余建星，吳靜怡，余?楊，徐立新，郝?帥，成司元

局部系泊失效下的TLP平臺魯棒性評估方法研究

余建星1, 2，吳靜怡1, 2，余?楊1, 2，徐立新1, 2，郝?帥1, 2，成司元1, 2

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2. 天津大學(xué)天津市港口與海洋工程重點實驗室，天津 300072)

張力腿平臺在發(fā)生局部系泊失效時可能誘發(fā)連續(xù)失效進(jìn)而導(dǎo)致平臺整體傾覆．為了研究其抗連續(xù)失效的能力，結(jié)合張力腿平臺在局部系泊失效下的響應(yīng)特點和結(jié)構(gòu)特點，對其進(jìn)行魯棒性評估方法研究．通過在水動力分析軟件AQWA中建立張力腿平臺模型，分析張力腿平臺在局部系泊失效下的響應(yīng)特點和結(jié)構(gòu)特點．從結(jié)構(gòu)屬性、結(jié)構(gòu)性能和運動性能3個方面，分別設(shè)置合理的魯棒性定量評估指標(biāo)，并通過熵值法對指標(biāo)賦權(quán)從而建立確定性魯棒性評估指標(biāo)體系，并據(jù)此設(shè)置了合理的魯棒性評估流程．最后運用所提出的魯棒性評估方法進(jìn)行實例計算，對規(guī)則波作用下的兩根不同筋腱失效位置組合的張力腿平臺進(jìn)行魯棒性評估，以驗證本文提出方法的適用性和可行性．結(jié)果表明：同一立柱下兩根筋腱同時失效的魯棒性表現(xiàn)最差，而對角線立柱下的兩根不同筋腱同時失效的魯棒性表現(xiàn)相對最優(yōu)；在迎浪、背浪、邊浪浮箱下的兩根不同筋腱失效的位置組合中，三者的魯棒性表現(xiàn)相近，背浪浮箱下的兩根筋腱表現(xiàn)略差，邊浪浮箱下的兩根筋腱略優(yōu)．

魯棒性評估；張力腿平臺；局部系泊失效；連續(xù)失效；失效位置

張力腿平臺(tension leg platform，TLP)是一種垂直系泊的半順應(yīng)半固定式平臺，尤其適用于深海油氣資源開發(fā)[1]．平臺的張力筋腱在長期工作服役的過程中可能會遭遇超極限設(shè)計海況的極端情況，或由于筋腱腐蝕疲勞老化[2]而導(dǎo)致系泊的局部損壞，由此引發(fā)結(jié)構(gòu)的其他失效反應(yīng)，甚至可能導(dǎo)致平臺整體結(jié)構(gòu)的連續(xù)失效、倒塌、破壞．如何避免結(jié)構(gòu)在突發(fā)事件造成的局部損傷時發(fā)生連續(xù)失效具有十分重大的意義，即涉及到結(jié)構(gòu)的魯棒性．

呂大剛等[3]將魯棒性(robustness)概括為在發(fā)生偶然事件對結(jié)構(gòu)造成局部損傷的條件下，結(jié)構(gòu)體系具有不發(fā)生整體失效后果與局部損傷原因不成比例破壞的一種能力．結(jié)合本文的研究對象，筆者將魯棒性定義為局部系泊失效后平臺具有抵御連續(xù)失效，甚至導(dǎo)致整個平臺傾覆的能力．

迄今為止，TLP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)魯棒性的定量評價研究未見公開發(fā)表的文獻(xiàn)報道或工程經(jīng)驗所涉及．當(dāng)前魯棒性定量評估主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域．基于評價指標(biāo)可分為兩方面：結(jié)構(gòu)屬性和結(jié)構(gòu)性能，其中結(jié)構(gòu)性能又包含確定性和概率性的方法．

在結(jié)構(gòu)屬性方面，基于結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系，Agarwal等[4]建立了“結(jié)構(gòu)脆弱性(structural vulnerability)”理論；基于結(jié)構(gòu)剛度的魯棒性指標(biāo)，Starossek等[5]建議用不同狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)剛度比值來衡量結(jié)構(gòu)魯棒性．

