陳邦敏 王忠暢 張 暉 趙 闊 文志飛 王 娟

(1. 中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028； 2. 海洋石油工程股份有限公司 天津 300451; 3. 海洋石油工程(青島)有限公司 山東青島 266555)

桁架式結(jié)構(gòu)主要是指由桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成的結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是桿件主要承受拉力或壓力，可以充分發(fā)揮材料的作用，節(jié)約材料，減輕結(jié)構(gòu)重量，尤其是在結(jié)構(gòu)跨度較大時(shí)，節(jié)省材料、減輕自重和增大剛度的優(yōu)點(diǎn)更為明顯。由于桁架式結(jié)構(gòu)的這些優(yōu)點(diǎn)，其被廣泛應(yīng)用于陸上大型建筑，近幾十年來(lái)隨著海洋工程的發(fā)展，固定式海洋工程結(jié)構(gòu)物(如石油平臺(tái)，碼頭棧橋等)也開(kāi)始大量采用桁架式結(jié)構(gòu)[1]。

在海洋石油開(kāi)發(fā)工程中，由于板殼結(jié)構(gòu)與船體結(jié)構(gòu)類似且剛度較大，具有較大儲(chǔ)備浮力，因此，浮式平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)多采用板殼結(jié)構(gòu)的形式，但因?yàn)殍旒苁浇Y(jié)構(gòu)重量更小的優(yōu)點(diǎn)，目前部分浮式平臺(tái)組塊也開(kāi)始采用桁架式結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。陵水17-2氣田半潛式平臺(tái)——“深海一號(hào)”能源站是中國(guó)首個(gè)深水半潛式生產(chǎn)儲(chǔ)油平臺(tái)，作業(yè)水深約1 422 m，組塊操作質(zhì)量約24 250 t，主結(jié)構(gòu)尺度為91.5 m×49.5 m。該平臺(tái)所在的南海海域環(huán)境條件惡劣，百年一遇波浪波高極值達(dá)21.7 m，千年一遇極值達(dá)27.3 m，且南海臺(tái)風(fēng)頻繁，對(duì)平臺(tái)的極限強(qiáng)度是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。此外，浮式平臺(tái)在海洋環(huán)境中隨著波浪的運(yùn)動(dòng)，組塊結(jié)構(gòu)受到的循環(huán)載荷比固定式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的更突出，導(dǎo)致的疲勞問(wèn)題也更為明顯，許多浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)在特檢時(shí)均發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋的存在。因此，對(duì)于在南海區(qū)域長(zhǎng)期服役的浮式平臺(tái)，其結(jié)構(gòu)疲勞是平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)的考慮要點(diǎn)。由于浮式平臺(tái)對(duì)重量控制的敏感性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能通過(guò)大幅增加鋼材量的方法解決疲勞設(shè)計(jì)的問(wèn)題。鑒于桁架式結(jié)構(gòu)能使材料應(yīng)用更充分，且采用桁架式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更易獲得開(kāi)闊的甲板空間，緊急情況下利于油氣的擴(kuò)散，因此，“深海一號(hào)”能源站組塊采用桁架式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該平臺(tái)是世界上迄今為止桁架跨距最大的半潛式平臺(tái)。

本文基于“深海一號(hào)”能源站組塊設(shè)計(jì)與固定式平臺(tái)組塊設(shè)計(jì)的差異以及該平臺(tái)組塊大跨距的特點(diǎn)，對(duì)該平臺(tái)的組塊結(jié)構(gòu)選材、布局規(guī)劃進(jìn)行了深入研究，并開(kāi)展了平臺(tái)的疲勞計(jì)算分析，給出了平臺(tái)疲勞關(guān)鍵區(qū)域建造的注意事項(xiàng)，為“深海一號(hào)”能源站及類似平臺(tái)組塊設(shè)計(jì)及建造提供了參考。

