（岩土工程专业论文）埕岛油田现役导管架海洋平台安全评定技术研究.pdfVIP

s a f e t ya s s e s s m e n to fj a c k e to f f s h o r ep l a t f o r m s 。a c t i 、s e r v i c ei nc h e n 2 d a ooilfieldina c t i v eei c eh e n g d a oi l l l e l at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：h o uq i a n s u p e r v i s o r ：p r o f y a nx i a n g z h e n c o l l e g eo fp i p e l i n ea n d c i v i le n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中做出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：医嗑日期：沙j 1 年岁月；j 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门 ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被 查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用 影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：二睦堡 指导教师签名： 日期：训f 年g 月弓j 日 日期： 功i | 年r 月1 日 摘要 随着人类社会对能源需求量的逐步增大以及陆地油气储量的减少，资源丰富的海洋 渐渐成为油气勘探开发的重点。海上石油的勘探开发离不开海洋平台，但海洋平台服役 环境恶劣，在国内外海洋开发工程中，曾发生过多起灾难性海洋平台事故，不仅对海洋 环境造成了巨大的污染，也带来了不可估量的经济损失和不良的社会影响。有效的评定 和预测平台的安全性与可靠性，是保证平台结构安全运营、最大限度的避免事故发生的 有效措施。 本文结合大型有限元软件a n s y s ，以埕岛油田导管架海洋平台为对象，对平台结 构进行静力分析、瞬态动力响应分析、极限承载力以及疲劳可靠性分析，全面客观地反 映结构的安全性、可用性与耐久性，为埕岛油田合理安排平台生产提供重要的决策依据。 主要包括以下内容： ( 1 ) 采用p y 、q z 、t z 曲线考虑土的非线性特性，总结出p y 、t - z 、q z 曲线的确 定方法，并以非线性土弹簧单元模拟桩周围的土体，建立了考虑结构桩土之间相互作 用的平台有限元模型；在考虑桩土间的相互作用后，平台结构柔软性增强，刚度降低。 ( 2 ) 对平台进行静力分析，以保证平台结构在极端波浪工况下强度和刚度均满足要 求；研究结果表明平台在5 0 年一遇的极端波浪工况下的最大位移值和等效应力值均在容 许值范围内，具有较大的静力安全储备。 ( 3 ) 对平台进行模态分析和瞬态动力响应分析；模态分析分析结果表明平台的自振 频率有效的避开了波浪的固有频率，可以很好避免与波浪产生共振；通过瞬态响应分析 得到了各工况下平台的位移、速度、加速度以及应力时程曲线，为平台安全评估提供了 更有效可靠的资料。 ( 4 ) 分别计算无缺陷平台的极限承载力和存在海水腐蚀、构件损伤与缺失、地基土 冲刷等多种损伤的平台的极限承载力，最后计算了平台的强度储备系数；研究结果表明 各种损伤型式中腐蚀对平台极限承载能力影响最大，在平台的服役期间要特别注意平台 的防腐工作。 ( 5 ) 对海洋工程结构疲劳寿命评估的基本方法进行研究，从能量的角度对平台进行 结构动力学分析，在以上基础上应用谱方法对平台进行结构疲劳分析预估平台的整体寿 命；分析结果表明c b 2 7 3 平台疲劳寿命满足设计要求。 