在結(jié)構(gòu)性能確定性研究方面，F(xiàn)rangopol等[6]和Feng等[7]基于結(jié)構(gòu)損傷前后整體承載力的各種變化，先后提出了與結(jié)構(gòu)冗余度相關(guān)的魯棒性測度指標(biāo)；Harte等[8]提出了未損害結(jié)構(gòu)的儲備張力因子和用于描述由于載荷增加造成的破壞演變的系統(tǒng)切線剛度矩陣特征值來衡量結(jié)構(gòu)魯棒性；Bontempi等[9]以吊索橋的吊索失效為例，用初始失效的傳播來衡量復(fù)雜結(jié)構(gòu)的魯棒性；Biondini等[10]提出了基于結(jié)構(gòu)在不同狀態(tài)下的位移的魯棒性測度指標(biāo)；基于結(jié)構(gòu)的能量，方召欣等[11]提出了一種將結(jié)構(gòu)達(dá)到破壞臨界狀態(tài)之前與結(jié)構(gòu)達(dá)到屈服狀態(tài)之前所吸收和耗散的能量之比作為結(jié)構(gòu)魯棒性指標(biāo)的思路，呂大剛等[3]建議將其略作改進(jìn)以體現(xiàn)局部損傷對整體結(jié)構(gòu)魯棒性的影響．

以上對于結(jié)構(gòu)魯棒性的確定性定量評價指標(biāo)多著重于結(jié)構(gòu)的靜力分析，缺乏對結(jié)構(gòu)瞬態(tài)方面的魯棒性評估．針對TLP，Kim等[12]強(qiáng)調(diào)應(yīng)該特別關(guān)注平臺的瞬態(tài)響應(yīng)和斷裂瞬間的筋腱張力．同時，現(xiàn)有的研究中，對于TLP局部系泊失效的魯棒性定量評估指標(biāo)較少，且沒有合理的全面的魯棒性評估體系．

本文對TLP在局部系泊失效下進(jìn)行魯棒性評估，根據(jù)TLP在局部系泊失效前后的變化，提出針對TLP局部系泊失效下的確定性魯棒性評估指標(biāo)．根據(jù)結(jié)構(gòu)屬性、結(jié)構(gòu)性能、運動性能3方面的評估指標(biāo)并通過熵值法賦權(quán)建立了確定性魯棒性評估指標(biāo)體系，同時給出了魯棒性評估流程．最后，基于典型TLP在規(guī)則波作用下發(fā)生局部系泊失效后的結(jié)構(gòu)屬性變化以及運動和張力響應(yīng)變化，驗證了魯棒性評估體系的合理性．

1?研究對象

本研究選取的研究對象是一個典型的四立柱式張力腿平臺“ISSC TLP”[13]，由平臺浮體結(jié)構(gòu)(包含4根垂直立柱和4個水平浮箱)、張力腿筋腱(每根立柱下包含2根筋腱)和海底固定基礎(chǔ)組成．平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體參數(shù)見表1．

圖1?張力腿平臺結(jié)構(gòu)布置

表1?TLP研究對象結(jié)構(gòu)參數(shù)

Tab.1?Structuraldataof the TLP case study

2?理論方法

2.1?三維勢流理論

三維勢流理論是分析波浪中大體積結(jié)構(gòu)最常用的數(shù)值模擬工具，本文基于三維勢流理論對張力腿平臺進(jìn)行水動力分析，并運用面元法進(jìn)行數(shù)值求解．假設(shè)流體為無旋、有勢、無黏性、不可壓縮的理想流體，通常用速度勢函數(shù)來描述流場的速度分布，該速度勢為空間位置及時間的函數(shù)，應(yīng)滿足拉普拉斯方程

另外，該速度勢還需滿足如下的邊界條件．

線性化自由面條件：

水底條件：

物面條件：

采用面元法求解速度勢，即沿著平臺上部浮體結(jié)構(gòu)三維物面離散求解積分方程．

通過壓力在平臺濕表面的積分可求得平臺所受水動力，即

2.2?莫里森方程

在勢流理論中，物體所受黏性力忽略不計．為了模擬平臺浮體所受到的黏性力，在工程設(shè)計中廣泛采用莫里森方程作為三維勢流理論的補(bǔ)充，同時筋腱所受水動力也通過莫里森方程進(jìn)行計算．該理論假定柱體的存在對波浪運動無顯著影響，并認(rèn)為波浪對柱體的作用主要是黏滯效應(yīng)和附加質(zhì)量效應(yīng)．