1 與固定式平臺(tái)組塊設(shè)計(jì)的差異對(duì)比

固定式平臺(tái)由于導(dǎo)管架是一個(gè)完整的整體，可以獨(dú)立承受環(huán)境載荷，其組塊僅承受重力載荷，動(dòng)力載荷效應(yīng)不明顯，多數(shù)情況下，疲勞問(wèn)題并不是固定式平臺(tái)組塊設(shè)計(jì)的控制工況。因此，對(duì)于在中國(guó)渤海海域服役的固定式平臺(tái)，一般不需要計(jì)算其組塊的疲勞強(qiáng)度。而“深海一號(hào)”能源站船體是敞口結(jié)構(gòu)，組塊可視為船體的一部分，所有船體結(jié)構(gòu)所承受的環(huán)境載荷需通過(guò)組塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳遞，最終達(dá)到力的平衡。因此該平臺(tái)組塊所受載荷情況更復(fù)雜，交替載荷大，結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題突出，部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尤其需要注重疲勞的校核。

1.1 設(shè)計(jì)計(jì)算工況差異

半潛式平臺(tái)組塊設(shè)計(jì)計(jì)算工況與固定式平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工況側(cè)重點(diǎn)存在差異。固定式平臺(tái)組塊設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于在位強(qiáng)度計(jì)算、地震計(jì)算及施工分析。其中施工分析一般包括裝船、吊裝或浮托等工況。由于固定式平臺(tái)組塊尺度通常不大，在位強(qiáng)度和地震計(jì)算(特別是地震活躍地帶)是固定式平臺(tái)組塊設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，而施工分析和疲勞分析在固定式平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常并不重要[2-3]。

“深海一號(hào)”能源站作為浮式平臺(tái)，其組塊的主要設(shè)計(jì)工況(圖1)與固定式平臺(tái)相比，需要關(guān)注的重點(diǎn)包括：①組塊在位分析要考慮環(huán)境力的影響，須將組塊與船體模型合并分析；②組塊疲勞是最為重要的分析工況，關(guān)鍵部分須做詳細(xì)的有限元分析；③浮式平臺(tái)由于尺度較大，合龍分析是一個(gè)重要的計(jì)算工況，且合龍通常涉及到方案設(shè)計(jì)、施工資源等問(wèn)題，在方案設(shè)計(jì)階段就需要詳細(xì)分析合龍工況[4-5]。

圖1 “深海一號(hào)”能源站組塊計(jì)算工況Fig.1 Analysis condition of topside on “Deep Sea No.1” energy station

1.2 材料選用差異

中國(guó)國(guó)內(nèi)固定式平臺(tái)經(jīng)過(guò)近幾十年的發(fā)展，結(jié)合國(guó)內(nèi)鋼材制造工藝的進(jìn)步，目前固定式平臺(tái)已形成了統(tǒng)一的材料應(yīng)用體系，其主結(jié)構(gòu)通常選用屈服強(qiáng)度355 MPa級(jí)別的DH36鋼板，部分次要結(jié)構(gòu)則選用屈服強(qiáng)度235 MPa的鋼材。從總體趨勢(shì)看，該選材既滿足了固定式平臺(tái)強(qiáng)度的要求，也兼具一定的經(jīng)濟(jì)性。

浮式平臺(tái)與固定式平臺(tái)組塊相比，其組塊受力形式更為復(fù)雜，不僅要承受設(shè)備的豎向力，同時(shí)還要傳遞較大的環(huán)境載荷，因此，浮式平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)對(duì)材料的要求更高。此外，浮式平臺(tái)的重量對(duì)整個(gè)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)性能影響較大，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行減重，將有效的可承載重量留給平臺(tái)上的各種設(shè)備，也是浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)的考慮重點(diǎn)。因此，“深海一號(hào)”能源站平臺(tái)組塊在結(jié)構(gòu)選材上首次采用了國(guó)產(chǎn)屈服強(qiáng)度414 MPa級(jí)別的高強(qiáng)鋼，從而增大平臺(tái)的結(jié)構(gòu)剛度，滿足該平臺(tái)大跨距對(duì)剛度的高要求，同時(shí)可節(jié)省鋼材用量約500 t，起到了良好的減重效果。

2 平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)布局規(guī)劃

2.1 梁格規(guī)劃設(shè)計(jì)