关键词：导管架平台、结构桩土相互作用、动力响应、极限承载力、疲劳可靠性 s a f e t ya s s e s s m e n t o fj a c k e to f f s h o r ep l a t f o r m s i na c t i v es e r v i c ei nc h e n g d a oo i l f i e l d h o uq i a n ( g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f y a hx i a n g z h e n a b s t r a c t a st h ed e m a n df o re n e r g yo ft h eh u m a ns o c i e t yi ss o a r i n ga n dl a n do i la n dg a sr e s e r v e s a r ed e c r e a s i n g ，t h eo c e a nw i t ha b u n d a n tr e s o u r c e sb e c o m et h ep r i o r i t yo fo i la n dg a s e x p l o i t a t i o n ap l a t f o r mi si n d i s p e n s a b l ei nt h eo f f s h o r eo i la n dg a se x p l o i t a t i o n h o w e v e r , d u et ot h ee x t r e m e l yh a r s he n v i r o n m e n ti nw h i c ha no f f s h o r ep l a t f o r mi sp u ti n t os e r v i c e ， s e v e r a ld i s a s t r o u so f f s h o r ep l a t f o r ma c c i d e n t sh a v eh a p p e n e di no c e a nd e v e l o p m e n tp r o j e c t s i l lb o t l lc h i n aa n do t h e rf o r e i g nc o u n t r i e s t h ea c c i d e n tn o to n l yc a u s e dt h ep o l l u t i o no ft h e m a r i n ee n v i r o n m e n tb u ta l s ob r o u g h ta b o u te n o r m o u se c o n o m i cl o s s e sa sw e l la sa d v e r s e s o c i a li n f l u e n c e a c c u r a t ea s s e s s m e n ta n dp r e d i c t i o no nt h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fap l a t f o r m i sa ne f f e c t i v em e a s u r et oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o no ft h ep l a t f o r ms t r u c t u r ea n dt om a x i m a l l y a v o i da c c i d e n t s i nt h i ss t u d y ，t h el a r g e - s c a l ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y sw a su s e di nt h es t a t i c a n a l y s i s ，t r a n s i e n td y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s ，a n du l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t ya n df a t i g u e r e l i a b i l i t ya n a l y s i so np l a t f o r ms t r u c t u r eo ft h ej a c k e to f f s h o r ep l a t f o r mi nc h e n g d a oo i l f i e l d t h es a f e t y a p p l i c a b i l i t ya n dd u r a b i l i t yo ft h es t r u c t u r ew e r ec o m p r e h e n s i v e l ya n do b j e c t i v e l y r e f l e c t e d ，w h i c hp r o v i d e da ni m p o r t a n td e c i s i o n - m a