况;沿沉船纵向的正常使用极限状态计算波长为三分之一船长的行进波产生的浮托力与“希望”号内部各舱装载分布不均匀状况相耦合时的荷载组合情况。2.3计算结果和分析采用考虑土壤固结的非线性有限元法分别对沿油轮纵轴和横轴剖面进行坐底后的油轮与地基相互作用的二维计算分析,得到地基反力和不均匀沉降量。本工程所处地基为成层软基,大致由两类较密实的粉砂层和变形量较大的粉砂夹淤泥质粘土层组成。计算中考虑到土的非线性本构特性,采用了邓肯(J.M.Duncan)等人提出的弹性非线性模型,即邓肯-张(Duncan-Chang)模型。由于常用的太沙基(Terzaghi)理论在二、三维固结问题中不够严密,本次研究的计算中采用了比奥(Biot)固结理论,以求更准确地反映孔隙压力与土骨架变形的相互关系。本次变形计算主要关心的问题为油轮两侧的沉降差,因此在船体下方的地基中单元剖分时适当加密。在船体与碎石垫层基础之间考虑材料的突变,设置了古德曼(Goodman)接触单元,较好地模拟了接触面上的错动滑移。船体单元剖分时,作了等刚度代换,即E1I1=E2I2,γ1A1=γ2A2,其中E、I、γ、A分别为弹性模量、惯性矩、容重和横截面积。这样即考虑了船体的整体性,又减少了构模的工作量。鉴于地基沉降中的塑性变形具有不可恢复性,对船体应力重分布的影响不容忽视,就此进行专项研究和试验是十分必要的。计算地基最大反力为690kPa,最终沉降量为20cm。计算结果表明沉船船体横向结构需采取加固措施。横向结构加强拟采用T型钢结构,钢板厚30cm、高度4m、间距4m。采用弹性地基梁法计算沉船的纵向强度。纵轴方向强度基本满足使用要求。但为了保证横向结构的刚度,在平行沉船纵轴线方向也进行适当的结构加强。纵向结构加强为加劲,钢板厚30cm、高度5.9m2.4船体结构的边缘舱的加固船体结构边舱考虑在回填料贮仓压力作用下进行受力分析。根据计算结果,确定加固断面。2.5计算结果满足现行规范要求在抗滑稳定计算中,船底与抛石基床之间的摩擦系数取为f=0.4,对坐底后的油轮在各种荷载组合情况下的抗倾和抗滑稳定进行计算,计算结果均满足现行规范要求。另外按《港口工程技术规范(1987)》复核,抗倾安全系数Ko=7.19>1.6,抗滑安全系数Ks=1.89>1.3,满足该规范的要求。根据该地区土壤物理力学指标,对各种荷载组合情况下的地基承载力进行计算,计算结果均满足现行规范要求。另外按《港口工程技术规范(1987)》复核,地基承载力最小安全系数K=6.66>3.0,也满足要求。3混凝土浇筑及结构开挖根据前述各项荷载计算的结果和不同设计状态下的荷载组合,对船舶进行加载数量的计算,按控制作用的工况确定最合理可行的加载数量、加载种类、加载布置。为满足稳定要求,需要在有限的仓容内灌注大比重的填料。通过比较拟选用船厂喷砂除锈后的废铁砂,这种填料价格便宜且比重较大(密实后可达40kN/m3)。船舶加强和加载重量为:钢筋混凝土35300t,钢结构9250t,喷丸铁砂386700t,总计431250t。改造后的油轮舱室平面图见图3。以上加载数量在船舱内的布置为:钢筋混凝土浇筑于油货舱、边舱、艏尖舱的舱底上,形成1.1～1.2m厚的钢筋混凝土底板,通过钢筋网与船体联合作用,以抵抗地基反力和结构内力;混凝土浇筑于艉尖舱和双层底燃料油舱;钢结构用以对边舱舱壁、油货舱舱壁、舷侧外板进行加强,并在边舱和油货舱内构筑隔仓,高度约为17.0m;铁砂用以充填边舱和1号中间舱内的隔仓,保证坐底的油轮满足稳定性要求。根据“希望”号油轮的载重量、排水量和吃水的关系,上述加载量可在两处分别完成:首先在船厂实施钢筋混凝土、混凝土和钢结构的施工;待完成有关工艺设备改造,拖运至南堡35-2油田现场就位沉放后,再充填铁砂。第一阶段“希望”号在船厂改造时,首先在艏尖舱,1号～8号边舱(左、右舷),1号～5号中间舱和中间燃料油舱浇筑钢筋混凝土底板。其次在以上各舱以及拆除推进设施后的轮机舱等舱室采用钢结构对舱壁和舷侧外板进行加强,并增设为加强整体性而布置的纵、横肋板及相应加强筋。在艉尖舱、中间双层底燃料油舱、左舷燃料油舱和右舷燃料油舱浇注混凝土。至此完成对船体的改造,此时船吃水为7.5m,满足船厂海域水深要求和船体拖运的浮性、稳性要求。同时,也使船体的强度和整体性得到加强,可满足长期沉放于海底所需要的强度和整体性要求。最后,根据船厂航道水深条件尽可能多地装载铁砂,以减少现场工程量。与此同时,在油轮坐底现场进行基槽开挖。基槽开挖完成后分层抛填、整平、夯实约4m厚10～100kg块石以形成抛石基床,并应在“希望”号拖运至坐底现场前完工。第二阶段,“希望”号被拖运至坐底现场充水沉放后,陆续在艏尖舱,1、2、3、4、5、6、8号边舱(左、右舷),1号中间舱和中间燃料油舱充填铁砂并予以密实,以满足稳定需要。在“希望”号坐底后,抛理两层500～600kg护底块石;布放混凝土压脚块体;并根据挡浪需要,在甲板边缘架设顶标高至11m的挡浪墙。结构断面见图4。此时“希望”号油轮如立即遭遇重现期为5年一遇的波浪作用时,亦可满足稳定要求。另外还可增设锚碇或选择合宜的开工时机,以便在每年的恶劣水文气象条件出现之前充分压载,使之满足必要的稳定要求。4各种荷载组合的作用(1)在拟建的工程海域,采用使“希望”号油轮坐底形成一孤立的海上建筑物执行原油转输任务,在