（水工结构工程专业论文）现役导管架式海洋平台抗冰抗震性能分析.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 导管架式海洋平台是目前世界上近海石油开发应用最广泛的一种海洋平台结构型 式。由于处在特殊的海域环境中，海洋平台所受到的环境荷载十分复杂。对于建在地震 活跃区域的海洋平台来讲，除了波浪荷载以外，设计中还需要重点考虑地震荷载的影响； 对于寒区的海洋平台还受到冰荷载的作用，渤海海域的导管架式海洋平台存在比较剧烈 的冰激振动现象，并直接威胁着平台的安全。因此有必要对现役导管架式海洋平台的抗 冰和抗震性能进行研究。 本文主要做了以下工作： ( 1 ) 系统地介绍了海洋平台的各种环境荷载和附加因素作用，并重点总结了各类冰 荷载。 ( 2 ) 分析了静冰力和动冰力对海洋平台的影响，即以阻塞冰荷载为控制荷载情况下 基于极限承载力分析的平台抗冰安全评定及三种常见动冰力作用下的平台结构冰激强 迫振动分析。 ( 3 ) 海洋平台的抗震性能分析。本文以渤海一座导管架海洋平台为例，采用p u s h o v e r 方法对其抗震性能进行研究采用能力谱法确定结构目标位移，同时进行结构在相同地震 动下的弹塑性时程分析。通过比较p u s h o v e r 分析方法及动力时程分析方法建立的结构能 力曲线、节点位移、塑性铰分布等，证明了p u s h o v e r 方法在导管架海洋平台结构抗震性 能评价工作中是可行的。 h ) 结构损伤和缺陷对导管架式海洋平台抗冰性能及抗震性能的影响。导管架式海 洋平台结构在服役期间还可能会产生裂纹、凹痕、腐蚀等缺陷和损伤，并可能受到海生 物附着及地基土冲刷等影响。这些问题将减小构件强度或者放大荷载作用，从而影响结 构的承载力。本文分析了损伤和缺陷对其抗冰抗震能力的影响，利用剩余强度理论分析 了结构极限抗冰能力，并把抗震安全裕度系数引入了结构抗震性能的评价中来。通过对 比损伤前后动冰力作用下结构响应、结构抗冰能力曲线和剩余强度储备系数并取三个地 震波对结构进行了地震响应对比、抗震能力曲线对比、抗震安全裕度系数对比，得到了 结构损伤和缺陷对海洋平台抗冰能力及抗震性能的影响。 关键词：导管架式海洋平台；p u s h o v e r 方法；能力谱法；弹塑性时程分析；抗震性能 评价；损伤和缺陷；剩余强度；抗震安全裕度系数 大连理工大学硕士学位论文 ，1 r 、 一 ln ea i l t 卜1 c ec a p a c l 谚a n da s e l s m l cc a p a c l wa n a l y s l so 士1a c k e tt y d e o f f s h o r es t e e ls t m c t u r e s a b s 仃a c t s t e e lj a c k e to f r s h o r ep l a t f 0 h n sa r ew i d e l ye m p l o y e di no f f s h o r e p e 打o l e u ma c t i v i t i e s t h r o u 曲o u lt h eo c e a n so ft h ew o r l d a st h eo f f s h o r es 打u c t u r e 】o c a t e di nas e j s m i c a l l ya c t j v e r e g i o n ，m ee n v i r o 啪e n t a l l o a d sa r ev e 巧c o m p l i c a t e d 粕dh a r s h a n dt h ee a l l h q u a l ( e 伊o u n d m o t i o nb e c o m e s 锄e q u a l l yi m p o r t a n td e s i g nl o a do fs t r u c t u r a le x c i t a t i o n s 邪w e l la st h es e a 、v a v e s t h ei c e i n d u c e dv i b m t i o no fi c e r e s i s 协n tp l a 循) 加si sq u i t ei n t e n s i v e ，a n dd i r e c t l y e n d a n g e r sm es 仃u c t u r a ls a f e t y t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a 巧t os t u d yt h e 卸t i i c ea n ds e i s m i co f o f f s h o r ep l a t f o r m 7 1 1 1 em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h i sp a p e rs y s t e m a t i c a i i yi n t r o d u c et h eo f r s h o r ee n v i r o