k i n gb a s i sf o rr e a s o n a b l ea r r a n g e m e n to f t h ep r o d u c t i o no ft h ep l a t f o r mi nc h e n g d a oo i l f i e l d t h es t u d yi n c l u d e dt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： ( 1 ) t h en o n l i n e a r i t yo ft h es o i lw a sc o n s i d e r e db ya d o p t i n gp yq za n dt - zc u r v e s ， a n dt h ed e t e r m i n a t i o nm e t h o d so fp yq za n dt - zc u r v e sw e r es u m m a r i z e d a n dt h es o i l b o d ya r o u n dt h ep i l ew a ss i m u l a t e dw i t hn o n l i n e a rs o i ls p r i n ge l e m e n t ap l a t f o r mf i n i t e e l e m e n tm o d e lw a se s t a b l i s h e dw h i c ht o o kt h ei n t e r a c t i o no ft h es t r u c t u r e - p i l e s o i li n t o a c c o u n t w i t ht h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ep i l ea n dt h es o i lc o n s i d e r e d ，t h ef l e x i b i l i t yo ft h e p l a t f o r ms t r u c t u r ei n c r e a s e dw h i l et h er i g i d i t yd e c r e a s e d ( 2 ) s t a t i ca n a l y s i sw a sc o n d u c t e do n t h ep l a t f o r mt oe n s u r et h a tt h es t r e n g t ha n dr i g i d i t y o ft h ep l a t f o r ms t r u c t u r es a t i s f yt h er e q u i r e m e n t su n d e re x t r e m ew a v ec o n d i t i o n s s t u d y r e s u l t ss h o w e dt h a tb o t ht h ev a l u e so fm a x i m a ld i s p l a c e m e n ta n dt h ee q u i v a l e n ts t r e s so ft h e p l a t f o r mw e r ei nt h et o l e r a b l ev a l u er a n g eu n d e r t h ee x t r e m ew a v ec o n d i t i o n st h a to c c u r r e d o n c ei n5 0y e a r s t h es t a t i cs a f e t yr e s e r v ew a sr e l a t i v e l yg r e a t ( 3 ) m o d a la n a l y s i sa n dt r a n s i e n td y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i sw e r ec o n d u c t e do nt h e p l a t f o r m r e s u l t so fm o d a la n a l y s i ss h o w e dt h a tt h en a t u r mf r e q u e n c yo ft h ep l a t f o r mw a s e f f e c t i v e l yk e p ta w a yf r o mt h a to ft h ew