（工程力学专业论文）基于性能的抗冰导管架结构风险设计研究.pdf

大连理工大学博士学位论文 摘要 基于性能的结构设计是使设计出的结构在未来的灾害荷载下能够维持所要求的性 能水平，它要求在结构设计中从以往只注重结构的安全，向全面注重结构的性能、安全、 经济等诸多方面发展。针对我国渤海边际油田抗冰导管架平台设计中出现的问题一基于 极端静冰荷载，没有考虑冰激振动带来的巨大风险。本文结合“8 6 3 ”国家高技术研究 发展计划“新型平台抗冰振技术”( 编号2 0 0 1 a a 6 0 2 0 1 5 ) 项目，对边际油田抗冰导管 架结构进行基于性能的风险设计，建立了柔性抗冰结构的失效模式，即设计准则，并提 出了相关判据；基于投资效益准则进行海洋平台抗冰振设计，将此转化为以结构整个 寿命周期内总费用最小为目标函数的结构最优设计问题。本文研究内容包括如下几个方 面： 第一章介绍了本研究的背景、意义，回顾了边际油田抗冰结构设计思想的发展概况， 概括了抗冰结构动力分析与优化设计的研究状况以及本文的研究工作。 第二章从投资一效益准则、结构寿命周期内总费用评估、初始造价评估、结构失效 损失值估计等方面；对基于性能的抗冰导管架结构设计理论中的有关问题进行了讨论， 认为抗冰结构的动力分析及失效模式，即设计准则是基于性能设计的瓶颈。 第三章基于现场原型试验，对取得的冰荷载研究成果进行了归纳，并且通过对渤海 辽东湾抗冰结构及上部设施的实时测量，进一步明确冰激振动对边际油田抗冰导管架结 构的影响。本章研究为抗冰结构性能设计的失效模式及结构动力分析提供可靠的理论基 础。 第四章基于多年现场冰与结构作用观测以及冰荷载的研究成果，明确了冰激振动对 抗冰导管架直立结构和锥体结构的影响，即冰致抗冰结构动力放大明显。通过对失效构 件的力学分析、春季检修法兰松动统计、法兰松动失效机理解释及室内试验，进一步论 证了渤海石油柔性抗冰结构的动力失效模式，并确定了各种失效模式的失效判据。分析 结果表明，渤海特殊的环境条件及石油分布决定了渤海导管架平台为典型的柔性抗冰结 构；冰振不仅可以引起显著的管结点疲劳应力：还可以引起较大的甲板加速度响应，危 害平台上部管线的安全，降低作业人员的工作效率。 第五章基于前一章节对抗冰结构失效模式的分析，建立了冰激振动下结构的动力失 效量化分析方法。包括基于监测的抗冰结构疲劳寿命估算、冰激振动对作业人员的风险 评估、以及冰激抗冰平台上部管线系统的振动分析。本章研究弥补了抗冰结构设计和安 全评估中忽略冰激振动的不足，很大程度上促进了现役抗冰平台在冰激振动下的安全评 估，为形成更好的平台失效标准创造良好的理论基础。 基于性能的抗冰导管架结构风险设计研究 第六章针对抗冰海洋平台不同类型的失效模式，提出了相应的可靠度计算方法。首 先，利用m o n t e c a r l o 随机抽样，通过对大量样本统计分析，得到了冰区导管架海洋平台 结构整体抗力及极值冰力响应的概率统计，在此基础上提出了冰区海洋平台整体可靠度 分析的高效近似算法。其次，采用首次超越破坏机制来研究海洋平台冰振动力可靠性问 题；最后，结合现有的冰疲劳环境荷载及冰力谱函数，提出了相对冰速、冰厚随机冰载 的等效应力幅值的近似计算方法，进行疲劳寿命及可靠性分析。本章的研究是基于性能 的抗冰结构风险设计中的基本工作。 第七章基于投资一效益准则进行海洋平台抗冰振设计，将此转化为以结构整个寿命 周期内总费用最小为目标函数的结构最优设计问题。确定了冰区海洋平台全寿命总费用 的评估模型：考虑了抗冰平台结构多种类型的性能要求( 结构、设备、人员) ，建立极 端冰荷载和动冰荷载下各种失效模式的损失值评估方法。基于先前建立的抗冰结构各种 失效模式的失效概率计算，以渤海某抗冰平台为例，实现了全寿命总费用最小的抗冰海 洋平台优化设计。结果表明，基于投资效益准则的风险设计模型对冰区海洋平台最优 设计是可行的，并且与基于规范的静力设计和考虑动力的最优设计相比更加合理。 最后，对全文工作进行总结，并提出了需要进一步研究的内容。 关键词：基于性能的设计；抗冰导管架结构；冰激振动；失效模式；振动分析；失效概 率；总费用；失效损失；全寿命优化 大连理工大学博士学位论文 p e r f o r m a n c eb a s e dr i s kd e s i g nr e s e a r c ho fi c e - r e s i s t a n tj a c k e t s t r u c t u r e s a b s t ra c t p e r f o r m a n c e b a s e dd e s i g ni san e wc o n c e p ta n dm e t h o d o l o g yf o rs e i s m i ce n g i n e e r i n g i nr e c e n ty e a r s t h er e a s o n a b l ed e s i g ni st oc o n s i d e rs t r u c t u r a lp e r f o r m a n c e ，s a f e t y ，e c o n o m y ， e t c c o s t e f f e c t i v e n e s