（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）在役自升式平台桩腿的疲劳寿命评估.pdf

中文摘要 自升式平台是海上石油开发的主要工程结构之一。桩腿是自升式平台的重要 组成部分。桩腿在海洋环境中会受到波浪的循环作用，在桩腿结构上会产生循环 变化的交变应力。虽然应力水平低于材料的屈服强度，但是在长期的交变应力的 作用下，桩腿有可能产生的疲劳破坏。因此对自升式平台的桩腿进行疲劳强度分 析和寿命预测，有着重要的意义。 本文综述了海洋平台疲劳寿命预测的研究现状。研究了桩腿在风、浪、流等 环境载荷作用下的受力特点。在建立模型时，提出了平台主体的简化方法。研究 了影响桩腿疲劳寿命的各个因素，提出了计算自升式平台桩腿疲劳寿命的方法。 本文对作业水深6 8 米的自升式平台桩腿进行了疲劳强度计算与寿命评估。 将船体骨架简化为梁模型，考虑桩腿与船体之间的相互作用，建立了桩腿一船体 梁整体分析模型。考虑不同方向的风、浪、流的组合，计算变形和应力，得n t 桩腿的应力分布。采用a p i 规范对桩腿强度进行了校核。计算得到了桩腿的固有 频率和振型，分析了波浪作用下桩腿发生共振的可能性。计算桩腿应力响应的传 递函数，采用谱分析的理论并根据a p i 推荐的s - n 曲线，应用m i n e r 法则，预 测了桩腿管节点疲劳损伤和疲劳寿命。 本文计算分析的结果表明，桩腿底部的弦杆和与船底板相连的弦杆的应力和 变形是最大的，最有可能发生破坏。疲劳强度和疲劳寿命分析的结果表明，受波 浪影响，桩腿中部管节点的疲劳损伤最大，疲劳寿命最短，对这些部位的管节点 应足够重视。桩腿底部管节点的应力未达到疲劳极限，不会发生疲劳损伤。选取 不同的应力集中系数重新对疲劳寿命进行计算，结果表明，随着应力集中系数的 增大，疲劳寿命将大幅度减少。 关键词：自升式平台桩腿疲劳强度疲劳寿命s - n 曲线m i n e r 法则传 递函数 a b s t r a c t j a c k - u pi so n eo ft h em a j o re n g i n e e r i n gs t r u c t u r e si no f f s h o r eo i ld e v e l o p m e n t l e g i sav e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n to fj a c k - u pp l a t f o r m l e g si nm a r i n ee n v i r o n m e n t w i l lb ea f f e c t e db yt h ec y c l e dw a v e s ，a n da l t e r n a t i n gs t r e s s e sw i l la p p e a ro nt h el e g s a l t h o u g ht h es t r e s sl e v e li sb e l o wt h ey i e l ds t r e n g t h , l o n g - t e r me x p o s u r et ot h e a l t e r n a t i n gs t r e s s e sm a ym a k et h el e g ss u f f e rt h ef a t i g u ed a m a g e s oi th a si m p o r t a n t s i g n i f i c a n c et oa p p l yf a t i g u es t r e n g t ha n a l y s i sa n df a t i g u el i f ep r e d i c t i o nt ot h el e g so f j a c k - u pp l a t f o r m t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h er e s e a r c hs t a t u so ff a t i g u el i f ep r e d i c t i o nf o ro f f s h o r e p l a t f o r m t h e f o r c ec h a r a c t e r i s t i c so fl e gh a v eb e e ns t u d i e dc o n s i d e r e dt h e e n v i r o n m e n tl o a dc o m b i n a t i o no fw i n d , w a v ea n dc u r r e n t w h e ne s t a b l i s h 也em o d e l a s i m p l i f i e dm e t h o df o rh u l li sp u tf o r w a r d c o n s i d e r e df a c t o r sw h i c hh a v ei n f l u e n c eo n t h el e g sf a t i g u e ，am e t h o dt oc a l c u l a t et h ef a t i g u el i f eo fl e gi sp u tf o r w a r d t h i st h e s i sw i l lc a c u