叢軍 王振法

摘要：闡述了平臺(tái)結(jié)構(gòu)倒塌分析的原理及評(píng)定結(jié)構(gòu)安全性能的指標(biāo)，并以勝利油田中心一號(hào)動(dòng)力平臺(tái)為例，用SACS軟件對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)倒塌的全過程分析。通過分析對(duì)平臺(tái)儲(chǔ)備強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)結(jié)構(gòu)如何增強(qiáng)儲(chǔ)備強(qiáng)度提出建議。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)管架平臺(tái)；推倒分析；儲(chǔ)備強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU473.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

1.引言

隨著海上油氣開發(fā)的不斷發(fā)展，越來越多的海洋平臺(tái)被投入建造和使用，我國海上油氣分布以近海為主，導(dǎo)管架式平臺(tái)由于其結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低和安全可靠等特點(diǎn)是近海油氣開發(fā)主要的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式。到目前為止，我國共建成各類導(dǎo)管架式固定平臺(tái)百余座。這些固定式平臺(tái)設(shè)計(jì)壽命一般是15到20年。該類平臺(tái)作為大型超靜定鋼結(jié)構(gòu)，按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般都具有一定的強(qiáng)度冗余。隨著全球氣候變暖，極端環(huán)境出現(xiàn)的越來越頻繁，有些臺(tái)風(fēng)風(fēng)力甚至超過平臺(tái)設(shè)計(jì)所能承受的最大風(fēng)力，此時(shí)為了評(píng)估平臺(tái)在極端環(huán)境下的安全可靠性，必須評(píng)估平臺(tái)的極限強(qiáng)度，倒塌分析的目的就是為了求得平臺(tái)的極限強(qiáng)度，因而對(duì)平臺(tái)進(jìn)行倒塌分析具有重要的工程意義。

目前船舶與海洋工程極限強(qiáng)度的計(jì)算方法主要有三種：直接計(jì)算法，逐步破壞分析法和數(shù)值計(jì)算方法。本文所采用的方法是數(shù)值計(jì)算法。數(shù)值計(jì)算法又稱有限元法，是使用計(jì)算機(jī)有限元程序模擬整個(gè)結(jié)構(gòu)單元再進(jìn)行離散化分析計(jì)算，計(jì)算過程中可包含幾何和材料非線性因素，求出平臺(tái)極限強(qiáng)度的方法。

目前極限強(qiáng)度分析多針對(duì)船舶，針對(duì)導(dǎo)管架極限強(qiáng)度的研究并不是很多。本文應(yīng)用SACS有限元軟件中collapse模塊進(jìn)行倒塌計(jì)算。針對(duì)勝利油田中心一號(hào)動(dòng)力平臺(tái)，首先建立服役初期無缺損模型（設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)）。之后根據(jù)現(xiàn)場檢測報(bào)告，考慮腐蝕，沖刷，海生物、及平臺(tái)結(jié)構(gòu)的損傷情況建立現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)模型，并且根據(jù)檢驗(yàn)報(bào)告及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，通過預(yù)估未來五年之后的結(jié)構(gòu)損傷程度（包括估計(jì)結(jié)構(gòu)每年的腐蝕、沖刷、及海生物生長等）模擬五年之后導(dǎo)管架平臺(tái)的有限元模型（超期服役結(jié)構(gòu)）。以逐級(jí)增加環(huán)境載荷的方法，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行非線性分析，進(jìn)而得出平臺(tái)的強(qiáng)度儲(chǔ)備比（Reserve Strength Ratio即RSR）[1-3]。