sc r i t e r i o na n d “i n d i v i d u a t i o n ”p e r f o r m a n c eo fi c e - r e s i s t a n tp l a t f o r m s a r cc r i t i c a l p r i n c i p l e i np e r f o r m a n c e - b a s e dd e s i g n ，c o n s i d e r i n gn o t o n l ye n g i n e e r i n g t e c h n o l o g yf a c t o r sb u ta l s oe c o n o m i c a l ，s o c i a la n dp o l i t i c a lc o n s e q u e n c e s i no r d e rt oi m p r o v e t h eo r i g i n a ld e s i g no fi c e r e s i s t a n tj a c k e ts t r u c t u r e s ，o n l yb a s e do ne x t r e n m es t a t i ci c el o a d a n dn o tc o n s i d e r i n gt h es i g n i f i c a n tr i s k si n d u c e db yi c ev i b r a t i o n s ，i nt h em a r g i n a lo i lf i e l do f b o h a is e a ，w i t hf i n a n c i a ls u p p o r t so ft h en a t i o n a lh i g h - t e c hr e s e a r c hd e v e l o p m e n tp r o j e c t ( n o 2 0 0 1 a a 6 0 2 0 1 5 ) ，as t u d yo np e r f o r m a n c eb a s e dr i s kd e s i g nr e s e a r c ho fi c e - r e s i s t a n t j a c k e ts t r u c t u r e si sc o n d u c t e di nt h i sp a p e r t h em a j o rc o n t e n t sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： i ns e c t i o n1 ，t h eh i s t o r yo fd e s i g ni d e ao fi c e - r e s i s t a n ts t r u c t u r e si nm a r g i n a lo i lf i e l d ， t h eb a c k g r o u n da n d a i mo ft h i sp a p e ra r ci n t r o d u c e da n dt h em a i nw o r ki sd r a w i n go u t i ns e c t i o n2 ，f r o mc o s t - e f f e c t i v e n e s s ，l i f e c y c l ec o s tm o d e l ，i n i t i a lc o s t ，a n dd a m a g e c o s t s ，s o m er e l e v a n tq u e s t i o n so fp e r f o r m a n c e b a s e dd e s i g no fi c e r e s i s t a n tj a c k e ts t r u c t u r e s a r ed i s c u s s e d i ns e c t i o n3 ，b a s e do nt h ef u l l s c a l ef i e l dt e s t s ，t h ec u r r e n ta c h i e v e m e n t so fi c el o a da r e s u m m a r i z e d ，a n dt h ea f f e c t i o no fi c e - r e s i s t a n t s t r u c t u r e si n d u c e db yi c ev i b r a t i o n si s e s t a b l i s h e d t h i sr e s e a r c hp r o v i d e sr e l i a b l et h e o r yb a s i sf o rf a i l u r em o d e sa n dd y n a m i c a n a l y s i si np e r f o r m a n c e b a s e dd e s i g no fi c e - r e s i s t a n