a v e ，w h i c hp r e v e n t e dt h er e s o n a n c eb e t w e e nt h e p l a t f o r ma n dt h ew a v e t h ed i s p l a c e m e n t ，s p e e d ，a c c e l e r a t i o na n ds t r e s s - t i m ec u r v ew e r e o b t a i n e dt h r o u g ht h et r a n s i e n tr e s p o n s ea n a l y s i s ，p r o v i d i n gm o r ev a l i da n dr e l i a b l ed a t a ( 4 ) t h eu l t i m a t eb e a t i n gc a p a c i t yo f b o t ht h ed e f e c t - f r e ep l a t f o r ma n dt h ep l a t f o r m 、i t l l t h ed a m a g e so fs e a - w a t e rc o r r o s i o n ，d a m a g e do rm i s s i n gc o m p o n e n t s ，f o u n d a t i o ns o i le r o s i o n ， e t c w a sc a l c u l a t e dr e s p e c t i v e l y ，a n df i n a l l yt h es t r e n g t hr e s e r v ec o e f f i c i e n tw a sc a l c u l a t e d r e s u l t ss h o w e dt h a ta m o n ga l lt h ed a m a g e si tw a st h ec o r r o s i o nt h a td a m a g e dt h ep l a t f o r m m o s ts e v e r e l y ，a n ds p e c i a la t t e n t i o n ss h o u l d b e p a i d t o s t r e n g t h e nt h ea p p r o a c h e si n a n t i - c o r r o s i o no ft h ep l a t f o r mi ns e r v i c e ( 5 ) t h eb a s i cm e t h o d so ff a t i g u el i f ea s s e s s m e n to nm a r i n ec o n s t r u c t i o ns t r u c t u r e sw e r e s t u d i e d s t r u c t u r a ld y n a m i c sa n a l y s i sw a sc o n d u c t e do nt h ep l a t f o r mf r o mt h ep e r s p e c t i v eo f e n e r g y s p e c t r a lm e t h o dw a sa p p l i e dt o t h es t r u c t u r a lf a t i g u ea n a l y s i so nt h ep l a t f o r mt o p r e d i c ti t so v e r a l ls e r v i c el i f e a n a l y t i c a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ef a t i g u el i f eo ft h ec b 2 7 3 p l a t f o r ms a t i s f i e dt h ed e s i g n e dr e q u i r e m e n t k e yw o r d s ：j a c k e to f f s h o r ep l a t f o r m ，i n t e r a c t i o nb e t w e e ns t r u c t u r e ，p i l ea n ds o i l ； d y n a m i cr e s p o n s e ，u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y ；f a t i g u er e l i a b i l i t y 目录 第一章绪论1 1 1 课题的研究目的和意义一1 1 2 国内外研究现状一2 1 2 1 结构桩土相互作用研究现状一2 1 2 2 海洋平台结构动力特性研究历史和现状2 1 2 3 海洋平台极限承载力分析研究现状3 1 2 4 海洋平台疲劳分析研究现状一3 1 3 课题研究目标、研究内容与技术路线一3 1 3 1 研究目标3 1 3 2 主要研究内容4 1 3 3 技术路线4 第二章导管架海洋平台静力分析6 2 1 波浪理论及波浪力计算一6 2 1 1 确定性波浪理论6 2 1 2 小尺度结构物波浪力计算7 2 2 海洋平台结构桩土计算模型8 2 2 1 导管架平台整体分析计算模型8 2 2 2 p y 曲线的确定9 2 2 3 t - z 、q - z 曲线的确定1 l 2 3 埕岛油田海洋环境基本情况l3 2 4 c b 2 7 3 海洋平台结构桩土相互作用模型1 4 2 4 1 c b 2 7 3 海洋平台p y 曲线绘制1 4 2 4 2 c b 2 7 3 海洋平台桩土t - z 与q - z 曲线确定1 6 2 4 3 c b 2 7 3 海洋平台结构一桩一土相互作用模型建立1 7 2 5 c b 2 7 3 海洋平台静力分析1 8 2 5 1 设计波高和有效波高1 8 2 5 2 环境参数与计算工况1 9 2 5 3 材料属性。2 0 2 5 4 波流荷载计算2 0 2 5 5 风载荷计算2 1 2 5 6 静力计算结果分析2 1 2 6 c b 2 7 3 海洋平台强度校核2 8 2 7 本章小结2 9 第三章导管架海洋平台的动力响应分析3 1 3 1 海面波动时程的模拟31 3 2 瞬态动力学简介3l 3 3 模态分析3 2 3 4 瞬态响应分析3 4 3 4 1 正常作业海况平台动力响应3 4 3 4 2 不同海况平台动力响应3 6 3 4 3 波浪高度对平台动力响应的影响3 9 3 4 4 共振海况与极限海况平台动力响应对比4 l 3 5 本章小结4 2 第四章导管架海洋平台极限承载力分析4 4 4 1 海洋平台整体安全评估方法4 4 4 2 无初始缺陷平台的极限承载力分析4 5 4 3 受损平台极限承载力分析4 6 4 3 1 构件碰弯4 6 4 3 2 构件缺失4 8 4 3 3 平台腐蚀4 9 4 3 4 地基土冲刷5 1 4 4 平台确定性安全评估5 2 4 5 本章小结5 3 第五章基于谱分析方法的平台疲劳分析5 4 5 1 疲劳分析的基本方法5 4 5 s - n 曲线法5 4 5 1 2 断裂力学方法。5 5 5 1 3 可靠性方法5 5 5 2 基于谱分析方法的平台疲劳分析5 6 5 2 1 频域分析法5 6 5 2 2 平台疲劳寿命分析过程5 7 5 3 c b 2 7 3 海洋平台疲劳分析5 9 5 3 1 随机振动响应分析5 9 5 3 2 疲劳可靠性分析一6 3 5 4 本章小结6 5 结论6 6 参考文献6 9 致谢7 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究目的和意义 随着社会的发展和科学技术的进步，人类社会对能源的需求越来越大。随着陆地油 气储量的减少，资源丰富的海洋进一步引起人们的重视，渐渐成为油气勘探开发的重点。 我国海洋石油勘探开发的历程起始于1 9 5 7 年，目前已进入高速发展期，海洋石油己成 为我国重要的原油生产基地。 海上石油的勘探开发离不开海洋平台，它是海上生产作业和生活的基地。导管架海 洋平台它适应性强、安全可靠、结构简单、造价低，是目前大陆架海域使用最广泛的平 台结构型式之一，我国近海中就分布着上百座导管架海洋平台【l j 。 海洋平台服役环境恶劣，服役期间会承受风、浪、流、海冰等各种载荷的交互作用， 并受到海水腐蚀、海底冲刷等的影响，甚至地震、海啸等意外事件，这些不利因素的长期 作用会导致海洋平台局部构件或整体抗力的衰减，使结构的强度和承载能力下降，也会 给结构的疲劳寿命带来严重影响【2 1 。在国内外海洋开发工程中，曾发生过多起灾难性海 洋平台事故，不仅对海洋环境造成了巨大的污染，也带来了不可估量的经济损失和人员 伤亡【3 1 。所以正确的运用评估方法对现役平台进行强度、刚度、极限承载能力和疲劳寿 命的评估，尽量减少事故的发生，意义重大。 我国海洋平台大多数服役年限都比较长，目前有不少平台已进入后期服役阶段，但 直接将老化平台拆除建设新平台不符合经济效益的要求也无法满足我国近期对油气的 迫切需要，这就要求我们必须必须对现有平台进行准确评估，在此基础上尽量延长在役 平台的使用年限。