2.計(jì)算原理

倒塌分析的理論基礎(chǔ)是大變形和塑性理論。當(dāng)載荷逐步增加時(shí)，可以計(jì)算得到每個(gè)載荷步的節(jié)點(diǎn)變形、單元應(yīng)力和剛度矩陣。當(dāng)某一桿件的應(yīng)力值達(dá)到其屈服強(qiáng)度時(shí)。就會(huì)產(chǎn)生塑性變形、結(jié)構(gòu)整體剛度減??；當(dāng)載荷繼續(xù)增加時(shí)，增加的載荷將被傳遞到相鄰的桿件上去。隨著載荷的進(jìn)一步增加，會(huì)有越來越多的桿件發(fā)生塑性變形，直到結(jié)構(gòu)整體倒塌[4]。

倒塌分析包括三個(gè)迭代過程：首先，對(duì)于任何一個(gè)載荷步，根據(jù)桿件截面特性，可以計(jì)算得到梁一柱模型的解：然后進(jìn)行整體剛度迭代計(jì)算，考慮了節(jié)點(diǎn)彈性，塑性以及失效等情況的影響，基礎(chǔ)的剛度迭代計(jì)算則需考慮樁—土共同作用非線性影響。完成一次迭代求解后，將結(jié)構(gòu)變形與上一次的迭代結(jié)果進(jìn)行比較。如果計(jì)算結(jié)果不收斂，用梁受到內(nèi)外部載荷作用產(chǎn)生的位移來重新計(jì)算單元的剛度陣。重復(fù)上述過程，直到計(jì)算結(jié)果收斂。計(jì)算時(shí)須考慮樁一土共同作用非線性影響[5-6]。

對(duì)于像海洋平臺(tái)這樣的大型結(jié)構(gòu)，倒塌分析將需要很長的計(jì)算時(shí)間，因?yàn)橛?jì)算時(shí)，軟件每根桿件會(huì)默認(rèn)分成8個(gè)單元，最大可分為20個(gè)單元，這樣可以通過考慮每個(gè)內(nèi)部單元端部的位移和旋轉(zhuǎn)角度來模擬桿件內(nèi)部的大位移非線性影響，如下圖1所示：

圖1 桿件內(nèi)部單元非線性特征模擬

對(duì)圓管，每個(gè)單元還會(huì)沿周長（截面）被進(jìn)一步分成12等份，對(duì)于型鋼，如工字鋼，劃分為7份，具體如下圖2所示。

圖2 倒塌分析中梁截面的劃分

海洋結(jié)構(gòu)體系的儲(chǔ)備強(qiáng)度由其儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)來表征，而儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)定義為結(jié)構(gòu)倒塌時(shí)荷載與設(shè)計(jì)荷載之比，即儲(chǔ)備強(qiáng)度比。儲(chǔ)備強(qiáng)度給出了超過設(shè)計(jì)荷載時(shí)結(jié)構(gòu)的承受能力。它同單個(gè)構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)保守程度有關(guān)，但最終取決于結(jié)構(gòu)中各桿件和節(jié)點(diǎn)的性能以及它們的組合情況。儲(chǔ)備強(qiáng)度主要來源于結(jié)構(gòu)冗余度、規(guī)范安全系數(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的多階段控制、以及腐蝕容差。

到目前為止，海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一直是以單個(gè)構(gòu)件為對(duì)象進(jìn)行的。通常認(rèn)為，當(dāng)結(jié)構(gòu)中所有構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)都滿足規(guī)范要求時(shí)結(jié)構(gòu)是安全的，否則結(jié)構(gòu)是不安全的。但實(shí)際上，通常的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)都有很大的冗余度。當(dāng)結(jié)構(gòu)上的一個(gè)構(gòu)件或節(jié)點(diǎn)失效后，如果結(jié)構(gòu)仍具有冗余度，結(jié)構(gòu)仍可能具有相當(dāng)?shù)膬?chǔ)備強(qiáng)度。儲(chǔ)備強(qiáng)度比（RSR）可按下式計(jì)算：