基于浮體運(yùn)動(dòng)性能及施工資源等綜合考慮，“深海一號(hào)”能源站平臺(tái)組塊主結(jié)構(gòu)尺寸為91.5 m×49.5 m。組塊分為生產(chǎn)甲板、夾層甲板、主甲板等3層，各層甲板標(biāo)高分別為60.5、65.5、70.5 m。生產(chǎn)甲板到主甲板的間距僅10 m，考慮到設(shè)備布置及房間保溫隔音的要求，甲板層高非常有限?？缍却蟆痈叩?，為該平臺(tái)組塊的設(shè)計(jì)帶來(lái)了較大挑戰(zhàn)。為了保證組塊結(jié)構(gòu)具有良好的剛度且傳力路徑較優(yōu)，綜合考慮組塊的設(shè)備設(shè)施布置情況，在組塊設(shè)計(jì)中采取了以下措施：

1) 在組塊的寬度方向(南北方向)設(shè)置了A、B、C、D共4條主要軸線，軸線間距分別為15.25、19.00、15.25 m，在主軸線之間跨度大的區(qū)域設(shè)置了二級(jí)軸線(圖2)。其中由于火炬臂載荷較大，將火炬臂坐落在西側(cè)B軸和C軸之間，使其載荷能較好地傳遞到主結(jié)構(gòu)中。

圖2 “深海一號(hào)”能源站平臺(tái)組塊梁格規(guī)劃Fig.2 Beam grid planning of “Deep Sea No.1” energy station platform topside

2) 在組塊的長(zhǎng)度方向(東西方向)設(shè)置了1、2、3、4、5、6共6條軸線。其中1、2、5和6軸線分別是連接船體和組塊的主要軸線。吊機(jī)的載荷較大，將其分別坐落在3軸和4軸上，根據(jù)軸線的跨度情況，在其間設(shè)置了二級(jí)軸線(圖2)。

3) 由于組塊南北窄、東西寬的特點(diǎn)，在2軸和5軸上分別設(shè)置了4根拉筋連接船體立柱，組塊在承受船體的動(dòng)力載荷時(shí)，拉筋能通過(guò)軸向拉壓，平衡船體所受的力矩，使組塊在南北和東西2個(gè)方向受力較平均。

4) 考慮到層高限制，所有主框架梁均采用H1500的焊接梁，但根據(jù)受力情況分析，焊接梁采用的翼緣寬度和板厚均不相同，從而保證組塊在不同的受力情況下，雖然層高一樣，但仍具有承受不同載荷的能力。

通過(guò)以上措施，使“深海一號(hào)”能源站平臺(tái)組塊的梁格布置間隔適中，重要結(jié)構(gòu)設(shè)施的傳力路徑清晰，且采用不同翼緣寬度的焊接梁保證了組塊層高的凈空，為平臺(tái)總體布局提供了良好的前提條件。

2.2 梁格穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

由于“深海一號(hào)”能源站平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)尺度及重量大，需要用到較大的主梁，其最大結(jié)構(gòu)的梁高1 500 mm。與固定式平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)不同的是，半潛式平臺(tái)組塊結(jié)構(gòu)受到較大循環(huán)的軸壓和彎曲作用，設(shè)計(jì)時(shí)需校核梁的穩(wěn)定性。

組合梁受拉時(shí)不會(huì)產(chǎn)生屈曲問(wèn)題，但在受壓時(shí)要考慮屈曲失穩(wěn)的情況。通常組塊甲板上翼緣都是鋪滿甲板板，甲板板在水平方向剛度足夠大，因此組合梁上翼緣受壓時(shí)通常會(huì)有甲板板進(jìn)行位移限制，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)工況。而組合梁下翼緣，受壓時(shí)由于小梁的支撐通常與上翼緣齊平，對(duì)下翼緣無(wú)法起到支撐作用，因此，組合梁下翼緣需要考慮穩(wěn)定性問(wèn)題，且這部分的計(jì)算設(shè)置須與建造實(shí)際情況一致。采用SACS軟件計(jì)算時(shí)，尤其需要注意設(shè)置主梁的側(cè)向支撐長(zhǎng)度。在校核下翼緣的穩(wěn)定性時(shí)，為保守設(shè)計(jì)，主梁側(cè)向支撐長(zhǎng)度取值應(yīng)分2種情況，即次梁梁高大于主梁梁高1/2時(shí)，主梁側(cè)向支撐長(zhǎng)度取主梁桿件端點(diǎn)到次梁的距離(Lb)；而次梁小于梁高1/2時(shí)，主梁側(cè)向支撐長(zhǎng)度取主梁整長(zhǎng)(L)的1/2[6]，同時(shí)還要保證支撐梁具有足夠剛度以起到支撐作用。