海洋平台的极限承载能力是决定平台安全性和服役年限的一个关键因 素，因此需要对海洋平台结构进行极限承载力的计算；作用于平台的载荷历程和环境条 件等十分复杂，平台疲劳问题显著，是导管架平台必须考虑的一个很重要因素，因此必 须海洋平台进行疲劳寿命评估，保证平台的安全性【4 】。总之随着海上油气田的迅速勘探 开发，迫切需要对新的平台以及服役后期的平台进行安全评估，平台极限承载能力的评 估和疲劳寿命的评估就是是平台安全评估的最重要的两个方面。 综合上述分析，本课题以埕岛油田导管架海洋平台为研究对象，利用有限元软件 a n s y s ，进行导管架海洋平台的强度、刚度、极限承载力和疲劳可靠性分析等安全评估 技术研究，全面客观地反映结构的安全性、可用性与耐久性，为埕岛油田合理安排平台 生产提供重要的决策依据，从而为结构的设计与维护提供决策的依据。课题的研究成果 第一章绪论 将有助于保障平台人员设施的安全、减少油田开发的投资、降低生产作业的费用，经济 效益和社会意义将是非常可观的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 结构一桩土相互作用研究现状 为了得到比较符合实际的结果，要考虑结构桩土的相互作用，即把上部结构与基 础和地基作为相互作用又相互制约的整体进行分析，国内外岩土工程界与结构工程界为 此进行了不懈的努力【5 j 。 对结构一桩土相互作用的研究大致经历了三个阶段：从上世纪初到上世纪五六十年 代为第一阶段，上世纪六十年代中期到八十年代中期为第二阶段，上世纪八十年代以后 至今属于第三阶段；第一阶段为理论准备阶段；第二阶段研究有很大进展，理论更加完 善，计算方法也有很大突破，较为复杂的结构与基础间的相互作用也得以分析；第三阶 段为研究深化阶段，各种试验和观测得到广泛应用，研究主流开始变为非线性分析【6 】。 在理论分析、工程设计、试验研究以及工程实测等方面，我国工程技术人员和学者 经过大量艰苦的工作以及勇敢的创新，很多问题成功解决，成果丰硕。然而由于这个问 题本身的复杂性，在计算模式和应用上仍然存在着很多问题，有待深入研究。 1 2 2 海洋平台结构动力特性研究历史和现状 对海洋平台结构设计及分析来说，必须考虑动力作用对结构的影响，对海洋平台结 构进行动力响应分析【7 1 。 在海洋平台动力分析研究方面国内外学者已经做了大量工作。上世纪六十年代中期 b o r g m a n 在论文中提出了刚性单腿和多腿平台结构的随机分析数学模型8 1 。1 9 7 4 年b e r g e 和p e n z i e n 提出了受定向波浪作用的三维框架结构的随机响应分析方法，该方法的贡献 在于引入了有限元分析程序i 9 j 。k a r e e m 、h s i e h 和t o g a r e l l i 在1 9 9 8 年，分析了海洋平台 在非高斯海况载荷下的频域响应【l o 】。 国内方面比如，杨舁田针对海洋平台的自振特性进行了研究，提出计算平台结构基 本频率的简化方法【1 1 1 。郑忠双等用随机振动理论和风速能量谱研究了海洋平台结构的风 激动力响应，并用实例进行了演示【1 2 】。任贵永，孟昭英等对自升式平台进行了自振特性 分析及与波浪发生共振的可能性分析i l 引。 总之，海洋平台结构的确定性和随机性动力分析的研究有了很大的进展，但并没有 被广泛应用，在实际的工程领域中还亟待发展简化而且可以给出有意义的分析结果的方 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 法。 1 2 3 海洋平台极限承载力分析研究现状 正确的预估结构的极限承载力是海洋平台安全评定工作的一项重要内容【1 4 】。在平台 的极限承载力分析方面，国内外已经做了很多研究工作。 英国“八五 期间在h e a l t h & s a f e t ye x e c u t i v e ( 简称h s e ) 等单位发起下提出了 “f r a m e s 项目”的研究计划，对十个大型管型框架进行了静力加载至破坏的极限承载能 力试验【1 5 】。美国矿业管理局参加了许多联合产业研究项目，帮助评定超期服役的平台结 构的安全程度，其中两类重要项目是1 9 8 5 年发起，持续近1 0 年研究的a i m s 和c a p 项引16 1 。 为了发展我国海洋平台检测维修与安全评定技术，中国海洋石油总公司“八五 设 立了科技攻关项目“海上结构物检测、维护与修理”；中海石油有限公司天津分公司与 国内多所大学及研究院所联合，在强度储备比汇总及平台结构整体安全度评定、极限承 载能力分析等方面取得了较为系统的研究成果。 