l a t ef a t i g u es t r e n g t ha n de v a l u a t ef a t i g u el i f ef o raj a c k u p s l e g ，t h ew a t e rd e p t hi no p e r a t i o nc o n d i t i o ni s6 8m e t e r t h ef r a m e w o r ko fh u l li s s i m p l i f i e d t oag i r d e rm o d e l ，c o n s i d e r e dt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h eh u l la n d l e g s ，e s t a b l i s h e dt h el e g - h u l l sg i r d e ra n a l y s i sm o d e l t h ed e f o r m a t i o na n ds t r e s sw i l l b ec a c u l a t e d ，c o n s i d e r e dt h ec o m b i n a t i o no fw i n d , c u r r e n ta n dw a v ei nd i f f e r e n t d i r e c t i o n s ，a n dr e c e i v e dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o ni nl e g s t h er e s u l tw i l lb ec o m p a r e dw i t h t h er e g u l a t i o no fa p i t h e nw ew i l ld ov i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i so nt h el e g s ， c a l c u l a t et h en a t u r a lf r e q u e n c i e so fl e g s ，c o m p a r et h e mw i t hw a v ef r e q u e n c i e s ，a n d e s t i m a t et h ep o s s i b i l i t yo ft h el e g st or e s o n a t ew i t hw a v e s t h et r a n s f e rf u c t i o no fl e g s w i l lb ec a l c u l a t e d u s et h et h e o r yo fs p e c t r u ma n a l y s i s ，w i t hs - nc u r v es e l e c t e df r o m a p ir u l e s ，t h em i n e rl i n e a rf a t i g u ed a m a g ea c c u m u l a t i o nr u l ei su s e dt oc a l c u l a t e f a t i g u ed a m a g ea n df a t i g u el i f eo f t h et u b u l a r j o i n t so fl e g s t h er e s u l t so fs t a t i c sa n a l y s i ss h o w st h a tt h ec h o r d sa tt h eb o a o mo fl e g sa n dt h e c h o r d sc o n n e c tt ot h eb o s o md e c kh a v et h eb i g g e s tp r o b a b i l i t yt ob ed a m a g e d , b e c a u s e 也e yh a st h el a r g e s td e f o r m a t i o na n ds t r e s s t h en a t u r a lf r e q u e n c i e so fl e g si s b i g g e rt h a nt h ef r e q u e n c yo fw a v ei no p e r a t i n gc o n d i t i o n , s o i th a sv e r yf e w p r o b a b i l i t yt or e s o n a t ew i t hw a v e s t h er e s u l to fa n a l y s i so nf a t i g u es t r e n g t ha n d f a t i g u el i f es h o w st h a tt h et u b u l a rj o i n t sa tt h em i d d l eo fl e g sh a v et h eb i g g e s tf a t i g u e d a m a g ea n dh a v et h el o w e s ts u r v i v a ll i f e w en e e dt og e n e r a t ee