在常規(guī)固定式平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，通常采用筋板連接的方式(圖3a)對(duì)主梁的下翼緣進(jìn)行加強(qiáng)。但通常情況下，筋板的距離較短，加強(qiáng)的作用極其有限，在梁高差異較大時(shí)，筋板本身也容易發(fā)生局部屈曲?！吧詈Ｒ惶?hào)”組塊通過(guò)設(shè)置隅梁的方式加強(qiáng)主梁下翼緣(圖3b)。在主梁下翼緣和水平支撐梁之間通過(guò)圓管焊接，使得隅梁、主梁下翼緣、次梁三者形成一個(gè)穩(wěn)定三角形。該方式隅梁的支撐距離較長(zhǎng)，具有較好的剛度，穩(wěn)定效果明顯好于筋板連接。

圖3 平臺(tái)組塊下翼緣加強(qiáng)方式Fig.3 Strengthening methods of lower flange of platform topside

2.3 主桁架保護(hù)設(shè)計(jì)

半潛式平臺(tái)采用桁架式組塊設(shè)計(jì)，組塊屬于浮式平臺(tái)的一部分。波浪作用在船體上的力將通過(guò)組塊進(jìn)行傳遞，使船體受力平衡。如何解決組塊結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題，是浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)和建造的重點(diǎn)和難點(diǎn)。大量研究和工程實(shí)際表明，在焊縫位置更容易產(chǎn)生疲勞裂紋。其主要原因是焊縫位置在焊接熔合過(guò)程中，金屬晶粒比母材區(qū)域更不均勻，更容易產(chǎn)生焊接缺陷，且該區(qū)域存在較大的焊接殘余應(yīng)力，此外，焊接位置大多設(shè)置在結(jié)構(gòu)突變處，易存在應(yīng)力放大等因素，導(dǎo)致其應(yīng)力幅值更大[7-8]。

主桁架是半潛式平臺(tái)組塊受力的主要結(jié)構(gòu)，承受的載荷較大，在桁架管節(jié)點(diǎn)等結(jié)構(gòu)形式突變位置容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中。為了避免疲勞裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)盡可能減少焊接對(duì)主結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)于平臺(tái)上一些附屬結(jié)構(gòu)應(yīng)避免其影響主結(jié)構(gòu)，做到主次分明。因此，針對(duì)“深海一號(hào)”能源站平臺(tái)主桁架設(shè)計(jì)，采取了眾多措施盡量避免主桁架上過(guò)多的焊縫。

2.3.1優(yōu)化結(jié)構(gòu)連接形式

對(duì)于固定式平臺(tái)房間或生活樓等，組塊所受的循環(huán)載荷不突出，疲勞問(wèn)題不大。為了盡量提高鋼材有效利用率，房間或生活樓的設(shè)計(jì)盡量利用組塊結(jié)構(gòu)的軸線，將房間墻皮或防爆墻結(jié)構(gòu)直接焊接到組塊軸線上，利用組塊軸線上桁架的剛度對(duì)附屬結(jié)構(gòu)起到支撐作用，有利于降低平臺(tái)建造難度，加快建造進(jìn)度。與固定式平臺(tái)不同的是，半潛式平臺(tái)為了減少焊接對(duì)主結(jié)構(gòu)的影響，降低建造過(guò)程中焊縫的檢驗(yàn)級(jí)別，房間墻皮在設(shè)計(jì)過(guò)程中要有意避開(kāi)主桁架，同時(shí)通過(guò)在主桁架上伸出2個(gè)短節(jié)，使夾層房間的夾層結(jié)構(gòu)直接搭接在短節(jié)上獲得支撐(圖4)。在建造過(guò)程中，需要先設(shè)置臨時(shí)支撐架搭建好夾層，再安裝斜撐拉筋，最后焊接支撐短節(jié)。在結(jié)構(gòu)建造完畢后撤出臨時(shí)支撐架，房間直接坐落在支撐短節(jié)上。