n m e n t a ll o a d sa n da d d i t i o n a l f a c t o r s ，a n da l lk i n d so fi c el o a d sa r es u m m a r i z e d ( 2 ) t h ee f r e c to ft h es t a _ t i ci c el o a da n dd y n a m i ci c ef o r c eo nt h ej a c k e to f b h o r ep l a t f o m i st a k 朗i n t oa c c o u 力t t h a ti s ，t h e 彻a l y s i so fa n t j j c es a f e 砷a s s e s s m e n ta n di c e e x c i t e d v i b 瑚t i o nh a sb e e ns t u d i e d 、h e nt h ec o n t r o ll o a d su l t i m a l 【ec a p a c i t ya n a l y s i si sb l o c l ( i n gi c e ( 3 ) 7 r h es e i s m i c 彻a l y s i so fo f r s h o r ep l a t f o n ni sd i s c u s s e d i nt 1 1 i sp a p e r ，aj a c k e t p l a t f o 舯o fb o h a is e aw a st a k e na sac a s es t u d y p u s h o v e r 肌a l y s i s 、v a sa d o p t e df o r t h es t u d v o fi t ss e i s m i cb e h a v i o ru n d e re a n h q u a k e t a r g e td i s p l a c e m e mw a sd e t e m l i n e dw i t hc a p a c i t y s p e c t r u mm e t h o d n o n l i n e a rt i m eh i s t o 巧锄a l y s i sw a sc o n d u c t e du n d e rt h es 锄ee a r t h q u a k e a n di ti sa l s oi l l u s t r a t e dt h a tp u s h o v e rm e t h o dc 卸b ee m p l o y e dt oa s s e s ss e i s m i c v u l n e r a b i i i 够o fj a c k c tp l a t f 0 r m sb yc o m p a r i s o no fs 臼u c t u r a ic a p a c i t ys p e c 衄b e t w e e n d y n 锄i ct i m eh i s t 0 叮a n a l y s i sm e t h o da n dp u s h o v e r 卸a l y s i sm e t h o d a l lo fa b o v ew i l lb e u s e 向lf o re a l t h q 帆k e r e s i s t a n tp e r f o n n a n c ed e c i s i o ni np r a c t i c a li a c k e tp l a t f o 咖s 饥j c t u r e ( 4 ) j m p a c t 彻a l y s i so fd a m a g ea n df l a w0 n 粕t i i c ec 印a c 毋柚da s e i s m i cc a p a c 毋o f j a c k e t 够p eo f h o r es t e e ls t r u c t u r e s i ss t u d i e d i ns e i e ep e r i o dj a c k e to f 珞h o r ep l a t f o n n s t m c t u r em a y b ee x i s t i n gd a m a g e 卸df l a w s ，s u c h 硒c r a c k s ，s i l l l ( m a r k s 锄dc o r r o s i o n s b e s i d e s ，廿l es t l u c t u r em a yb ei n f l u e n c e db ys e ao r g a n i s ma u a c h m e n ta n df o u n d a t i o ne r o s i o n a l lt h o s ew i l lr e d u c et h es t i c n 醇ho fs t r i j c t u r a lm e m b e r s0 r l a r g et h