tj a c k e ts t r u c t u r e s i ns e c t i o n4 ，b a s e do nt h ef u l l - s c a l ef i e l dt e s t sa n di c el o a dr e s e a r c h ，i ti sp o i n t e do u t t h a tt h ep h e n o m e n o no fd y n a m i cm a g n i f y i n gi so b v i o u so nb o t ho fv e r t i c a ls t r u c t u r e sa n d c o n i c a ls t r u c t u r e s t h ef a i l u r em o d e sa n a l y s i sf o ri c e - r e s i s t a n tp l a t f o r m si nb o h a ib a yi s d i s c u s s e da n dt h ee v a l u a t i o nc r i t e r i aa r eg i v e nf r o mt h em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ，v i b r a t i o ne x p e r i m e n t a t i o n ，e t c t h er e s u l t si n d i c a t et h a tu n d e re x t r e m es t a t i ci c e l o a dt h es a f e t yr e s e r v e so fi c e r e s i s t a n tj a c k e tp l a t f o r m sa r eg r e a t e r ，a n dt h es t r u c t u r e sc o u l d w i t h s t a n dt h ep u s h - o v e ri c ef o r c e b u tt h ei c e - i n d u c e dv i b r a t i o n sn o to n l yc a u s es i g n i f i c a n t c y c l i c a ls t r e s so ft u b en o d e sb u ta l s og r e a ta c c e l e r a t o r yr e s p o n s e ，w h i c hc a ne n d a n g e rt h e p i p e l i n es y s t e m so nt h ep l a t f o r ma n dd i s c o m f o r tt h ec r e wm e m b e r s ，e v e na f f e c t i n gw o r k e f f i c i e n c y i ns e c t i o n5 ，b a s e do nt h ef a i l u r em o d e sa n a l y s i si nt h ep r e - c h a p t e r ，f a i l u r eq u a n t i z a t i o n e v a l u a t i o no ft h ei c e r e s i s t a n ts t r u c t u r ei n d u c e db yi c ev i b r a t i o n si sb u i l t ，i n c l u d i n gf a t i g u el i f e i i i e s t i m a t i o nb a s e do nt h ed a t am o n i t o r e d ，r i s ka s s e s m e n to fc r e wm e m b e ri n d u c e db y d y n a m i c j c e ，d y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i so fp i p e l i n es y s t e me x p o s u r et oi c e i n d u c e dv i b r a t i o no n o f f s h o r ep l a t f o r m s t i l i sw o r ki m p l e m e n t ss h o r t a g e so fi c e r e s i s t a n ts t r u c t u r ed e s i g na n dr i s k a s s e s m e n t i ns e c t i o n6 ，ac e n t r a l i s s u ei np e r f o r m a n c eb a s e d d e s i g ni sd i f f e r e n tr e l i a b i l i t ya n a l y s i s s u