圖4 “深海一號(hào)”能源站桁架穿越夾層的設(shè)計(jì)Fig.4 Truss traversing mezzanine deck design of “Deep Sea No.1” energy station

同理，防爆墻也有意避開(kāi)了主桁架800 mm的距離(圖5)。防爆墻直接連接到頂部甲板和底部甲板。為了確保防爆墻結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足爆炸壓力的要求，與防爆墻相連的頂層甲板和底層甲板的梁需要加大。同時(shí)為了滿足側(cè)向的抗爆炸壓力要求，甲板臨近的梁之間需要通過(guò)筋板連接，局部形成穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)。

圖5 “深海一號(hào)”能源站防爆墻錯(cuò)開(kāi)主桁架的設(shè)計(jì)Fig.5 Explosion-proof wall deviates from main truss design in “Deep Sea No.1” energy station

2.3.2設(shè)置不可焊接區(qū)域

為了避免焊疤對(duì)主結(jié)構(gòu)關(guān)鍵區(qū)域的影響，組塊結(jié)構(gòu)在疲勞關(guān)鍵影響區(qū)域、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置等設(shè)置不可焊接區(qū)域(圖6中網(wǎng)格線部分)，在此區(qū)域不可焊接任何設(shè)備支架、附屬結(jié)構(gòu)、電纜橋架、管線支架等結(jié)構(gòu)，在建造時(shí)根據(jù)需要可以焊接最低限度的臨時(shí)吊點(diǎn)、工裝構(gòu)件及其他臨時(shí)附件，但要確保臨時(shí)附件采用的焊接程序與母材的永久性焊接程序一致。同時(shí)，所有的臨時(shí)性附件必須用人工火焰清除，且人工火焰切割或氣割過(guò)程中要確保母材不損傷。移除臨時(shí)性附件后，剩余的焊肉應(yīng)采用電動(dòng)打磨工具打磨至與原材料表面平齊。表面、損傷母材區(qū)或母材劃痕應(yīng)焊接修復(fù)，并打磨至與原表面平齊，確保主結(jié)構(gòu)的建造質(zhì)量。

在主桁架上定義了非承載區(qū)域(圖6中斜線部分)，該區(qū)域不可焊接管支架及電纜支架。防火墻及結(jié)構(gòu)墻也應(yīng)偏離主桁架，不應(yīng)放在桁架結(jié)構(gòu)上，且計(jì)算時(shí)不考慮其對(duì)桁架結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)作用。但鑒于對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)的綜合考慮，在保證支架的焊道與主結(jié)構(gòu)的焊道距離大于75 mm的前提下，允許小型附件，如小掛件、電儀支架、電燈火小型設(shè)備支架可以焊接到非承載區(qū)域，但應(yīng)選取合適的焊材，保證焊接質(zhì)量滿足主結(jié)構(gòu)及母材的強(qiáng)度要求。

圖6 “深海一號(hào)”能源站組塊主結(jié)構(gòu)不可焊接區(qū)和非承載區(qū)Fig.6 No weld zones and no load zones of the topside in “Deep Sea No.1” energy station