e 锄v i r o n m e n t a l l o a d ，s o a st or e d u c et h eb e 撕n gc a p a c i t yo ft h ep j a t f o n n i nt h i sp a p e r ，aj a c k e tp l a t f 0 肿o fb o h a js e a 、a st a k e na sac 嬲es t u d y a n a l y s i sw a sa d o p t e df o rt h es t u d yo fd a m a g ea n df l a wo na n t i i c e c 印a c 时a n ds e i s m i cc a p a c 毋o fj a c k e tt y p eo 低h o r es 钯e i 咖c t u r e s ，b yc o m p a r i n go ft h e r e s p o n s eu n d e rd y n a m i ci c ef o r c e ， i c er e s i s t a n tc 印a c i t ) ，s p e c t m m ，r e m a i n i n gs t r e n 或h a c c u m u l a t i o nc o e m c i e n to ft h es t r u c t u r a l 鲫ds e i s m i cr e s p o n s eb e f d r ea n da f k ri n i u r y ，锄d i i 大连理工大学硕士学位论文 t a k i n gt h r e es e i s m i cw a v e st om a k eac o m p a r i s o no ft h es e i s m i cr e s p o n s e ，s e i s m i cc a p a c i t y c u r v e ，蛐r u c t u r a ls e i s m i cs a f 时m a r g i nc o e f 氍c i e n t ，w eh a v eo b t a i n e dt h ei m p a c ta n a l y s i so f d a m a g ea n df l a wo na m i i c ec a p a c i 妙锄ds e i s m i cc a p a c i 够o fj a c k e tt y p eo f r s h o r es t e e l s t r u c t i j r e s k e y w o r d s ：j a c k e to 仃s h o 陀p l a t i b r m ；p u s h o v e rm e t h o d ；蚀p a c 时s p t 川mm e t h o d ； n o n l i n e a rt i m eh i s t o r ya n a l y s i s ；s e i s m i cp e r f o r m a n c ee v a i u a t i o n ；d a m a g ea n dn a w ； r e m a i n i n gs t r e n g t h ；s t r u c t u m ls e i s m i cs a f b 够m a r g i nc o e 佑c i e n t i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目丝垒垒篁塾丛逸造歪丝丝鲨丝：墨兰丝篁叠 作者签名：坌复至立日期：丝年j 互月l l 日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名翌益堑 丝年旦月址日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 背景及意义 占地球表面面积7 1 的海洋中蕴藏着比陆地丰富得多的自然资源，在能源紧缺的今 天向海洋进军己成为社会经济发展的必然。海洋平台结构是海洋油气资源开发的基础 性设施，是海上生产和生活的基地。自1 9 4 7 年墨西哥湾海域建造了第一座钢质海洋石 油开采平台以来，世界现已建成1 0 0 0 0 余座海洋石油开采平台。我国从2 0 世纪六1 年 代开始在渤海勘探和开发海上石油资源以来，已建成近2 0 0 座海洋平台，随着渤海太油 田的发现与开发，未来几年我国将建设更多的海洋平台“”。 目前建造的海洋平台结构形式主要有固定式( 包括钢质导管架式、顺应塔式和钢筋 混凝土重力式) 、半潜式( 包括钻井船等浮动采油系统) 和张力腿式。我国的海洋平台 大多是固定式导管架结构，其结构如图l1 所示。 圉1 1 固定式导管架海洋平台示意图 f * 1 】n e 妯删i c d 唧硼o f o 蹴m j 础n p l 砒衙m 海洋平台结构复杂，体积庞大，造价极高， 着风、浪、流、及地震等多种环境因素的干扰 所处的环境十分复杂、恶劣，长期承受 环境腐蚀、海生物附者、地基土冲刷、 大连理工大学硕士学位论文 液化和基础动力软化、材料老化、构件缺陷和机械损伤以及疲劳累积等各种不利因素的 影响，这些作用都将导致海洋平台结构局部构件或整体抗力的衰减。 