莫里森對于作用于細(xì)長結(jié)構(gòu)構(gòu)件橫截面的流體力的計算方程為

2.3?筋腱模型

2.4?時域運動方程

浮式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的時域運動方程的卷積積分形?式[14]為

3?數(shù)值模型

基于上述理論在ANSYS? AQWATM中建立如圖2所示的數(shù)值模型，平臺浮體結(jié)構(gòu)由面元模型和莫里森模型模擬，面元模型用于模擬浮體濕表面，其被水線面分割為水上和水下兩部分，圖中紅色直線為所布置的8個莫里森模型，筋腱用tether單元進(jìn)行模擬，8根筋腱布置如圖2所示．

圖2?張力腿平臺浮體-筋腱水動力計算數(shù)值模型

4?魯棒性評估指標(biāo)體系

平臺局部系泊失效后的變化如圖3所示．

圖3?平臺局部系泊失效后的變化

張力腿平臺主要由筋腱提供剛度以保證平臺的在位狀態(tài)，局部系泊失效后，總剛度減少，平臺偏移原來的平衡位置，垂向位移增大，平臺上浮，所受浮力減少，總預(yù)張力增大，剩余各筋腱所受張力變大，應(yīng)力利用率的增長勢必會增大平臺連續(xù)系泊失效的風(fēng)險．

另一方面，平臺局部系泊失效后，筋腱布置不平衡．由于平臺局部系泊失效的瞬態(tài)響應(yīng)，平臺的橫搖-縱搖響應(yīng)增大，改變了各筋腱張力分布，導(dǎo)致各筋腱張力差異變大；此外，張力腿平臺會產(chǎn)生大的水平位移(offset)，導(dǎo)致其在垂向上發(fā)生較大的升沉運動(set down)．

為了探究張力腿平臺在局部系泊失效下抗連續(xù)失效甚至平臺整體傾覆的能力，需要對平臺進(jìn)行魯棒性評估研究．

現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范，如API-RP-2T[15]規(guī)定，筋腱系統(tǒng)的設(shè)計必須滿足可承受單根筋腱斷裂的后果，同時根據(jù)水動力計算數(shù)據(jù)，單根筋腱失效時，在規(guī)則波作用下，如圖4所示，系泊系統(tǒng)的筋腱張力還遠(yuǎn)低于極限張力值83.3MN，故本文暫不考慮單根筋腱失效的情況，而主要對兩根筋腱同時失效的情況進(jìn)行魯棒性評估．當(dāng)兩根筋腱同時失效時，平臺具有很大的危險性，可能誘發(fā)連續(xù)失效．Yu等[16]研究對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩根筋腱失效時間間隔極短時足以忽略瞬態(tài)過程，在時域分析的過程中可以用兩根筋腱的同時失效代替其連續(xù)失效，同時筋腱拖掛與否對平臺運動的影響很小，故本文在計算過程中，用兩根筋腱同時失效來模擬平臺兩根筋腱連續(xù)失效的情況，并假設(shè)筋腱的失效發(fā)生在頂端(頂端筋腱失效)且不考慮筋腱拖掛．

圖4?T1失效時部分剩余筋腱的張力

基于魯棒性的相關(guān)理論和張力腿平臺的結(jié)構(gòu)特點，筆者建立了如圖5所示的TLP局部系泊失效的魯棒性評估指標(biāo)體系．此評估體系針對平臺結(jié)構(gòu)屬性、結(jié)構(gòu)性能、運動性能3個方面進(jìn)行綜合評估．其中，結(jié)構(gòu)屬性方面包括剛度和頻率，結(jié)構(gòu)性能的評價參數(shù)包括儲備張力、張力差異程度、瞬態(tài)張力，而對于平臺的運動性能的評價則分為水平位移、瞬態(tài)角位移和艏搖．