3 平臺(tái)組塊疲勞計(jì)算分析

3.1 疲勞校核范圍

常規(guī)固定式平臺(tái)疲勞校核通常只需校核管節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度，但浮式平臺(tái)疲勞響應(yīng)比較明顯，因此，“深海一號(hào)”能源站組塊需要校核的節(jié)點(diǎn)包括：常規(guī)管節(jié)點(diǎn)、管接長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)、組塊腿與船體連接節(jié)點(diǎn)、組塊斜撐與船體連接節(jié)點(diǎn)、組塊梁與環(huán)板節(jié)點(diǎn)、管與梁節(jié)點(diǎn)、環(huán)板與管節(jié)點(diǎn)、梁與梁節(jié)點(diǎn)等8類。由于各類節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)類型不一致，在選取疲勞S-N曲線類型時(shí)，需要根據(jù)節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)選擇合理的S-N曲線，在該平臺(tái)組塊疲勞設(shè)計(jì)中采用到了WJT、WJ1、ABS F、ABS E、AWS E’、ABS D共6條S-N曲線。常規(guī)固定式平臺(tái)疲勞設(shè)計(jì)采用SACS軟件就能完成所有的管節(jié)點(diǎn)疲勞校核，但在浮式平臺(tái)疲勞校核中需用到有限元分析軟件，通過(guò)模型局部校核方法來(lái)完成特殊結(jié)構(gòu)的疲勞校核。

3.2 疲勞校核方法

目前結(jié)構(gòu)計(jì)算中最常用的疲勞計(jì)算方法為譜分析方法。該方法基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力傳遞函數(shù)結(jié)果，結(jié)合散布波浪譜和S-N曲線，計(jì)算節(jié)點(diǎn)線性累積損傷，從而得到節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命[9-10]。針對(duì)管節(jié)點(diǎn)、管接長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)、梁與環(huán)板節(jié)點(diǎn)等可以通過(guò)SACS軟件計(jì)算完成，部分特殊的節(jié)點(diǎn)需要通過(guò)有限元分析求得應(yīng)力集中系數(shù)(SCF)。對(duì)于特殊的組塊與船體連接的關(guān)鍵位置，需要在整體模型中抽取局部模型，采用載荷還原的方法，在有限元模型中詳細(xì)模擬局部結(jié)構(gòu)，從而使計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確。

3.3 疲勞校核計(jì)算

“深海一號(hào)”組塊疲勞計(jì)算分析采用連帶船體的整體模型進(jìn)行分析。其主要分析步驟可簡(jiǎn)述如下：

1) 采用ANSYS 軟件AQWA模塊計(jì)算16個(gè)方向的波浪作用在船體濕表面上的壓力及加速度，對(duì)每個(gè)方向選擇在位工況的波浪周期(表1)，確定應(yīng)力響應(yīng)幅值；

表1 “深海一號(hào)”能源站在位工況波浪周期選取Table 1 Selection of wave period-in-place condition of“Deep Sea No.1” energy station

2) 通過(guò)轉(zhuǎn)換，將第1)步得到的波浪荷載及平臺(tái)加速度轉(zhuǎn)入到SACS軟件中，求解得到應(yīng)力傳遞函數(shù)，用于后續(xù)求解節(jié)點(diǎn)疲勞損傷；

3) 利用不同浪向的波浪散布數(shù)據(jù)和適合的波浪譜作為輸入，提供疲勞計(jì)算的海況條件；

4) 根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)的形式，選擇合理的S-N曲線；

5) 選擇合理的應(yīng)力集中系數(shù)(SCF)，部分節(jié)點(diǎn)SCF需要通過(guò)有限元分析獲得；

6) 由第2)～5)步確定的條件，通過(guò)SACS軟件計(jì)算節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷比，求得節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。

最終計(jì)算得到“深海一號(hào)”能源站平臺(tái)組塊8類節(jié)點(diǎn)的疲勞校核結(jié)果(表2)，可以看出所有節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命均滿足平臺(tái)設(shè)計(jì)要求。

表2 “深海一號(hào)”能源站組塊疲勞校核結(jié)果Table 2 Results of fatigue check of topside for “Deep Sea No.1” energy station

3.4 疲勞關(guān)鍵區(qū)域建造注意事項(xiàng)