c ha st h eg l o b a lr e l i a b i l i t yu n d e re x t r e m ei c el o a d ，s t r u c t u r ed y n a m i c r e l i a b i l i t ya n df a t i g u e l i f ei n d u c e db yi c ev i b r a t i o n f i s t l y ，t h es t a t i s t i c a lp r o p e r t i e so ft h eg l o b a lr e s i s t a n c ea n d e x t r e m er e s p o n s e so ft h ej a c k e t p l a t f o r m si nb o h a ib a ya r es t u d i e d ，c o n s i d e r i n gt h e r a n d o m n e s so fi c el o a d ，d e a dl o a d ，s t e e le l a s t i cm o d u l u s ，y i e l ds t r e n 。g t ha n ds t r u c t u r a lm e m b e r d i m e n s i o n s t h e n ，a ne f f i c i e n ta p p r o x i m a t em e t h o do ft h eg l o b a lr e l i a b i l i t ya n a l y s i sf o rt h e o f f s h o r ep l a t f o r m si sp r o v i d e d ，w h i c hc o n v e r t st h e i m p l i c i tn o n l i n e a rp e r f o r m a n c ef u n c t i o ni n t h ec o n v e n t i o n a lr e l i a b i l i t ya n a l y s i st ol i n e a re x p l i c i to n e s e c o n d l y ，d y n a m i cr e l i a b i l i t yb a s e d o nf i s tp a s s a g eb r e a k a g em e c h a n i s mi s a n a l y z e d l a s t l y ，b a s e do ni c ef a t i g u el o a da n di c e f o t e es p e c t r u m ，t h ea p p r o x i m a t ee x p l i c i tf o r m u l ao fn o d e ss t r e s sw i t hr e s p e c tt ot h ei c e v e l o c i t ya n dt h i c k n e s si se s t a b l i s h e d t h ef a t i g u el i f ei n c l u d e st w os t a g e s ，c r a c kg r o w t ha n d p r o p a g a t i o n ，w h o s et i m e - d e p e n d e n tr e l i a b i l i t i e sa r ea n a l y z e db a s e do nt h es nf o r m u l aa n d p a r i sf o r m u l a ，c o n s i d e r i n gt h er e s i s t a n c ed e g r a d a t i o no f t u b u l a r o i n t s i ns e c t i o n7 ，t h eo p t i m u md e s i g nm o d e lo fm i n i m i z a t i o ne x p e c t e dl i f e c y c l ec o s tf o r i c e r e s i s t a n t p l a t f o r m sb a s e do nc o s t e f f e c t i v e n e s s c r i t e r i o ni s p r o p o s e d m u l t i p l e p e r f o r m a n c ed e m a n d s ，s u c ha ss t r u c t u r e ，f a c i l i t i e sa n dc r e wm e m b e r s ，a s s o c i a t e df a i l u r e j u d g e m e n tc r i t e r i o n ，c o s t so fc o n s t r u c t i o n ，c o n s e q u e n c