圖5?魯棒性評估指標(biāo)體系

4.1?結(jié)構(gòu)屬性指標(biāo)

結(jié)構(gòu)屬性包括阻尼比、剛度和固有頻率，三者均為結(jié)構(gòu)重要的動力特性．在魯棒性評估中，土木結(jié)構(gòu)的魯棒性多考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫砸约敖Y(jié)構(gòu)構(gòu)件的布置等，主要考慮結(jié)構(gòu)的靜力特性；而張力腿平臺是半順應(yīng)式半剛性結(jié)構(gòu)，各自由度固有頻率差異巨大且在水中具有顯著而優(yōu)越的動力性能，所以需要特別考慮結(jié)構(gòu)的動力特性．若暫存結(jié)構(gòu)在外載荷作用下引起結(jié)構(gòu)共振，TLP將產(chǎn)生與初始損傷不成比例的響應(yīng)，不利于結(jié)構(gòu)的魯棒性．

4.1.1?阻尼比

消耗系統(tǒng)振動的能量并使振動衰減的因素，稱為阻尼力[17]．TLP的阻尼力越大，則能量耗散能力越強(qiáng)，發(fā)生振動后結(jié)構(gòu)能較快恢復(fù)到平衡狀態(tài)．當(dāng)TLP局部系泊失效后，若TLP總阻尼降幅較大，將不足以提供足夠的阻尼力，能量耗散速度變慢，產(chǎn)生瞬態(tài)響應(yīng)后平臺會更慢恢復(fù)平衡位置，增大發(fā)生連續(xù)系泊失效的風(fēng)險．

利用TLP數(shù)值模型完成自由衰減測試，可獲得平臺在靜水中的自由衰減曲線，進(jìn)而計算得到平臺6個自由度的阻尼比，如表2所示．平臺的垂蕩和橫搖/縱搖自由度的阻尼比很小，所以不予考慮．同時，當(dāng)平臺兩根筋腱同時失效后，與完整平臺相比，阻尼比的改變量很小，因此不將結(jié)構(gòu)的阻尼比作為評估指標(biāo).

表2?各自由度筋腱失效時平臺的阻尼比

Tab.2 Damping ratios of all DOFs of the TLP under ten-don damage

4.1.2?剛?度

張力腿平臺為半順應(yīng)式半剛性結(jié)構(gòu)，主要由筋腱提供剛度，以保證平臺的在位狀態(tài)．當(dāng)局部系泊失效后，由于筋腱數(shù)量減小，平臺各個自由度的剛度將發(fā)生不同程度的減?。貏e地，如表3所示，運動為順應(yīng)式的橫蕩/縱蕩、艏搖自由度的剛度改變量很小，而運動近似于剛性的垂蕩、橫搖/縱搖自由度的剛度影響較大．若這3個自由度的剛度降幅較大，則可能不足以保證平臺處于穩(wěn)定在位狀態(tài)，平臺將無法保證安全性，會引起筋腱連續(xù)失效．

表3?不同筋腱失效下各自由度剛度改變量

Tab.3 Changes of the stiffness of the TLP under tendon damage ??%

基于此，筆者提出了TLP剛度魯棒性測度指標(biāo)，將其定義為平臺局部系泊失效后的部分自由度剛度與失效前的剛度的比值，即

4.1.3?頻?率

典型張力腿平臺的垂蕩、橫搖、縱搖與縱蕩、橫蕩、艏搖的固有周期往往跨越在海浪譜的兩端，從而避免了TLP在譜峰區(qū)間因海浪作用而引起結(jié)構(gòu)共振，使平臺結(jié)構(gòu)受力合理，動力性能良好．TLP局部系泊失效后，其各自由度固有頻率均有不同程度的降低，如表4所示．其中，橫蕩、縱蕩和艏搖3個自由度在局部系泊失效后固有頻率變化很小，仍遠(yuǎn)離波浪頻率．然而，橫搖、縱搖和垂蕩自由度的固有頻率則有較大幅度的下降，與完好平臺相比，固有頻率將更加接近譜峰頻率，結(jié)構(gòu)在波浪作用下更有可能會發(fā)生共振，特別是高次諧波振動，引起筋腱的連續(xù)失效，即影響TLP的魯棒性．同時，API-RP-2T[15]中也提到應(yīng)該特別關(guān)注系泊系統(tǒng)的某些動力特性，例如筋腱由于平臺垂蕩和橫搖、縱搖自由度共振而引起的軸向力．