同一般陆地建筑物相比，导管架式海洋平台有以下比较突出的特点： ( 1 ) 平台上大部分质量都集中在结构的顶部。 ( 2 ) 海洋平台所处的特殊的海域环境，必须要考虑到结构与海水的相互耦合作用问 题。 ( 3 ) 相比陆地上的结构，导管架式海洋平台具有很高的冗余度。 ( 4 ) 海洋平台造价昂贵，属于重大工程结构，一旦破坏，经济损失和社会影响环境 污染都将十分严重。 对于冬季渤海海域的石油平台还受到海冰的作用，海冰在潮流与风的作用下发生漂 移，会与结构发生相互作用。实践中发现，在多数结冰海域，冰对海洋结构的作用，要 远比波浪和风的影响大得多，因此冰荷载是渤海海域海洋结构的控制荷载“5 6 | 。 由于对冰荷载认识不足，结构设计不合理，曾经发生过很多海洋结构被海冰破坏的 事故，这些事故大致可以分为如下三类： ( 1 ) 结构在较厚海冰的作用下被推倒，造成结构的彻底失效。这种灾害造成损失比 较巨大，多发生在冰区海洋资源开发的早期阶段。如1 9 6 3 年库克湾被冰推倒了两个简 易平台，7 0 年代在芬兰波斯尼亚湾发生了多起灯塔被流冰推倒的事故，1 9 6 9 年我国冬 季冰封期间整个渤海被海冰覆盖，一般冰厚为2 0 3 0 厘米，最厚达6 0 厘米。导致“海 二井”的生产设备和钻井平台在海冰的巨大推力下倒塌，对新中国的政治经济都造成了 较大影响，1 9 7 7 年，“海四井”的平台也被海冰推倒，这些灾害的发生一方面是由于遭 遇了严重冰情，另一方面也是人们对冰荷载认识严重不足，结构设计不合理造成的。 ( 2 ) 周期性荷载作用在结构上，引起地基沙土液化。1 9 8 4 年加拿大海湾公司建造的 m o l l k p a q 人工岛，1 9 8 6 年4 月在海冰的激振下，岛心发生了砂土液化，下沉l m 左右。 这种事故目前只在m o l l k p q a 平台上发生过一次。由于缺少具体的观测数据，对其机理 目前仍没有准确结论。 ( 3 ) 结构在海冰作用下发生振动，引起结构疲劳破坏或上部设施损坏。库克湾的海 洋平台以及我国渤海的海洋平台都曾发生过明显的冰激振动问题。研究表明，冰激振动 对结构主要有三方面影响：首先，容易引起结构的疲劳破坏，如上文提到的被海冰推倒 的渤海老二号平台，就是经历了2 0 多个小时的冰激振动被破坏的。其次冰激结构振动 容易引起平台上部设施的损坏或失效，如2 0 0 0 年1 月2 8 日，j z 2 0 - 2 中南平台在平整冰 的作用下发生剧烈的稳态振动，造成8 号井排空管线疲劳断裂，天然气泄漏，平台被迫 停产。平台的持续振动还会对上部人员产生影响，降低其舒适度以及工作效率。 大连理工大学硕士学位论文 这些事故给人们在海洋资源开发方面予以很大的警示，同时也促进了国内外海洋石 油部门开始深入研究冰区海洋平台的安全性问题。 本文将重点研究海洋平台结构在模型化动冰力作用下的响应，阻塞冰荷载为控制荷 载时的平台整体安全评定及结构损伤和缺陷对平台抗冰性能的影响。 处于海洋环境中的导管架平台，除了承受结构自重以及甲板设备重量等静荷载作用 外，还经常受到诸如风、波浪、海流、地震、船舶撞击等各种环境动力荷载的作用。目 前对地震作用下海洋平台结构的反应分析还相对较少。事实上，海底与陆上一样也是经 常发生地震。虽然地震荷载没有波浪荷载和风荷载出现的频率高，且发生时持续时间也 很短，但是大的地震所造成的破坏却是非常严重的。我国是个多地震国家，多数近海 地区处在地震活动性强烈的大陆板块边缘，渤海、黄海以及东南沿海地区均属地震带， 尤其是台湾东西两侧海域的地震更为强烈。我国的海洋平台有相当大一部分建造在位于 环太平洋地震带上的渤海湾中，历史上渤海湾曾发生过强烈地震，也曾多次发生海洋平 台破坏的事件。由于海洋平台结构的安全关系到生产的效益与生命财产的安全，因此， 海洋平台的抗震安全问题已受到越来越多研究人员的重视。 近海海洋平台的抗震设计原则是要求平台结构与其基础均能安全地承受两级地震： 较低的称为设计地震，要求结构与基础在经受设计地震时，无显著的破坏；较高的称为 罕遇强震，要求结构与基础有足够的储备能力，容许结构与基础共同体系有一些损坏， 但不倒塌，即要求结构有足够的延性。为适用于桩基导管架结构，美国石油协会提出了 a p i 和r p i a 规范，并对此做出规定：在强震作用下，平台结构至少能吸收四倍于设计地 震时土一结构共同体系的最大应变的能量而不倒塌。这一基本设计原则是与重要工程现 代设计原则一致的。海洋平台当前的主要抗震设计规范都采用了上述基本原则。而目前 我国海洋平台的抗震设计基本上还是沿用陆地建筑的抗震规范，采用“小震不坏，中震 可修，大震不倒”的抗震设计准则。要做到“小震不坏 不难，问题是要做到“大震不 倒”而又不过多的增加投资，至今尚无令人满意的解决途径。究其根本原因，是强震作 用下结构的破坏状态以及破坏过程机理不明。目前设计中经常采用的增大安全系数等方 法，不能准确反映出结构在强震作用下的破坏过程和破坏特点，从而也就无法准确估计 平台结构在强震时倒塌的可能性；进而采取有针对性的抗震措施。