1 2 4 海洋平台疲劳分析研究现状 经过了几十年的研究与发展，海洋平台的疲劳寿命评估与可靠性问题取得了不少进 展具体表现在：研究重点从通过s n 曲线疲劳损伤评价方法建立疲劳可靠性模型转移 到以断裂力学为基础，即应用概率断裂力学方法解决海洋钢结构的疲劳可靠性评估问 题。从只考虑随机不确定因素到开始同时考虑模糊和随机两种不确定性。从只注重 设计阶段的疲劳可靠性预测到开始考虑检测和维修对疲劳可靠性的影响。有关疲劳参 数统计特性的数据进一步积累。疲劳可靠性的定量预测方法也有了较大的发展旧。 疲劳可靠性方法开始实际应用于海洋石油工程中，诸如优化检测周期、确定裂纹容限值、 疲劳许用应力，逐渐显示出疲劳可靠性对于工程具有良好的应用前景【1 7 。2 1 1 。 总之，近几十年来，国内外学者对平台疲劳可靠性进行过不少的研究1 2 2 - 2 5 】，但鉴于 问题本身的复杂性，这些研究成果尚远远不能满足目前与将来的工程实际要求，特别是 中国海域环境下的研究尚不多，因此对平台疲劳问题的研究继续投入力量十分必要。国 家自然科学基金和中国海洋石油总公司联合实施的“九五 重大项目研究就包括了些课 题的研究。 1 3 课题研究目标、研究内容与技术路线 1 3 1 研究目标 3 第一章绪论 针对胜利油田埕岛海域导管架式海洋平台复杂的工作环境，综合开展埕岛油田导管 架海洋平台安全评定技术研究：建立考虑结构桩一土的相互作用以及土的非线性性质的 目标海洋平台有限元整体分析计算模型，校核平台的强度、刚度以及动力性能；并运用 非线性有限元法，确定目标平台的极限承载力；同时研究各种损伤型式对极限承载力的 影响规律；结合目标平台所在海域的实际情况，选择合适的波浪谱，在频域内对平台进 行随机振动分析得到平台的响应参数，在此基础上应用谱分析方法对平台进行疲劳分析 并预估平台寿命。 1 3 2 主要研究内容 ( 1 ) 建立考虑结构桩土相互作用的平台有限元模型。 采用p y 、q z 、t - z 曲线考虑土的非线性特性，总结出p y 、t - z 、q - z 曲线的确定 方法，并以非线性土弹簧单元模拟桩周围的土体，建立了考虑结构桩土之间相互作用 的平台有限元模型。 ( 2 ) 目标平台静力分析和瞬态响应分析。 对平台进行静力分析，以保证平台结构在极端波浪工况下强度和刚度均满足要求； 对平台进行模态分析，得到平台模型的固有频率和振型，然后根据平台所在海域的波浪 周期判断平台发生共振的可能性；选择合适的计算理论计算平台所受的波浪力以及海流 力，风荷载等，对平台进行瞬态响应分析，得到平台在极端工况下的位移、速度、加速 度以及应力时程曲线，判断平台的动力性能。 ( 3 ) 目标平台极限承载力分析。 首先计算初始无缺陷平台的极限承载力；其次针对平台在服役期间已经产生的海水 腐蚀、构件损伤与缺失、地基土冲刷等多种损伤情况，进行不同损伤情况下的平台极限 承载力分析，并研究不同的损伤形式对平台极限承载力的影响规律；最后计算平台的强 度储备系数，运用确定性分析方法平台进行整体安全评定。 ( 4 ) 目标平台的疲劳可靠性分析。 对海洋工程结构疲劳寿命评估的基本方法进行研究，根据目标平台的实际环境条件 与结构参数考虑作用在平台上的随机波浪力并在频域范围进行处理，从能量的角度对平 台进行结构动力学分析，在以上基础上应用谱方法对平台进行结构疲劳分析预估平台的 整体寿命。 1 3 3 技术路线 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 本论文采用理论分析和数值模拟计算相结合的方法，既注重研究成果的理论先进 性，又注重其工程实用性，具有可行性和可实施性。整个论文的具体技术路线如下： ( 1 ) 查阅国内外有关文献，搜集相关的研究成果、现场资料，研究国内外在本课 题领域及相关领域的研究进展，确定海洋平台模型建立、静力分析、动力分析、极限承 载力分析以及疲劳可靠性分析的合理立足点； ( 2 ) 根据目标海洋平台的设计和检测资料，建立能合理模拟平台结构桩土非线性 相互作用以及土的非线性性质的目标平台整体分析计算模型，并进行静力分析； ( 3 ) 对所建立的目标平台计算模型进行模态分析和瞬态动力响应分析； ( 4 ) 采用非线性有限元方法，计算初始无缺陷海洋平台的极限承载力； ( 5 ) 模拟海水腐蚀、构件损伤和缺失、地基土冲刷等损伤情况，研究不同损伤型 式对极限承载力的影响规律； ( 6 ) 结合平台所在海域的实际情况，选择合适的波浪谱，在频域内对平台进行随 机振动分析得到平台的响应参数，在此基础上应用谱分析方法对平台进行疲劳分析预估 平台寿命。 5 第二章导管架海洋平台静力分析 第二章导管架海洋平台静力分析 2 1 波浪理论及波浪力计算 2 1 1 确定性波浪理论 人们对波浪理论的研究经历了确定性波向随机波的过渡。