結(jié)構(gòu)疲勞壽命在設(shè)計(jì)階段已進(jìn)行完整嚴(yán)格的計(jì)算評(píng)估，為了提高疲勞壽命的冗余度，在平臺(tái)建造階段仍可通過(guò)改善外形、打磨焊趾、錘擊、氬弧焊修整等方法提高結(jié)構(gòu)的疲勞壽命[11]。這幾類方法中，改善外形在海洋平臺(tái)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)建造中應(yīng)用比較普遍?！吧詈Ｒ惶?hào)”能源站組塊為了獲得更大的疲勞冗余度，對(duì)于重要節(jié)點(diǎn)，建議在建造過(guò)程中采用較好的焊接外形控制，延長(zhǎng)疲勞使用壽命。規(guī)范和部分研究表明：打磨焊趾、錘擊或采用氬弧焊方法修整可以增加受周期載荷作用接頭的許用應(yīng)力范圍，即沿S-N設(shè)計(jì)曲線乘以系數(shù)1.3，這相當(dāng)于周期壽命提高到原來(lái)的2.2倍，S-N斜率約1/3[12]，改善疲勞壽命比較明顯。但該方法對(duì)建造要求較高，經(jīng)濟(jì)投入較大，需要更嚴(yán)格地控制建造質(zhì)量。

“深海一號(hào)”能源站上部組塊和船體之間通過(guò)8根立柱連接，立柱腿是連接組塊與船體的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，其所受到的外力也較大，疲勞較敏感。針對(duì)這些關(guān)鍵位置，立柱腿位置的加強(qiáng)環(huán)板(圖7中標(biāo)X符號(hào)處)除了要求焊縫打磨外，還特別要求自由邊精加工，確保其表面粗糙度不大于6.3 μm。對(duì)于桿件自由邊表面的精修，可以有效降低桿件表面的缺陷概率，同時(shí)使應(yīng)力在邊緣的變化更為均勻。

圖7 “深海一號(hào)”能源站立柱腿加強(qiáng)環(huán)板自由邊精修位置Fig.7 Free edge finishing position of column leg strengthening ring plate in “Deep Sea No.1” energy station

4 結(jié)論

1) 以“深海一號(hào)”能源站平臺(tái)組塊設(shè)計(jì)為例，對(duì)比說(shuō)明了桁架式結(jié)構(gòu)用于固定式平臺(tái)組塊設(shè)計(jì)和半潛式平臺(tái)組塊設(shè)計(jì)上的區(qū)別?；凇吧詈Ｒ惶?hào)”能源站的特點(diǎn)和要求，首次在半潛式生產(chǎn)平臺(tái)上采用屈服強(qiáng)度達(dá)414 MPa的國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)鋼，克服了大跨度下結(jié)構(gòu)剛度較弱的難題，同時(shí)還為浮式平臺(tái)重量控制起到了較好的減重效果。

2) 針對(duì)平臺(tái)組塊采用大跨距的桁架式結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，充分考慮了組塊總體布局的影響，提出了合理的梁格規(guī)劃，保證了組塊結(jié)構(gòu)具有良好的剛度且傳力路徑較優(yōu)。此外，對(duì)大型組合梁提出了采用隅梁結(jié)構(gòu)作為穩(wěn)定組合梁結(jié)構(gòu)的方法，從而確保大梁在各種受力狀態(tài)下能維持穩(wěn)定。

3) 針對(duì)浮式平臺(tái)疲勞響應(yīng)敏感的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)過(guò)程中要做到主次分明，提出了一系列關(guān)于主桁架的保護(hù)設(shè)計(jì)，如優(yōu)化結(jié)構(gòu)的連接形式，減少主桁架結(jié)構(gòu)上的焊縫，防止主桁架受到不必要的損傷等。對(duì)平臺(tái)組塊各類節(jié)點(diǎn)開(kāi)展了疲勞計(jì)算分析，證明了組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足疲勞要求。

4) 對(duì)于大型氣田開(kāi)發(fā)，采用桁架式組塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能提供更開(kāi)闊的空間，有利于平臺(tái)上有害氣體的擴(kuò)散，優(yōu)點(diǎn)突出。但由于浮式平臺(tái)結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜、疲勞敏感等特點(diǎn)，在“深海一號(hào)”能源站的組塊設(shè)計(jì)中均有涉及，本文對(duì)這些難點(diǎn)提出的應(yīng)對(duì)措施對(duì)今后大型浮式平臺(tái)組塊設(shè)計(jì)具有重要參考意義。