所以有必要进行这方 面的研究，使海洋结构物设计得既有安全保障，又能发挥结构潜力。 在结构的抗震设计中动态时程分析方法是较精确的，其原理是将地震动记录或人工 波作用在结构上，直接对结构运动方程进行积分，求得结构任意时刻地震反应的分析方 法。动态时程分析方法也称为直接积分法。根据分析中是否考虑结构的非线性行为，动 态时程分析方法又可分为线性动力时程分析和非线性动力时程分析两种 阁。 大连理工大学硕士学位论文 理论上，弹塑性动态时程分析提供了对结构地震反应的最准确计算，而且它还可以 同时进行结构在地震动作用下进入塑性后的需求与能力比较。但是弹塑性动态时程分析 方法需要耗费大量的计算时间，输出大量的计算数据，这些都不利于工程师进行结构设 计。因此，对于大部分结构，一般不采用这种分析方法，在很多情况下仅限于进行弹性 动力时程分析：只有对特别复杂和重要的结构，才需要进行弹塑性动态时程分析。 由于非线性时程分析方法技术复杂、计算耗费机时，计算工作量大、结果处理繁杂， 且许多问题在理论上还有待改进( 如输入地震动的不确定性) ，各规范有关时程分析方法 的规定又缺乏可操作性，冈此在实际工程中该方法并没有得到广泛的应用，通常仅限于 理论研究。鉴于此，寻求一种简化的评估方法，使其能在某种近似程度上了解结构在强 震作用下的弹塑性反应性能，将具有一定的应用价值。1 9 7 5 年f r e e m a n 等提出了一种简 单实用又比较可靠的抗震设计方法，即静力弹塑性分析方法( p u s h o v e r ) 分析方法，但未 引起更多的重视。上世纪9 0 年代以后，随着基于性能的抗震设计思想的提出和发展， p u s h o v e r 分析方法引起了地震工程界的广泛兴趣。p u s h o v e r 分析方法相对时程分析方 法来说比较简单，能大大简化设计计算工作，同时它能够清晰地反映出结构在强震作用 下各个方面的性能，尤其对于反应以基本振型为主的结构，p u s h o v e r 分析方法不仅能够 很好的反映结构的整体变形，还能够很清晰地反映结构局部的塑性变形机制：相对于传 统的线弹性静力法，它能够检测出线弹性静力法所不能检测到的结构缺陷，如局部楼层 过大的变形、强度的不均匀分布和潜在易破坏构件的局部过载等问题。一些国家的抗震 规范己逐渐接受了这一分析方法并纳入其中，如美国的a t c 一4 0 、f e m a 一2 7 3 和f e m a 一2 7 4 ， 日本、新西兰等国的规范。我国在新的建筑结构抗震设计规范中也引入了p u s h o v e r 分 析方法。 在恶劣的环境载荷长期作用下，再加上设计或使用的不当，结构容易产生各种形式 的损伤，使结构的承载能力下降，严重的还会导致平台失效。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，造成了巨大的人员伤亡、经济损失以及不良的社会 影响。例如，1 9 6 7 年s e d c 0 1 3 5 型半潜式三角型平台在进行采油作业时，其尾部的水平 撑杆破坏；同年五月，在美国墨西哥湾，r a n g e ri 号自升式钻井平台后腿柱破坏失效， 致使平台失去平衡，甲板倾斜坠落，并使前腿弯折屈曲而导致整座平台最终完全破坏： 1 9 8 0 年3 月，北海的一座生活供应平台a l k i e l l a n d 号撑杆处的水声器支座萌生的疲 劳裂纹发生扩展，致使撑杆折断破坏，并导致与所支撑的承重腿柱相连的其它五根撑杆 也凶过载而破坏，随后承重腿柱失稳，平台失去平衡，二十分钟后平台全部倾覆，1 2 3 人丧生，并造成巨大的经济损失。随着石油开采向海洋发展，海洋平台的数量成倍增加， 合适的设计方法确保结构能够抵抗住不可预测的载荷造成的损伤，但是损伤在海洋平台 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 结构的服役期间是不可避免的，因此有必要讨论损伤和缺陷对海洋平台结构抗冰抗震性 能的影响憎1 0 川。 本文介绍平台结构的各类损伤和缺陷，并假定各项损伤和缺陷来分析其对导管架海 洋平台抗冰和抗震性能的影响，利用剩余强度理论评估了平台损伤前后的抗冰能力，并 把抗震裕度系数引入了损伤和缺陷对结构的抗震性能分析中。 1 2 海洋平台的性能评价 海洋平台的性能评价指的是检测和预测平台结构的损伤积累，以把握结构和结构构 件抗力衰减的规律，来评定和预测海洋平台的安全性和可靠性，以便及时地对结构维修 加固，来延长结构使用寿命和增强结构抵抗突发性极端荷载的能力n 坦1 3 1 屯”1 。 海洋平台结构性能评价不同于结构设计的安全验算，主要有如下三个方面： ( 1 ) 待评定的结构通常是有损伤的现役结构，如何揭示现役结构真实损伤状况，然 后合理地考虑结构损伤和修正结构模型，以便为结构安全评定的内力重分析提供基础是 关键问题之一，结构的无损检测、累计损伤与抗力衰减分析从某种意义上说都是为此服 务的。 ( 2 ) 结构的性能评价更着眼于结构的整体安全状况，这是因为结构在服役过程中， 由于损伤积累和各种不利因素的影响，结构部分构件很可能不满足安全要求，但由于海 洋平台是有着高度冗余度的大型结构，整体往往还是有足够的承载能力的。 ( 3 ) 结构的性能评价的荷载标准和安全标准问题。