郭海涛

1 概述

在海洋导管架平台设计中，APIRP2A是结构设计的必备规范之一。该规范除参考最新版本的美国AISC钢结构设计规范外，还融入了大量的工程设计原理和海洋石油开发过程中所取得的宝贵经验。本文结合胜利埕岛海域某导管架平台桩基设计，介绍了该规范在导管架平台桩的自由站立强度分析中的应用。

2 桩自由站立强度分析

APIRP2A规定，当在每根桩和套管上放置桩锤(桩顶钻孔机具)时，应校核由这些设备产生的桩应力[1]。这些荷载可能是接桩的最大长度的限制因素，尤其是按斜向打入或钻入桩的情况。最经常的影响因素包括:静弯矩、轴向荷载和桩锤初始放置时产生的横向荷载。

在进行桩自由站立强度分析时，要根据桩的不同分段和对接情况，对每段桩进行自由站立强度分析。如果是首段桩，在置锤的瞬间，在锤和桩的自重作用下，桩会下沉到泥面以下一定距离，直到桩周围土阻力与桩锤系统自重达到平衡。此时将伸出泥面或露出导管架外的桩作为一段自由的立柱考虑，并对其刚度系数做适当调整。

桩的自由站立强度分析主要包括以下内容:

1)轴向压缩柱状屈曲分析。

对于径厚比D/t≤60(D为桩直径;t为桩壁厚度)的构件，允许轴向压缩应力Fa由下式确定:

当Kl/r＜Cc时:

当Kl/r≥Cc时:

其中，Cc=;E为杨氏弹性模量，MPa;K为有效长度系数;l为无支撑长度，m;r为回转半径，m;Fy为屈服强度，MPa。

2)轴向压缩弯曲分析。

容许弯曲应力Fb应由下式确定:

当D/t≤10 340/Fy时:

当10 340/Fy＜D/t≤20 680/Fy时:

当20 680/Fy＜D/t≤300时:

3)轴向压缩和弯曲的组合屈曲分析。

承受压缩和弯曲联合作用的圆柱形构件，在其全长的各点上，均应满足以下要求:

当Fa≤0.15Fb时，可用下式替代上述两式:

其中，fa为轴向压应力，MPa;fbx，fby分别为x，y向弯曲应力，MPa;为欧拉应力，MPa;Cm为降低系数。

在具体进行分析时，所需考虑的工况主要包括:

a.桩，锤重量+环境荷载+桩倾斜引起的偏心荷载+桩P—Δ效应;

b.桩，锤重量+环境荷载+桩P—Δ效应+相当于2%锤重量的侧向荷载。

3 工程实例

胜利埕岛油田某导管架平台位于水深 11.1 m处，导管架顶标高(+)6.000m。桩通过导管架以7.07∶1的空间斜度打入预定深度。桩采用φ1 500mm开口变壁厚钢管桩，入泥深度 90m。由导管架工作点的位置和入泥深度可以确定每根桩的总长度为108.372m。海上打桩时计划采用IHC S-500打桩锤，分4段桩打入，桩体结构见图 1。

1)基础数据见表 1，表 2。

2)自由站立强度校核结果。

表1 桩几何和力学参数

表2 液压锤性能及主要数据

根据上述分析方法，分别对每段桩进行自由站立强度校核，结果见表 3。

表3 桩计算结果

由表 3中的计算结果可知，每段桩的应力比值都小于 1，因此桩的自由站立强度满足要求。

4 结语

从以上分析计算可以看出，该平台桩满足自由站立强度要求。结合实际工程经验，在进行分析时还应注意以下几点:

1)按照规范要求，在进行桩自由站立强度分析时不能对容许应力进行放大。

2)在进行桩自由站立强度分析时，应同时结合打桩分析。静应力与打桩时动应力的应力组合，应不超过材料的屈服强度。

3)接桩长度除满足力学分析外，还应密切结合施工工艺，以达到最佳效果。

[1] APIRP2A-WSD.Recommended practice for p lanning，designing and constructing fixed off shore platforms-working stress design [S].

[2] 吴 坤，纪宁玲.关于桩基设计的一点看法[J].山西建筑，2010，36(2):126-127.