（1）

式中Fu為極限荷載下的基底剪力或傾覆力矩，F(xiàn)d為平臺(tái)設(shè)計(jì)荷載。該系數(shù)反映了在役平臺(tái)結(jié)構(gòu)在當(dāng)前有損狀態(tài)的剩余儲(chǔ)備強(qiáng)度。當(dāng)其大于1時(shí)，當(dāng)前有損狀態(tài)的結(jié)構(gòu)遭遇原設(shè)計(jì)荷載時(shí)不會(huì)倒塌。通常要求該比值大于1.6。

3.有限元計(jì)算模型

埕島中心一號(hào)動(dòng)力平臺(tái)是一座六腿式導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)平臺(tái)，共分二層。導(dǎo)管架頂標(biāo)高為+3.90m，底標(biāo)高為-10.50m，高14.40m在標(biāo)高+3.00m，-2.50m和-9.00m之間設(shè)豎向斜撐。四角主導(dǎo)管雙向斜度7.071：1，中間主導(dǎo)管單向斜度為10：1。主導(dǎo)管在水平周邊撐相接的管結(jié)點(diǎn)處采用E32級(jí)鋼，其余部位采用D級(jí)鋼。如圖1所示：

圖3 中心一號(hào)動(dòng)力平臺(tái)SACS有限元模型

4.載荷計(jì)算

4.1 結(jié)構(gòu)功能性荷載

結(jié)構(gòu)功能性荷載為平臺(tái)自身結(jié)構(gòu)，設(shè)備，生產(chǎn)設(shè)施，作業(yè)等原因產(chǎn)生的荷載。結(jié)構(gòu)重量及所受到浮力，由計(jì)算程序自動(dòng)生成，其中包括海生物重量及受到的浮力。甲板活荷載分為最大活荷載和最小活荷載，活荷載參考《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》，活載荷數(shù)值按下表進(jìn)行施加：

設(shè)備自重及位置根據(jù)工藝總體布置提供的設(shè)備布置圖以及現(xiàn)場調(diào)研測量數(shù)據(jù)確定，包括設(shè)備以及設(shè)備支撐的重量。棧橋荷載根據(jù)棧橋的設(shè)計(jì)重量加上棧橋上管線的重量，以member載荷的形式施加到平臺(tái)上。

4.2 環(huán)境荷載

此次分析按照API RP 2A推薦做法，考慮8個(gè)極端環(huán)境荷載作用方向：0o、45o、90o、135o、180o、225o、270o、315o進(jìn)行校核，極端環(huán)境荷載參數(shù)按照API RP2A-WSD有關(guān)原則進(jìn)行選取。環(huán)境載荷選取的基本原則為：極端環(huán)境荷載條件選取50年重現(xiàn)期海洋環(huán)境條件；風(fēng)、波浪、海流、海冰環(huán)境載荷計(jì)算方法如下所述：

作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載采用API RP 2A 中2.3.2c節(jié)中的風(fēng)力計(jì)算公式：

（2）

式中： —風(fēng)力； —風(fēng)速； —空氣質(zhì)量密度； —形狀系數(shù)； —結(jié)構(gòu)物迎風(fēng)面積；

極端風(fēng)暴工況采用50年重現(xiàn)期的一分鐘平均風(fēng)速；對(duì)甲板以上構(gòu)件，主要考慮設(shè)備房、分離器等設(shè)備所受的風(fēng)載荷，將其受風(fēng)面積產(chǎn)生的風(fēng)力作用到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)上；對(duì)已輸入模型的構(gòu)件風(fēng)載荷計(jì)算，則由程序自動(dòng)按照構(gòu)件截面形狀和位置，確定其高度系數(shù)和形狀系數(shù)并形成風(fēng)載荷直接作用于構(gòu)件上。

單位長度上的波浪荷載按Morison公式計(jì)算：

（3）

式中： —海水密度，kg/m3；CD —拖曳力系數(shù)；CM —慣性力系數(shù)；D —圓形桿件直徑，m；U —垂直于桿件軸線的水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于桿件的速度分量，m/s； —垂直于桿件軸線的水質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于桿件的加速度分量，m/s2； —波浪力，N。