结构设计或性能评定，首先要确 定荷载标准，然后才能分析和计算结构构件或整体的安全度指标。此外，结构的性能评 价需要有一个标准来衡量结构在当前状态下继续使用是否安全，包括结构构件和结构整 体的安全度标准。目前性能评价的安全度标准基本上是沿用结构设计的安全度标准，但 是，结构设计主要是有结构构件的安全指标来控制结构的安全性，目前还没有实际可用 的结构整体安全度标准，因此，努力建立结构的整体安全度标准是结构评定和结构设计 共同期望的。 对于现役结构的性能评定方法总体上分为确定性方法和可靠度方法。 在确定性评定方面，a g g a r w a l 等人于1 9 9 0 年提出了有代表性的四级评定方法：第 一、二级评定是采用粗略定性和粗略定量的方法来评定平台的承载力，快速确定是否需 要更高级的安全评定，第三级和第四级评定将分别采用线性弹性和非线性静力倾覆或动 力时程分析方法较详细地评定平台结构的承载力。1 9 8 5 年起美国矿业管理局参加了持续 十年的a i m s 和c a p 项目研究，a i m s 项目的重点是现役平台的安全评定方法，c a p 项目 是要开发一个计算机辅助系统，以提供海洋平台极限强度的评定。在我国，欧迸萍等在 大连理工大学硕士学位论文 海洋平台重分析、基于检测和维修结果的平台结构计算模型修正、构件应力比和强度储 备比汇总评定结构整体安全度的方法、极限承载力分析等方面取得一系列重要研究成 果。 在可靠度评定方面，1 9 8 4 开始挪威船级社历时八年对海洋平台可靠度进行研究，在 海洋结构环境随即荷载及其反应分析、概率疲劳和断裂分析方面取得重要进展，并开发 了可靠度计算软件p r o b a n ( 0 1 e s e n ，1 9 9 2 ) 。1 9 8 6 1 9 9 0 年欧共体立项：海洋结构设计 和管理的可靠度方法，耗资2 5 0 万美元系统地研究了海洋平台体系可靠度及其在结构检 测和修理规划中的应用，并开发了计算软件r a s o s ；但是已经发展起来的p n e t 法、分枝 界限法和各种数值模拟的方法和软件还很难完全适用于复杂的海洋石油平台可靠度分 析中。采用结构概率倒塌分析方法来研究结构体系可靠度是一条可行之路。1 9 9 3 年挪威 s i g u r d s s o n 等人系统地研究了导管架平台的概率倒塌分析，基于非线性逐步破坏的数值 模拟，提出了结构体系的抗力和荷载效应的可靠度分析方法。把结构体系可靠度归结为： 腙尸( 厶兰影) ，s c 为结构体系抗力，可以用基地剪力或倾覆力矩来表示；l s 是与结构 体系抗力相应的荷载效应。中国海洋石油总公司在九五期间设立重点项目一现役固定式 海洋平台结构的体系可靠度分析与评定，金伟良、欧进萍、肖仪清等在结构体系的服役 可靠度分析和安全评定的理论、方法和软件等方面都取得了系统的研究成果。 在海洋平台抗冰性能研究方面，欧进萍系统地阐述了海冰的动力作用模型、随机动 冰力模型和海洋平台结构冰致振动的分析方法。针对海洋平台的特点欧进萍等( 1 9 9 9 ) 提出了结构极限分析的近似方法一整体推进法，整体推进法有三个基本假定：1 钢材 本构模型为理想弹塑性模型，不考虑网管截面塑性发展对结构极限承载力的提高，以其 弹性极限为塑性极限。2 进入塑性状态的杆件或节点具有足够的塑性变形能力。3 杆件 首次塑性状态出现于杆端，这主要是考虑杆件一般无集中节问力作用。并说明整体推进 法进行结构极限状态判别的两个条件：1 结构总体刚度矩阵奇异，2 结构总体位移或局 部位移超界。结构只要满足其中一个条件即可判定为处于极限状态。 基于性能的抗震设计代表了未来结构抗震设计的发展方向，引起了各国广泛的重 视，美、日等国都投入了许多力量进行研究。9 0 年代初，美国地震工程和结构工程专家 经过深刻地总结地震灾害后，主张改进目前基于承载力的设计方法。加州大学b e r k l e y 分校的j r m o e h i 。提出基于位移的抗震设计理论，4 0 年代中期以来，这种理论的构思 影响了美国、日本以及欧洲的土木工程界。随着这种设计理论的发展，建立了以结构性 态评价为理论基础的结构设计体系。近年来，基于性能的抗震设计成为国际地震工程领 域的一个研究热点，相关研究与应用成果不断发表在一些国际学术期刊和学术会议上。 2 0 0 3 年美国发布了建筑物及设施的性能规范，该规范对基于性能的设计方法的重要 大连理工大学硕士学位论文 准则作了明确的规定。同年，欧洲混凝土( c 朗) 出版了“钢筋混凝土建筑结构基于位移 的抗震设计”报告，欧洲规范也将能力谱方法纳入规范。澳大利亚则在基于性能设计的 整体框架以及建筑防火性能设计等方面做了许多研究，提出了相应的建筑规范 ( b c a l 9 9 6 ) 。目前，我国在基于性能的结构抗震设计方面也积极开展了研究。我国的建 筑结构抗震设计规范( g b j l l 8 9 ) 提出的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三水准 设防目标和两阶段设计方法，实际上己经包含了基于性能的抗震设计思想。