e so fs t r u c t u r a lf a i l u r em o d e sj n c l u d i n g d a m a g e ，r e v e n u el o s s ，d e a t ha n di n j u r ya sw e l la sd i s c o u n t i n gc o s to v e rt i m ea r ec o n s i d e r e d i no r d e rt od e m o n s t r a t et h el i f c c y c l ec o s t e f f e c t i v e n e s sf o rt h ed e s i g no fi c e r e s i s t a n t p l a t f o r m s ，i l l u s t r a t i v ed e s i g ne x a m p l eo fat y p i c a lp l a t f o r ma g a i n s ti c el o a d si nb o h a is e ai s d i s c u s s e d t h eo p t i m a ld e s i g ni sp r o p o s e da n da s s e s s e df r o mt h eg e n e r a t i o no fc o s t b e n e f i t r e l a t i o n s h i p s f r o mt h er e s u l to ft h en u m e r i c a li n v e s t i g a t i o n i tm a yb ep o s i t i v e l ys t a t e dt h a t t h el i f ec y c l ec o s t e f f e c t i v eo p t i m u md e s i g nm o d e lp r o p o s e dw i l ll e a dt oam o r er a t i o n a l ， e c o n o m i c a la n ds a f e rd e s i g nc o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a ls t a t i c d e s i g na c c o r d i n gt o s t a n d a r dd e m a n da n dt h eo p t i m u m d e s i g no n l yc o n s i d e r i n gd y n a m i cd e m a n d k e yw o r d s ：p e r f o r m a n c eb a s e dd e s i g nzi c e r e s i s t a n tj a c k e ts t r u c t u r e ；i c e - i n d u c e d v i b r a t i o n ；f a i l u r em o d e s ；v i b r a t i o na n a l y s i s ；f a i l u r ep r o b a b i l i t y ；l i f e - c y c l ec o s t ； f a i l u r el o s sc o s t ；l i f e - c y c l eo p t i m u md e s i g n i v 独创性说明 作者郑重声明：本博士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。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。 作者签名： 大连理工大学博士学位论文 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： 大连理工大学博士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景及意义 进入2 1 世纪，随着国民经济的腾飞，我国大量的资金投入到基础设施的建设，大 量的大型复杂结构需要设计、施工和建设。日益增长的新需求和新挑战使结构工程界面 临不断出现的新问题、新困难。为了满足新需求，围绕结构形式、建筑材料和施工技术 人们不断提出新的对策。新需求、新问题、新对策的互动发展，要求结构工程界建立新 的设计理念和概念、新的设计理论和方法。 在设计和建造我国当代大型复杂结构系统时，设计者面临很多的科学问题。例如， 大型复杂结构的设计和建造投资相当大，要求人们以尽可能少的投入来建设具有较高的 安全度、较强的适应环境和抵御灾害能力、功能要求更为复杂的结构。设计人员必须改 变单纯的技术观点，必须从社会经济技术的角度来比较设计方案，在设计中要有系统 的、全局的和全寿命的观点，要考虑能源、环境的可持续发展，这些都迫切需要我们提 出新的结构设计理念和设计方法予以解决。 