圓柱單位長度上的流荷載 由下式計(jì)算：

式中： —拖曳力系數(shù)； —單位長度圓柱垂直于流的投影面積，m2/m； —設(shè)計(jì)海流流速，m/s； —流荷載，N。

4.3 土壤參數(shù)

本文土壤計(jì)算參照《ZX1#工程地質(zhì)勘察報(bào)告》。山東海盛海洋工程集團(tuán)有限公司工程公司2013年08月，進(jìn)行編制。

5.計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行推倒分析，對(duì)平臺(tái)先施加結(jié)構(gòu)自重和設(shè)備荷載等基本載荷，然后施加極端環(huán)境荷載，逐漸放大環(huán)境荷載系數(shù)直至平臺(tái)被推倒，此時(shí)的極端環(huán)境荷載系數(shù)即是平臺(tái)的儲(chǔ)備強(qiáng)度比。8個(gè)方向的儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)如下表所示：

表1 儲(chǔ)備強(qiáng)度比計(jì)算結(jié)果

極端環(huán)境荷載作用方向 儲(chǔ)備強(qiáng)度比 受損桿件部位

0o 3.79 +6.5水平層，導(dǎo)管架與上部組塊連接處

45o 5.50 +6.5水平層，導(dǎo)管架與上部組塊連接處

90o 4.69 +6.5水平層，導(dǎo)管架與上部組塊連接處

135o 4.24 +6.5水平層，導(dǎo)管架與上部組塊連接處

180o 4.15 +6.5水平層，導(dǎo)管架與上部組塊連接處

225o 4.24 +6.5水平層，導(dǎo)管架與上部組塊連接處

270o 4.51 +6.5水平層，導(dǎo)管架與上部組塊連接處

315o 4.96 +6.5水平層，導(dǎo)管架與上部組塊連接處

由計(jì)算結(jié)果可知，極端環(huán)境荷載作用方向?yàn)?o時(shí)，儲(chǔ)備強(qiáng)度比最小，為3.79。說明平臺(tái)在遭遇極端設(shè)計(jì)工況下極端環(huán)境荷載后，仍有2.79倍的極端環(huán)境荷載儲(chǔ)備強(qiáng)度。儲(chǔ)備強(qiáng)度較大，滿足規(guī)范要求。

另外由結(jié)果可以看出，平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較薄弱的地方位于+6.5米水平層導(dǎo)管架與上部組塊連接處，若想進(jìn)一步增加結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)備強(qiáng)度比可對(duì)此處構(gòu)件做相應(yīng)加強(qiáng)。

環(huán)境荷載為0o時(shí)，平臺(tái)推倒破壞效果圖如下圖所示：

圖4 0o極端環(huán)境荷載平臺(tái)倒塌變形（儲(chǔ)備強(qiáng)度比3.79）

6.結(jié)論

本文針對(duì)中心一號(hào)動(dòng)力平臺(tái)，考慮樁-土相互作用，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行倒塌分析得到如下結(jié)論：

1. 極端環(huán)境荷載作用方向?yàn)?o時(shí)，儲(chǔ)備強(qiáng)度比最小，為3.79，儲(chǔ)備強(qiáng)度較大，滿足規(guī)范要求。

2.計(jì)算結(jié)果顯示，平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較薄弱的地方位于+6.5米水平層導(dǎo)管架與上部組塊連接處，分析原因如下：平臺(tái)上部模塊面積較大，荷載中不乏配電間，中控室之類受風(fēng)面積較大的重量單元，在極端環(huán)境荷載作用下產(chǎn)生較大風(fēng)力。因此作用在上部組塊的橫向荷載較大使得導(dǎo)管架與上部組塊連接處構(gòu)件承受較大彎矩。若想進(jìn)一步增加結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)備強(qiáng)度比可對(duì)此處構(gòu)件做相應(yīng)加強(qiáng)。

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