我国现行的 建筑结构抗震设计规范( g b 5 0 0 1 1 2 0 0 1 ) 仍保留了三水准设防和两阶段设计方法，并 将能力谱方法纳入了大震变形验算方法中。 基于性能的抗震设计方法的主体部分是“推倒分析 ，即p u s h o v e r 分析。对结构 进行p u s h o v e r 分析从而来验证结构的初步设计，是基于性能设计的抗震设计方法的一 个重要组成部分，也是本文所要研究的主要内容。 1 3 本文主要工作 ( 1 ) 本文系统地介绍了海洋平台受到的海浪荷载、海风荷载、海流荷载、海冰荷载 等海洋环境荷载，指出各项荷载的影响要素。并详细地分析了常见的动冰力类型和最大 静冰力的计算。讨论了海洋平台的各项附加作用因素。 ( 2 ) 建立了海洋平台的计算模型，并分别分析了静冰力和动冰力对海洋平台的作用， 对计算模型进行了模态分析，在以阻塞冰荷载为控制荷载情况下进行基于极限承载力分 析的平台抗冰安全评定，得到结构的顶点位移与基底剪力曲线，并计算了平台的储备强 度。并分别对引起稳态振动的挤压冰荷载、屈曲冰荷载、弯曲冰荷载进行模型化研究， 建立各冰力的动冰力模型。分析在三种模型动冰力的作用下的平台结构冰激强迫振动， 分别得到了对应动冰力的结构顶点位移、速度、加速度时程曲线。 ( 3 ) 以一座导管架海洋平台结构为例，选取e 1 c e n t r o 波为地震输入，分别在阻塞冰 工况和风浪独立工况下采用均匀加载方式和倒三角加载方式对其进行推倒分析，并且通 过与弹塑性时程分析的结果进行比较：对比了导管架海洋平台结构顶点最大侧移、节点 间位移的计算、罕遇地震作用下结构的塑性铰分布等结果，来证明利用p u s h o v e r 方法 对海洋平台结构进行抗震性能分析是可以满足工程应用的精度要求的。 h ) 本文讨论了结构损伤和缺陷对海洋平台的影响。介绍了各类损伤和缺陷，假定 各项损伤和缺陷来分析其对导管架海洋平台抗冰和抗震性能的影响，利用剩余强度理论 评估了平台损伤前后的抗冰能力，并把抗震裕度系数引入了损伤和缺陷对结构的抗震性 能分析中。对比了损伤前后动冰力作用下结构响应、结构抗冰能力曲线和剩余强度储备 大连理工大学硕士学位论文 系数，并取三个地震波对结构进行了地震响应对比、抗震能力曲线对比、抗震安全裕度 系数对比，得到了结构损伤和缺陷对海洋平台抗冰能力及抗震性能的影响。 大连理工大学硕士学位论文 2 海洋平台环境荷载 海洋环境荷载指的是海洋环境要素对海洋工程结构的作用，主要包括：风荷载、波 浪力、海流作用、海冰荷载。海洋环境要素都有着强烈的随机性，在不同的海域、环境 条件及沿岸环境条件情况下海洋环境荷载的各种参数也都不一样，因此需要对近海海洋 环境要素进行观测，整理观测资料统计出各个需要的荷载参数。在海洋工程结构的分析 中根据结构所在海域情况结构特点及相应的统计资料得出各种环境荷载的计算参数，并 由相应的荷载计算理论来计算对应的和荷载n - 1 8 1 9 2 0 。2 2 1 。 2 1 海浪荷载 作用在导管架上的波浪荷载是由于波浪产生的压力场所致。一般波浪诱导荷载可以 分为三种：拖曳力、惯性力和绕射力。拖曳力是由于物体造成的水流扰动引起的；惯性 力由两部分组成：一是由于入射波压力场引起的作用力，一是由于水的惯性引起的附加 质量力：绕射力是由于考虑物体的作用，而使波浪发生绕射时引起的作用力。上述波浪 诱导荷载分量对于具体的结构对象来讲，并不都是同等重要的，这取决于结构的形式和 尺度，以及所选取的波浪工况。在海洋工程结构中，通常是根据大尺度结构还是小尺度 结构来决定波浪荷载的计算方法。对于小尺度结构，波浪的拖曳力和惯性力是主要的分 量；而对于大尺度结构，波浪荷载的惯性力和绕射力是最主要的分量。 图2 1 作用在直立桩柱上的波浪力 f i g 2 1t h ew a v ef o r c ee 仃e c to nv e f t i c a lc y l i n d e r 大连理工大学硕士学位论文 固定式导管架平台结构除了上层甲板之外，基本卜是由圆管焊接而成，它的结构 模型相当于一个空间框架系统。由于构成结构的各类杆件的界面尺寸远小于波浪的波长 ( 耽 0 2 ) ，用m o r i s o n 公式计算结构的各杆件上的波浪力是符合工程要求的。自从计 算小尺度物体波浪力的m o r i s o n 公式提出以来，在工程上得到了非常广泛的应用，尽管 对这一波浪力公式的阻力系数c 和惯性系数c 卅的选取仍有许多不确定性，但从理论的 观点上看，目前还没有一种更好的方法来代替这种算法。 m o r i s o n 等认为作用于柱体任意高度z ( 离海底以上高度z ) 处的水平波力包括两个 分量：一方面是波浪水质点运动的水平速度引起对柱体的作用力水平拖拽力，另一方 面是波浪水质点运动的水平加速度引起对柱体的作用力一水平惯性力。按照m o r i s o n 公式，垂直作用于直立桩柱上单位长度上的水平波浪力可用下式表示： 1_n2 = 去c d l u j ( ，+ c _ p 竺! u ( 2 1 ) 二斗 其中，口为圆形构件直径，m ；三为设计波长，m ；厂为单位长度上受到的波浪力， n m ；c 。为垂直于构件轴线的拖曳力系数：p 为海水密度，k g m 3 ；u 为垂直于构件轴线 的水质点相对于构件的速度分量，l u l 为其绝对值；c 。