基于此，筆者提出了基于垂蕩、橫搖、縱搖3個自由度進(jìn)行計算的頻率指標(biāo)來評價TLP局部系泊失效后的魯棒性，定義為

另外，當(dāng)不僅僅考慮規(guī)則波作用，而考慮風(fēng)、浪、流等2階載荷同時作用時，應(yīng)關(guān)注垂蕩、橫搖、縱搖與高頻載荷的共振問題及橫蕩、縱蕩、艏搖與低頻載荷的共振問題．

4.2?結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)

4.2.1?儲備張力

平臺結(jié)構(gòu)冗余度越低，則其越關(guān)鍵，在局部系泊失效后越可能引起與初始損傷不符的失效破壞．當(dāng)筋腱局部系泊失效后，多余的浮力和彎矩將在剩余筋腱中進(jìn)行重分配，當(dāng)筋腱的儲備張力不足時，可能會發(fā)生連續(xù)的筋腱失效，引起平臺的連續(xù)失效，故需要對平臺的儲備張力進(jìn)行魯棒性評估．

基于筋腱張力的冗余度，筆者提出“儲備張力指標(biāo)”，定義為局部系泊失效后剩余筋腱的儲備張力與設(shè)計筋腱儲備張力的比值，即

表4?不同筋腱失效下各自由度的1階固有頻率

Tab.4?First-ordernaturalfrequency of the TLP under different types of tendon damage

4.2.2?張力差異程度

筋腱完好時，張力分布是平衡的，各筋腱的儲備張力相近，而當(dāng)局部系泊失效后，剩余筋腱的受力發(fā)生變化，在不同的失效模式下，即使平臺剩余筋腱的儲備張力值相近，由于儲備張力差異的不同，可能會有部分張力筋腱的儲備張力遠(yuǎn)離平均值而使得部分張力筋腱易發(fā)生連續(xù)失效破壞．

如圖6所示，以波高2m、0°浪向、周期為15s的規(guī)則波作用下，T1、T2筋腱同時失效后的筋腱張力變化為例，T3、T4、T7、T8筋腱的張力變大，而失效筋腱對應(yīng)立柱的對角線立柱下的T5、T6筋腱的張力卻急劇變小．T5與T6筋腱張力相近，T4與T7筋腱張力相近，T3與T8筋腱張力相近．

圖6?局部系泊失效下剩余筋腱張力響應(yīng)

4.2.3?瞬態(tài)張力

如圖7所示，以波高2m、0°浪向、周期為15s的規(guī)則波作用下，T1、T2筋腱失效后的T4筋腱張力變化為例，在筋腱局部系泊失效時，筋腱的瞬態(tài)張力會突然增大，很可能瞬間超過筋腱所能承受的最大張力，所以需要特別關(guān)注．

圖7?T1&T2失效下T4筋腱張力

4.3?運動性能指標(biāo)

平臺的運動性能主要考慮平臺6個自由度的運動響應(yīng)．

4.3.1?線位移

1)水平位移

在規(guī)范API-RP-2T[15]中，規(guī)定TLP最大運動振幅不超過最大水深的10%，以確保平臺的鉆井管可以通過隔水管．平臺的水平位移也會加劇升沉運動，甲板上浪將更加嚴(yán)重．此外，筋腱的角度也與水平位移密切相關(guān)，當(dāng)筋腱角度過大時，可能超過其所能承受的彎曲應(yīng)力和筋腱頂端柔性裝置(upper flex joint)的承載范圍，從而引起筋腱的連續(xù)失效破壞．故筆者對平臺的水平位移進(jìn)行評估，將其作為張力腿平臺局部系泊失效的魯棒性測度指標(biāo)之一．提出的水平位移的魯棒性測度指標(biāo)定義為張力腿平臺局部系泊失效前后的水平位移比，即