最近，国际上关于复杂结构系统的设计思想和方法有了重大发展，基于可靠性概念 的结构设计方法、基于模糊性的结构设计方法、基于生命周期成本概念的结构耐久性设 计方法、工程项目全系统全寿命优化方法等【删。其中，基于性能的结构设计思想是近年 来发展起来的一种设计理念，它是使设计出的结构在未来的灾害下能够维持所要求的性 能水平，它要求在结构设计中从以往只注重结构安全，向全面注重结构的性能、安全及 经济等诸多方面发展。投资效益准则和结构目标性能的“个性 化是基于性能设计的 重要思想。基于性能的设计克服了结构设计规范的局限性。在基于性能的设计中，明确 规定了结构的性能要求，而且可以用不同的方法和手段去实现这些性能要求，这样可以 使新材料、新结构体系、新的设计方法等更容易得到应用。而目前广泛采用的结构设计 方法实际上是基于规范准则，而不是基于性能准则，即目前的常规设计是完全按照规范 的要求进行的，没有明确结构的实际性能水平。图1 1 从目标性能的确定、设计方法和 检验方法的选取和最后实现的性能水平等方面，对常规设计和基于性能的设计过程做了 对比1 1 7 1 1 。 基于性能的设计思想在结构抗震领域引起了各国广泛的重视，美、日等国都投入许 多力量进行研究，以希望在不远的将来把现行的结构抗震设计规范全面过渡到基于性能 的结构抗震设计规范。基于性能的结构设计代表了未来结构设计的发展方向，应该在航 空、汽车、建筑结构、海洋工程等大型复杂结构体系中继续得到应用与发展。本文在这 样的环境之下，以抗冰结构为研究对象，将基于性能的结构设计理念应用到抗冰结构的 基予l 生能的抗冰导管架结构风险设计研究 设计中，借以推动我国“十五”渤海大油田勘探开发战略的实施：同时将抗冰结构的设 计、维护和安全评定提高到一个新的水平，为边际油气资源的安全开采提供可靠的保证， 这也是本文研究的意义所在。 常规设计 j规范设计 r 采用规范规定 的设计方法 上 满足规范要求 实际性能水平 不确定 目标性能 ，、 设计方法 检验方法 lo 实现的性能 基于性能的设计 i 业主明确设定 1r 设计人员选择适 当的方法 土 满足目标性能 性能水平明确 图1 1 常规设计和基于性能设计过程的对比 f i g 1 1c o m p a r i s o no f t h ep r o c e s sb e t w e e nn o r m a ld e s i g na n dp e r f o r m a n c eb a s e dd e s i g n 1 2 渤海抗冰导管架结构设计思想发展 自1 9 4 7 年墨西哥c o u i s s a n a 海域建造第一座钢质海洋石油开采平台以来，世界上已 建造近6 0 0 0 座海洋平台。我国自2 0 世纪6 0 年代起开始在渤海勘探和开发海上石油以 来，目前已经建成1 0 0 余座。资料显示，2 0 0 4 年渤海海域油气当量产量突破1 0 0 0 万立 方米；渤海海域将在2 0 1 0 年实现年产2 5 0 0 - - - 3 0 0 0 万立方米油气当量的生产规模，届时 渤海油田将成为中国的第2 大油田【1 , 2 1 。目前我国已探明的油气储量主要在浅海，储量约 1 3 亿吨，其中一半近5 亿吨属于边际油田( 边际油田是指现金流量的贴现值为零的油气 田) 。如何有效地开发这部分资源，对推动我国经济的发展具有十分重要的意义吲。 我国渤海的油气资源主要是由边际油田组成，其所处的海洋环境十分复杂和恶劣， 承受着风、海浪、海流、潮汐、地震等荷载的威胁。近些年的现场监测发现，冰对海上 建筑物的作用要远比其他荷载的影响甚大，因此冰荷载是渤海海洋结构设计的控制荷 2 大连理工大学博士学位论文 载。特别是围绕渤海石油开发的海洋工程建设中，抗冰结构设计是重要的内容，保守与 风险的设计都直接影响油田的开发。 目前，抗冰海洋平台主要以固定式平台为主，靠打桩或自身重量固定于海底，它又 可分为桩式平台和重力式平台两种。桩式平台通过打桩的方法固定于海底，其中钢质导 管架平台是目前海上使用最广泛的一种平台，属于窄结构。而重力式平台则依靠自身重 量直接置于海底，这种平台的底部通常是一个巨大的混凝土基础( 沉箱) ，由三个或四 个空心的混凝土立柱支撑着甲板结构，属于宽大结构。在这两类抗冰结构中，导管架结 构比较经济，适用于边际油田。而沉箱结构造价相对昂贵，适用于油藏比较丰富的海域， 结构特点是需要大量的砂石填料，通常建于附近土源充足的浅海区域。因此，我国渤海 边际油田大都采用比较经济的导管架结构。 抗冰导管架平台最早出现在美国阿拉斯加库克湾油田。1 9 6 4 年美国在阿拉斯加库克 湾建造了世界第一座抗冰导管架平台，至1 9 8 6 年已建成1 5 座平台。我国早在1 9 6 6 年 开始在渤海建造抗冰海洋平台，到目前为止，已经建立了几十座抗冰海洋平台。渤海抗 冰平台设计经历一个从认识到发展过程，大致可以经历了三个阶段： 第一个阶段在1 9 6 9 年渤海冰封期间，我国“老二号 平台在海冰的巨大推力下倒 塌n 。这一阶段由于缺乏海冰的认识，设计中采用铁路规范，没有进行冰力核算，造成 平台不具备抗冰能力，设计很不合理。 第二个阶段在1 9 7 0 1 9 8 6 年间，标志事件是埕北油田的开发。该油田是中日合作开 发的，照搬了库克湾抗冰平台的设计，将设计条件大大提高，导致平台仅导管架重量就 达到1 8 0 0 吨，过于保守的设计直接影响了油田的生产成本。 