为惯性力系数；u 为垂直子构件 轴线的水质点相对于构件的加速度分量。 c 和c 。的选取与分析计算时所采用的波浪理论、波浪要素、平台结构的工作水深、 结构物的形状以及构件的表面粗糙度等因素有关。目前把它们作为相对独立的量来处 理，根据实际的经验或由试验来确定。各国规范对其取值都给出了各自的建议值。 表2 1 各国规范对e 和e 的建议取值 t a b 2 11 1 1 ev a l u es e l e c t i o ns u g g e s t i o no f e 锄de b yd i 腩崩1 tc o u n t r j e s a c t i o n s 在高度上积分可得到整个柱体上的总体水平波浪力为： 大连理工大学硕士学位论文 f = f 。三c d m 阮+ f 7 q p 等眺 ( 2 2 ) 同理可以得到整个柱体的总水平波浪力矩( 对海底求矩) ： m = f 4 导巳d m 潲沈 = f i + 鼍q 。i 泌毖+ f ”g 夕等池 ( 2 3 ) 其中，s 为水深。 则总水平力作用点到海底距离为： p ：丝( 2 4 ) f 2 2 海风荷载 根据空气动力学理论，风在运动过程中受到结构物的阻挡会产生顺风向力、横风向 力和扭力矩，对于常规结构，风力对结构的作用以顺风向力为主。根据实测风速可以看 出风速时程包含平均风速和脉动风速，平均风速的周期一般远大于结构的自振周期，因 此这部分风速用其均值来表示，它对结构的作用可以按静力处理；脉动风速引起的动荷 载作用可以转化了等效静荷载来考虑。一般取海洋平面1 0 米处1 0 分钟平均风速为基本 风速。 则作用在结构上的风荷载可以采用a p i r p 2 a 中的风力计算公式来计算： ，= 0 4 7 3 ( 矿) 2 g 彳 ( 2 5 ) 式中，f 为风力，n ；矿为风速，k m h ；g 为形状系数；彳为建筑物迎风面积，m 2 。 当作结构总体分析时，采用时距为十分钟的平均风速。局部构件的计算时，采用时 距为一分钟的平均风速，形状系数的取值按a p i r p 2 a 中的规定确定：梁1 5 、建筑物的 侧面1 5 、圆形截面0 5 、平台总投影面积1 0 。 2 3 海流荷载 通常将海流简化为稳定的定常流动，因此海流可按与动能成正比的阻力来计算，即： e = p e d 彩2 ( 2 6 ) 式中u 为海流流速，其余符号与前文相同。在浅海区，流速随水深的变化规律可表示为： 一三 u ( z ) = ( ) 7 ( 2 7 ) 大连理工大学硕士学位论文 式中，“。为表层流速；d 为水深；z 为白海底以上的高度。 2 4 海冰作用 高纬度海域海冰对结构的作用是海洋平台结构设计和安全运营的重要因素，一方面 在冰情严重的海域冰荷载远超过其他荷载而成为控制荷载，另一方面，冰对结构的连续 作用将引起结构剧烈振动，长期动冰力作用将使结构产生疲劳累计损伤，而导致结构抗 力不足。因此有必要详细的分析和研究冰荷载的作用。 冰力研究中我们将冰分成两种：冰排与流冰。通常，把面积足够大的漂浮冰体称为 冰排，面积相对较小的称为流冰。大面积冰排受到的驱动力也大，它具有的能量足以使 自身在结构物的迎冰面上连续破碎，而冰排则几乎不改变原有的速度继续向前运动，这 时作用于结构上的冰力多为挤压力。小面积的流冰受到的驱动力也小，它具有的能量不 足以使自身在结构物的迎冰面上破碎或完全破碎，所以只能滞留在结构物前，或绕流而 过，这时作用于结构物上的冰力称为流冰撞击力伯4 。5 t 制。 2 4 1 流冰撞击力 流冰撞击到结构物后，会停滞在结构物前或绕流而过，这是一种“塑性碰撞”过程， 它与冰排对结构的作用是完全不同的，所以冰力的计算方法也不一样，需要指出的是流 冰撞击力是一种受驱动力限制的冰力，是流冰质量、冰速等的函数，流冰的面积、冰厚、 冰速的增加都会使驱动力增加，从而使撞击力加大。但是，流冰撞击力的增加是有限度 的，当驱动力增加到使整个墩柱的宽度都楔入冰块中后，流冰就不再停滞于结构物前， 而是慢慢地向下游漂移，这就变成了典型的挤压破坏状态，这时，不论流冰受到的驱动 力多大，冰力也不再增加。所以，同样厚度的冰排挤压力就是流冰撞击力的上限。即： 尸乙。 流冰撞击力可以由漂浮物撞击力公式求得： 尸：婴( 2 8 ) g 丁 式中，尸为流冰撞击力( k n ) ；矿为漂浮物重量( t ) ：矿为水流速度( m s ) ；，为撞击 时间( s ) ；g 为重力加速度( m s 2 ) 由于漂浮物撞击时间较难测量，我国海港码头结构设计手册规定流冰撞击力的 计算公式为： 尸= 七砌石 ( 2 9 ) 大连理工大学硕士学位论文 式中，力为冰厚：y 为流冰速度；三和6 为流冰的长度( 沿运动方向) 和宽度，均以m 计；五是与冰的极限抗压强度盯有关的系数。 流冰撞击力属于瞬间荷载，一般不会引起结构的连续振动，因此对海洋平台的影响 不大。 2 4 2 冰排作用力 冰排与结构相互作用产生的荷载其大小和形式与冰排的破坏形式，冰速，结构形状 等有关。冰排对海洋平台结构的作用破坏形式一般可分为挤压破坏、屈曲破坏和弯曲破 坏三种，相应地动冰力时程也分为挤压冰力时程、屈曲冰力时程和弯曲冰力时程。冰排 的破坏类型不同，对结构物的作