由于平臺的水平運動在局部系泊失效時未見明顯的瞬態(tài)響應(yīng)[18]，故僅評估平臺在局部系泊失效后達(dá)到穩(wěn)態(tài)的水平位移．

2)垂向位移

局部系泊失效后，平臺的垂向位移增大的主要原因如下：一是由于斷纜引起的剛度減少，筋腱伸長以提供足夠的張力，而引起平臺上浮，對于垂向剛度的評估已在結(jié)構(gòu)屬性中進(jìn)行評估；二是由于平臺的水平運動而引起的升沉運動，本文已對平臺的水平位移進(jìn)行了評估，故不對垂向位移進(jìn)行重復(fù)評估．

4.3.2?角位移

1)橫搖/縱搖

當(dāng)系泊完整時，筋腱的對稱布置保證了平臺主體垂直而不發(fā)生傾斜，當(dāng)局部系泊失效后，由于筋腱布置的不平衡，平臺發(fā)生傾斜，加劇平臺的橫搖/縱搖運動，導(dǎo)致一側(cè)筋腱受力的增加，而另一側(cè)筋腱受力減小[19]，引起受力的不平衡，如果彎矩過大，將不利于平臺保持穩(wěn)定，可能引起連續(xù)系泊失效．同時，當(dāng)橫搖、縱搖過大時，也不利于平臺正常作業(yè)，影響立管、立柱等的在位狀態(tài)，甚至當(dāng)平臺橫搖、縱搖角度過大時，可能導(dǎo)致平臺浮體的整體傾覆，所以應(yīng)予以關(guān)注.

圖8?局部系泊失效下張力腿平臺角位移A

2)艏?搖

平臺的艏搖自由度雖然為順應(yīng)式自由度，但張力腿平臺的艏搖與立管的旋轉(zhuǎn)有極大聯(lián)系，當(dāng)平臺艏搖過大時，立管也會隨之產(chǎn)生過大的扭轉(zhuǎn)運動，可能會引起立管的破壞，影響TLP的整體穩(wěn)性，增加筋腱發(fā)生連續(xù)失效的風(fēng)險．根據(jù)API-RP-2T[15]可知，加劇平臺艏搖的環(huán)境載荷包括風(fēng)向、重心位置偏離平臺中心等，且多向波浪也比單一浪向的波浪更容易引起艏搖．如圖10所示，本TLP在局部系泊失效后的艏搖最大值不到0.1°，故當(dāng)僅僅考慮規(guī)則波作用下的張力腿平臺局部系泊失效時可不考慮平臺的艏搖運動，但當(dāng)平臺處于復(fù)雜海況下，艏搖運動將可能有較明顯的變化．

圖9?局部系泊失效下的角位移A的響應(yīng)

圖10?T1&T2失效下平臺的艏搖響應(yīng)

筆者對平臺的艏搖運動進(jìn)行評估，將其作為魯棒性的測度指標(biāo)之一，即

4.4?指標(biāo)賦權(quán)

評價指標(biāo)的權(quán)重表示各個指標(biāo)對于評估結(jié)果貢獻(xiàn)的相對重要性，科學(xué)合理地確定指標(biāo)權(quán)重，才能保證評估結(jié)果的科學(xué)性和合理性．目前確定指標(biāo)權(quán)重的方法大致可分為3種：主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法與綜合賦權(quán)法．

熵值法是指標(biāo)客觀賦權(quán)的一種常見的方法，它的基本原理是通過信息熵確定指標(biāo)的權(quán)重．熵是信息論中測定一個系統(tǒng)不確定性的量，信息量越大，不確定性越小，熵也越??；反之，信息量越小，熵則越大．這種確定指標(biāo)權(quán)重的方法相對主觀賦值法來說，精度較高，客觀性也更強(qiáng)，能夠更客觀地根據(jù)實際得到各工況的魯棒性評價指標(biāo)的權(quán)重．若某個指標(biāo)的熵值越小，表明其指標(biāo)值的變異越大，在綜合評價中信息量越大，所起的作用越大，其權(quán)重也應(yīng)越大．運用熵值法確定指標(biāo)權(quán)重的步驟如下．