本章主要关心的是确定性 的波浪理论，目前常见的确定性波浪理论有：微幅波理论( a i r y 理论) 、s t o k e s 五阶波 理论、椭圆余弦波理论等。不同的波浪理论有不同的适用范围，只有选择了合适的波浪 理论，才能得到正确的波浪荷载【2 6 1 ，应根据平台所在海域设计波高h 、周期t 和水深d 来选择合适的波浪理论。对于在渤海海域服役的海洋平台，计算作用在结构上的波浪荷 载时通常选用s t o k e s 五阶波理论。 s t o k e s 五阶波理论2 6 中波速c 、波面高度7 7 、质点水平速度d 、质点垂直速度g o 、 质点水平加速度d u d t 、质点垂直加速度d g o d t 的表达式如下： 一c 2 ：型( 1 + 2 2 c 1 + 矛c 2 ) ( 2 - 1 ) g d k d 、 7 。 k 7 7 ：兰7 7 ”c o s g 秒) ( 2 - 2 ) 竺：圭，z n 7 c j l 2 ( 拖) c o s 0 9 ) ( 2 - 3 ) 竺：壹”疗j 办( 脚。) s i n 0 9 ) ( 2 - 4 ) d o a t ：5 刀2 中刀7 c 办g 腼) s i n g 秒) g o c 疗= 1 d o d r ：5 疗2 刀砌0 晒) c 。s o 目) g o c 刀= l 0 = k x g o t s = z + d ， 、为由k d 和名决定的系数，k d 和旯由下面两个联立方程得到： 吉l + 色3 矛+ 慨5 + 色5 矽仁昙 k d t h ( k d x l + c 1 矛+ c 2 牡4 丌2 暑 6 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 方程中的b 和c 为与d l 有关的参数，根据d l 的值可以确定。 2 1 2 小尺度结构物波浪力计算 由于固定式导管架平台结构基本上是由圆管焊接而成，波浪波长远大于构成平台的 各杆件尺寸( l d 0 2 ) ，因此可用m o r i s o n 公式计算结构的各杆件上的波浪力，作用于直 立柱体任意高度z 处单位柱高上的水平波浪力为【2 7 】： = 厶+ z = 吉c 。岐m + p 玩百d o x ( 2 - 1 1 ) 式中，为柱体轴中心位置任意高度z 处波浪水质点的水平速度；百d o x 为柱体轴中 心位置任意高度z 处波浪水质点的水平加速度；a 为与波向垂直的单位柱高的投影面积； v o 为每单位柱高的排水体积；p 为海水密度；c d 为拖拽力系数；巴为附加质量系数； c 0 为质量系数： c d 和得建议值见表2 - 1 。 表2 - 1 各国规范对c d 、o 的建议值 t a b l e 2 1 s u g g e s t e d v a l u eo fc _ a n dc mi nt h en o r m so fs e v e r a lc o u n t r i e s 一 规范名称美国a p i ( 1 9 8 0 )挪威d n v ( 1 9 7 4 ) 英国t d l 兹兰譬誓嚣 m o r i s o n 方程在理论上存在一定缺陷，但经几十年的工程实践证明，运用其计算所 得结果可以接受，因此目前人们在计算小尺度结构物上的波浪力时仍旧采用m o r i s o n 方 程。 取坐标系统如图2 - 1 所示。则可得到作用与某一段柱体( z 1 z 2 ) 上的水平波浪力可表 示为【2 8 】： 乃= 三f 。矽u 陋+ 卜p 等等龙 c 2 m ， 当z i = 0 、z 2 = d + 7 7 时，可得到整个柱体上的总体水平波浪力为： = i 1d b 矽u ，d 了p 孚等比 (2-01 o x p z + 1 3 ) f h = 弓f d p d u xc mp 等等出 q - 。0 。 同样，可得到整个柱体上的总水平波浪力矩( 对海底求矩) 为： 7 第二章导管架海洋平台静力分析 = 互14+ct。矽。，i哝陋+dm 1 了已p 孚鲁砘(214)0 = 了c 。矽。，i 哝陋+ ，已p 等等砘 ( 2 - o 。v 总水平波浪力的作用点距海底的距离为： ：誓 (215)e = 土 l z 由上面的式( 2 - 1 3 ) 和式( 2 - 1 4 ) 可知，波浪理论不同则莫里森方程中的7 7 ，蚝和警 也随之不同。 jl h 口 jl 一j f h l l - jl ，i。77 ，o ， i z i 1 z 2 1r 1 r q 上 1r 一 x u 图2 - 1 单柱体上的波浪力 f i 9 2 - 1 w a v ef o c e sa c t e do nt h es i n g l ee o l u m e 2 2 海洋平台结构桩土计算模