第三个阶段在1 9 8 7 2 0 0 4 年间，标志事件是j z 2 0 。2 气矿的开发。在经历了过于风险 与过于保守的平台设计经验教训后，我国深刻认识到独立开展抗冰结构设计研究的重要 性。j z 2 0 2 平台是我国独立自主设计建造的抗冰平台，平台的设计比较合理经济，保证 了平台在极值冰力下的安全，但是平台投入运行后，发现比较严重的冰激振动问题。为 了降低冰激振动，在世界上首次安装破冰锥体安装，大大降低了静冰力的作用，但监测 发现冰激振动仍然很强烈。与库克湾平台相比，渤海的抗冰平台属于典型的柔性结构， 其动刚度大约为1 h z ，而这个频率刚好是冰破碎的频率范围，因此强烈的冰激振动是无 法避免的。 由于冰荷载研究的限制以及冰与结构相互作用的复杂性，目前的抗冰结构设计主要 是考虑极限冰力引起的破坏，尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计叫们。历史上， 曾经发生过很多海洋结构被冰破坏的事故，概括起来分为两大类：一是在冰区海洋资源 开发的早期，人们对冰荷载以及抗冰结构的认识匮乏，再加上严重的冰情，造成抗冰结 3 基于性能的抗冰导管架结构风险设计研究 构的倒塌叫驯。例如，1 9 6 3 年美国库克湾的两座简易平台被冰推倒。1 9 6 9 年渤海冰封期 间，我国“老二号”平台在海冰的巨大推力下倒塌n 。1 9 7 0 年芬兰波斯尼亚湾的灯塔被 流冰推倒。1 9 7 7 年我国“海四井”的烽火台也被冰推倒。二是冰与结构的相互作用产生 周期性荷载，导致结构发生强烈的冰激振动，对结构的安全、平台上部设施的正常运行 以及作业人员的舒适性都构成很大的威胁。从上世纪六十年代美国在阿拉斯加库克湾的 导管架采油平台就发现了冰激振动现象“瓠。七十年代波斯尼亚湾的灯塔在冰振的作用下 被冰倒塌n 副。八十年代波福海的m o li g p a c 沉箱在冰激振动下地基发生砂土液化，下沉 1 m 左右n7 1 。我国渤海自八十年后期，在渤海辽东湾地区相继建造的多座平台，也发现了 比较剧烈的冰激振动现象n 引，2 0 0 0 年冬天，j z 2 0 - 2 m s w 平台上部的放空管线由于冰激振 动产生剧烈晃动而发生断裂；同年剧烈的冰振也造成平台上部连接法兰松动而导致天然 气的泄漏，平台关井停产“钔；持续的冰激振动对j z 2 0 2 m u q 、j z 9 3 平台的作业人员也产 生影响，降低了舒适度和工作效率，严重时会危害其身心健康。 如前所述，冰激振动引起抗冰结构的危害，已经使寒区工程界对现有抗冰结构设计 思想和方法进行深刻的反思，设计者认识到必须从以往只注重结构安全，向全面注重结 构的性能、安全及经济等诸多方面发展；并且业主对结构有了更多的性能要求，比如安 全性、舒适性、经济性和易维护性等。因此，有必要从性能的观点对抗冰结构设计思想 和方法进行反思，而基于性能的抗冰导管架结构风险设计研究就是在这种背景下提出 的。 1 3 抗冰导管架结构设计的主要问题 目前基于极端静冰力设计和安全评估的抗冰导管架结构在实际应用中已经暴露出 诸多问题，这就要求抗冰结构的设计规范和安全评定不仅仅只给出静力方面的要求，同 时还应过多的考虑冰激振动问题，即结构本身、上部设施、作业人员等多种性能要求。 并且由于海冰环境和结构本身存在诸多不确定因素，平台在整个寿命期存在很多风险， 确定性的静力设计不可避免地存在一些问题。因此，需要对冰区柔性抗冰结构的失效模 式及相关判据进行研究；基于多种失效准则对抗冰结构进行风险设计。由于冰荷载研究 的限制以及冰与结构相互作用的复杂性，抗冰导管架结构设计发展缓慢，存在的问题如 下： 1 3 1 冰荷载问题 冰荷载的研究是抗冰导管架结构基于性能风险设计的前提。冰与风和浪对结构的作 用类似，包含了静力和动力作用。确定了极值静冰力，可以基本估算结构需要具备的静 刚度和强度，保证结构不会被极端冰荷载推倒。静冰荷载对平台结构的作用因海冰不同 4 大连理工大学博士学位论文 的破坏形式而不同，一般采用当海冰呈现挤压破坏时的冰力作为设计冰荷载。各国学者 提出了不同的静冰力计算公式( 岳前进，1 9 9 6 ) ，其中被普遍认可而且在海洋平台设计 中广泛采纳的冰力计算公式为；k o r z h a v i n a f a n a s e v 公式( 简称k - a 公式) 和s c h a w z 公式。冰与结构作用是一个动力过程，结构在动冰力作用下产生振动。只有确定了动冰 力的形式、大小以及周期情况，才可以对结构的振动响应准确评估，确保结构、上部设 施、人员在冰激振动下的安全。尽管冰荷载的研究已经有几十年的历史，相对波浪、地 震、风荷载的研究，整体水平仍然不高。并且由于各国海域冰情、结构形式差别很大， 再加上自然界中冰材料性质以及海冰与结构作用大声破坏的机理非常复杂，冰荷载问题 本身难度较大。 目前，抗冰结构的设计规范中，通常只给出最大静冰力的计算公式。对于动冰荷载， 还没有合适、统一的计算方法。因此，抗冰结构的设计和安全评定基本是基于极端静冰 荷载来进行设计和校核。对于动力效应，在设计上只是增加结构的刚度来保证一定的安 全裕度：在安全评估中基本是一片空白，没有考虑冰激振动问题。