(1)對原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行歸一化：

(2)計算第個指標(biāo)的熵值：

4.5?評估流程

在上述指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，結(jié)合熵值法對指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)，得到張力腿平臺局部系泊失效后的魯棒性評估結(jié)果，如圖11所示．

圖11?魯棒性評估流程

(1)通過數(shù)值模擬得到張力腿平臺局部系泊失效前后的水動力計算數(shù)據(jù)；

(3)計算指標(biāo)體系中各指標(biāo)的數(shù)值；

(4)運用熵值法計算底層指標(biāo)權(quán)重，對指標(biāo)體系中的指標(biāo)賦權(quán)；

(5)得到評估結(jié)果．

5?算?例

以規(guī)則波作用下的局部系泊失效的張力腿平臺的魯棒性評估為實例，運用上述評估方法對局部系泊失效下的張力腿平臺進(jìn)行魯棒性評估，驗證該評估方法的合理性和通用性．

選取了不同筋腱失效組合的情況對張力腿平臺進(jìn)行魯棒性評估，失效組合如表5和圖12所示．

另外，在本評估中，暫不考慮筋腱老化、腐蝕疲勞等對筋腱承載能力的影響，僅考慮筋腱由于突發(fā)載荷而引起的局部系泊失效，即筋腱張力的極限承載力不發(fā)生改變，筋腱極限張力為83.3MN ．

表5?筋腱失效位置組合

Tab.5?Classification of tendon damage positions

圖12?0°浪向下筋腱失效位置示意

5.1?確定指標(biāo)權(quán)重

選取多種不同波幅和頻率的規(guī)則波作用下的海況進(jìn)行計算，隨著工況數(shù)的增加，各類別的指標(biāo)權(quán)重如圖13所示，逐漸趨于穩(wěn)定值．故將魯棒性評估指標(biāo)體系的各指標(biāo)權(quán)重確定并標(biāo)示于圖14．由于本算例僅考慮0°浪向規(guī)則波作用下張力腿平臺局部系泊失效下的魯棒性評估，故不考慮平臺的艏搖運動．

圖14?魯棒性評估指標(biāo)體系及指標(biāo)權(quán)重

5.2?魯棒性評估結(jié)果及分析

對浪向0°、波幅15m、波頻15s的規(guī)則波作用下，局部系泊失效的張力腿平臺的不同失效筋腱組合進(jìn)行魯棒性評估．

(1)計算得到各失效情況的水動力數(shù)據(jù)．

(2)生存性檢驗．

如圖15所示，T1和T2筋腱同時失效時，由于平臺的橫搖-縱搖角位移的增大，其對角線立柱下的T5、T6筋腱的張力急劇減小，轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Γ铍彀l(fā)生整體屈曲，故判定該工況下平臺失效．

圖15?T1&T2筋腱失效后部分剩余筋腱張力

(3)計算魯棒性評估指標(biāo)值，如表6所示．

(4)得出魯棒性評估結(jié)果，如表7所示．

在筋腱T1和T2同時失效時，引起對角線立柱上的T5和T6筋腱發(fā)生整體屈曲，其魯棒性表現(xiàn)是最差的．

筋腱T1和T6同時失效的情況下，TLP魯棒性表現(xiàn)是相對最優(yōu)的，在這種失效模式下，平臺關(guān)于對角線對稱，平臺受力和響應(yīng)是對稱的，筋腱較不容易發(fā)生連續(xù)失效，所以此時平臺的魯棒性表現(xiàn)較好．

表6?魯棒性評估指標(biāo)值

Tab.6?Values of the robustness evaluation index

表7?魯棒性評估結(jié)果

Tab.7?Results of robustness evaluation

對比平臺同一浮箱下的兩根筋腱失效的3種情況(迎浪浮箱、背浪浮箱和邊浪浮箱)發(fā)現(xiàn)，三者的魯棒性評估結(jié)果接近，背浪浮箱的兩根筋腱失效的魯棒性表現(xiàn)較其余兩者略差，而邊浪浮箱的魯棒性表現(xiàn)略優(yōu)于其余兩者．

6?結(jié)?論

針對局部系泊失效下的傳統(tǒng)張力腿平臺，結(jié)合對其局部系泊失效下的響應(yīng)特點和結(jié)構(gòu)特點的分析，進(jìn)行魯棒性評估方法研究，提出合理的魯棒性評估指標(biāo)，包括結(jié)構(gòu)屬性、結(jié)構(gòu)性能和運動性能3個方面，建立確定性魯棒性評估指標(biāo)體系及評估流程．主要結(jié)論如下．

(1)結(jié)構(gòu)屬性評估方面，平臺平面外自由度的阻尼比很小，同時，斷纜后平面內(nèi)自由度阻尼比的改變量很小，在評估時均可不予以考慮；在平臺的剛度方面，考慮改變量較大的垂蕩和橫搖/縱搖3個自由度的剛度，可忽略改變量較小的其余3個自由度；對平臺的1階固有頻率的評估需考慮平臺發(fā)生共振和高次諧波振動的可能性．

(2)運動性能評估方面，主要考慮平臺的水平位移、橫搖/縱搖自由度的響應(yīng)，次要考慮平臺的艏搖自由度的響應(yīng)，而在規(guī)則波作用下平臺的艏搖較小，可以忽略；在此，不重復(fù)考慮平臺升沉運動的影響．

(3)對于規(guī)則波作用下，張力腿平臺兩根筋腱同時失效的不同失效模式的研究可以發(fā)現(xiàn)，在對角線立柱下的筋腱T1和T6同時失效的情況的魯棒性表現(xiàn)是最優(yōu)的，而同一立柱下的筋腱T1和T2同時失效的情況則是最危險的，應(yīng)該特別注意．特別地，本文所舉的算例僅限于規(guī)則波作用下TLP局部系泊失效的確定性魯棒性評估，未來有必要進(jìn)一步研究在不規(guī)則波浪、隨機(jī)波浪或者風(fēng)浪流聯(lián)合作用下的考慮不確定性的魯棒性評估．

本文所提出的魯棒性評估方法可以為今后的其他張力腿平臺的魯棒性評估，甚至是其他的海洋浮式平臺的魯棒性評估提供參考．

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Approaches for Robustness Evaluation of TLP Under Tendon Damage

Yu Jianxing1, 2，Wu Jingyi1, 2，Yu Yang1, 2，Xu Lixin1, 2，Hao Shuai1, 2，Cheng Siyuan1, 2

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory of Port and Ocean Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

A tension leg platform (TLP) is prone to progressively capsize under tendon damage. To evaluate the structural capability to resist progressive failure, that is, robustness, approaches for robustness evaluation of the TLP under tendon damage, as well as the response and structural performance of the TLP, were investigated. The response and structural performance of TLP under tendon damage is analyzed through the model built in the hydrodynamic calculation software AQWA. Quantitative robustness evaluation indices are proposed based on three categories, namely, structural attribute, structural behavior, and motion performance. A system of deterministic robustness index is established using the entropy method to weigh each index. In addition, a reasonable robustness evaluation process is set up according to the system proposed. The robustness of the TLP under different tendon damage positions in regular wave is also evaluated to verify the usability and reliability of the approaches proposed. Results show that damaged tendons under one column are worst, damaged tendons under diagonal columns are relatively optimal, and damaged tendons under one pontoon are similar. Meanwhile, the down-wave pontoon is slightly worse and the side-wave pontoon is slightly better.

robustness evaluation；tension leg platform；tendon damage；progressive failure；tendon damage position

P751

A

0493-2137(2020)07-0713-12

10.11784/tdxbz201908044

2019-08-22；

2019-09-11.

余建星（1958—??），男，博士，教授，yjx2000@tju.edu.cn.

余?楊，yang.yu@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(51609169)；國家重點研發(fā)計劃資助項目(2018YFC0310502)；廣西科技重大專項資助項目(桂科AA17292007).

Supported by the Young Scientists Fund of theNational Natural Science Foundation of China(No. 51609169)，the National Key R&D Program of China(No.2018YFC0310502)，Guangxi Science and Technology Major Project(No.Guike AA17292007).

(責(zé)任編輯：金順愛)