本文抗冰海洋平台失 效模式研究以及基于性能的风险设计是基于岳前进、屈衍等根据多年的现场原型结构监 测得到的适用性的冰力模型开展的。 1 3 2 冰激振动问题 冰与结构的相互作用是一个相互耦合的过程，结构的型式对冰力的形式、大小以及 冰力机理都有很大的影响。根据与冰作用处结构形式的不同，现有冰区海洋结构可以分 为两种：一是直立结构，另一种是锥体结构。不同尺度的结构由于结构动力特性差别很 大，对冰荷载的响应也不同。冰对结构作用产生的振动是影响冰区海洋平台结构安全运 营的重要因素。冰激直立结构的振动是p c y t o n 和b l e n k a m 在美国阿拉斯加库克湾的导 管架平台上进行冰力测量时首先发现【2 卜2 2 l ：之后，e n g c l b r c k t s o n 、m a a t t a n c n 、y u ca n d b i 在不同结构上都发现了严重的冰激振动现象【1 6 , 1 8 , 2 3 】。锥体结构上的冰激振动问题主要发 生在我国渤海的海洋平台上，y u c 对测量得到的冰力及振动进行了分析，认为在窄锥结 构上的冰力具有一定的周期性，当周期与平台固有周期接近时，会引起平台强烈振动1 2 4 1 。 由于冰激振动机理复杂，而且对结构形式很敏感，尽管国内外学者对此问题的研究持续 不断，但目前为止还没有定论。 实际监测发现，冰连续地作用引起结构剧烈振动，影响平台工作人员的安全和舒适 性，也直接影响到生产作业；同时，长期的冰激结构疲劳累积损伤效应会导致结构抗力 衰减，甚至会引起结构因抗力不足而失效。因此，为了保障现役抗冰海洋平台的安全运 行及新建平台的合理设计，冰与结构相互作用下结构的失效模式有必要深入的研究。本 文基于多年现场冰与结构作用观测以及冰荷载的研究成果，分析了冰激振动对抗冰导管 5 基于i l 生能的抗冰导管架结构风险设计研究 架直立结构和锥体结构的影响；基于此对渤海石油柔性抗冰结构的失效模式进行了研 究。 1 3 3 抗冰结构的失效模式问题 目前，抗冰海洋平台的规范设计及安全评估一般只考虑极端静冰力的作用，忽略了 动冰力的影响。由于对冰荷载、环境条件及冰振对结构的影响认识还不够清楚，冰区抗 冰结构的设计准则是从极端荷载出发，即只考虑最大静冰力或最大倾覆力矩是否能推倒 平台，而忽略了交变动冰力造成平台的各种失效模式。究其原因主要是对动冰荷载、疲 劳环境条件、结构失效模式还没有清楚的认识。因此，很大程度上限制了抗冰结构动力 分析，疲劳寿命分析以及上部设施与作业人员在冰激振动下的评估。对于现役冰区海洋 平台结构的整体安全性已经在设计规范中详细考虑，其结构储备强度相当保守，即认为 服役期内平台的整体安全性得到保障。基于对渤海导管架平台的多年监测，发现冰激振 动引起平台管节点疲劳失效、上部设施的正常使用、作业人员感受问题的风险性要远大 于极端荷载下结构的整体安全问题。因此，无论是平台安全保障，还是平台的优化设计 都应该明确抗冰导管架结构作业系统的设计准则。 1 3 4 抗冰结构的设计问题 对于冰区边际油田，必须建造即经济又抗冰的平台，因而具有很大的风险。国际上 还没有类似的开发经验，也缺乏系统的研究。我国在开发渤海石油资源时，对海洋平台 开展了很多研究，但主要是针对平台结构设计的。由于在较长的时期内，国际油田低迷， 平台设计的主要指导思想是降低造价。在抗冰平台设计研究尚不完全清楚的情况下，采 用简易平台设计思想，必然导致平台可靠性下降。目前抗冰结构的设计仍然是按照设计 规范要求，采用“试算验证修改 设计方法进行，这种设计方法需要多次重复“试算- 验证修改”过程，耗费大量的人力资源和设计时间，并且所得到的设计方案往往只是 满足规范要求的一种方案( 不一定是最好的或较好的) 。从抗冰结构在冰激振动下暴露 出来的问题看，目前的设计往往只考虑了极端静冰荷载，而没有涉及到动冰荷载的设计。 在结构的性能方面，目前的设计只考虑了结构本身单一的性能要求，只考虑最大静冰力 或最大倾覆力矩是否能推倒平台，而忽略了在实际应用中暴露出的诸多问题，比如冰激 振动引起的人员不舒适感和甲板上部设施( 如管线断裂和法兰松动的问题) ，这些都对 抗冰平台的设计提出了新的要求，即应当考虑结构、管线、人员等多种性能要求。 渤海海洋环境复杂，存在着许多不确定性，如与冰荷载有关的冰厚、冰速、冰向、 冰强度等具有随机性，同时由于海水的腐蚀等作用，海洋平台结构的抗力性能随时间也 会发生退化。同时，由于在海洋平台的设计中，还存在着包括结构本身特性、失效模式 6 大连理工大学博士学位论文 及分析方法等诸多不确定性，因此，如何考虑平台从设计、建造、使用、维护直至失效 报废等整个服役期内存在的各种风险，按照传统的确定性设计方法对其进行结构设计， 显然不尽合理。因此，要逐步从单一性能的确定性的常规设计，过渡到更加合理的多性 能的风险设计。 1 4 研究现状 近些年来，有关海洋平台结构的研究中，对波浪、地震、风荷载下结构系统的模型 化、静动力学分析、安全评定、优化设计方面的研究比较深入。随着数学领域优化方法、 工程结构优化以及复杂结构系统的设计思想的不断发展，海洋平台的优化研究也日益增 多。这些工作的开展为冰区边际油田抗冰平台的研究提供了坚实的基础。由于在较长的 时期内，国际油