n o u g ha t t e n t i o nt o t h e s ej o i n t t h es t r e s sa tt h et u b u l a rj o i n t sa tt h eb o t t o mo fl e g si ss m a l lt h a nt h e u l t i m a t ef a t i g u es l r e n g t h , s ot h e yw i l ln o tb ed a m a g e db yf a t i g u e t h ef a t i g u el i f ei s r e c a l c u l a t e dw i 也d i f f e r e n ts t r e s sc o n c e n t r a t ef a c t o r t h er e s u l ts h o w st h a tw i t l l 也e s t r e s sc o n c e n t r a t ef a c t o ri n c r e a s e d ，f a t i g u el i f ew i ub ed r a s t i c a l l yr e d u c e d k e yw o r d s ：j a c k u pp l a t f o r m l e g ，f a t i g u es t r e n g t h , s - nc u r v e ，m i n e rl i n e a r f a t i g u ed a m a g ea c c u m u l a t i o nr o l e ，t r a n s f e rr u c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：丝一峰 签字日期： z 口。? 年6 月午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：膛 ，一 峰 签字日期：2 。7 年月牛日 导师签名放声卅 签字日期：2 口。i 年月f 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 随着世界经济的发展，人类对于石油、天然气的需求越来越大，陆上石油经 过一个多世纪的开采，已经日趋枯竭。而海洋面积占地球表面面积的7 1 ，蕴藏 着丰富的石油、天然气资源，世界海洋石油资源量占全球石油资源总量的3 4 ， 全球海洋石油蕴藏量约1 0 0 0 多亿吨，其中已探明的储量约为3 8 0 亿吨，因此发 展海洋石油开发技术已经成为当今发展的热点。 海洋平台是指在海上进行钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供 生产和生活设施的建筑物。按其结构特性和工作状态可分为固定式、活动式和半 固定式三大类。自升式平台属于活动式海洋平台之一，这种石油钻井装置主要由 平台主体和桩腿组成，钻井时，桩腿触底，平台则沿着桩腿升离海平面一定高度； 移位时平台降至水面，桩腿升起，平台就像驳船，可由拖轮把它拖移到新的井位。 自升式平台和传统的导管架平台相比，他建造时所需的钢材少，造价低，在各种 海况下都平稳的进行钻井作业，因此，在海洋工程领域，自升式平台得到了广泛 的应用，据估计，目前自升式平台占我国移动平台总数的8 0 左右。桩腿是自升 式平台的重要组成部分，桩腿的主要作用是支撑平台在海上作业，在平台主体升 起后支撑平台的全部重量，并把载荷传至海底，一旦桩腿发生损伤，将造成重大 事故，因此，对桩腿进行静力和动力分析是十分必要的。 自升式平台结构复杂，体积庞大，同时所处的海洋环境又比较复杂，承受着 多种随时间和空间变化的随机荷载，包括风、波浪、海流，潮汐以及海冰的联合 作用。环境腐蚀、海洋生物附着、地基土冲刷与基础动力软化、材料老化、构件 缺陷和机械损伤以及疲劳和裂纹扩展的损伤积累等，都将导致平台结构构件和整 体抗力的衰减，影响结构的服役安全度和耐久性。同时，由于疲劳裂纹在事故发 生前不易察觉，具有较强的隐蔽性，因此对自升式平台尤其是桩腿进行疲劳分析 是十分必要的。 自海洋平台结构兴起的短短几十年来，因疲劳破坏而发生的事故已经发生多 起。1 9 6 5 年1 2 月2 7 日海宝石号( s e ag e m ) 正值准备移位之际，突然发生破坏而 倾覆沉没，1 3 人丧生，事后检验证明主要是由平台支柱贴角焊缝疲劳开裂所致； 1 9 6 6 - - 1 9 6 7 年间赛德柯( s e d c o ) 型三角形半潜式钻井平台1 3 5 b ，c ，e ，f 都在尾部 天津大学硕士学位论文第一章绪论 妒2 7 5 m 的水平撑杆节点发生不同程度的疲劳断裂；海探险号( s e aq u e s t ) 在欧洲北 海仅经过8 9 天的作业就发现了长达7 0 0 r a m 的疲劳裂纹，其破坏也是始于节点焊 缝附近高应力集中造成的裂纹源；墨西哥湾的一座固定平台节点焊缝疲劳断裂是 由于过多的海生物附着于构件表面，使其直径增大至6 0 0 r a m ，加大了波阻压力， 促使疲劳破坏；1 9 8 0 年3 月2 7 日6 时许，英国北海爱科菲斯科油田的a l 基儿 兰德号平台突然从水下深部传来一次震动，紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短 时间内翻于海中，虽经多方抢救仅生还8 9 人，其余1 2 3 人丧生，后调查分析弄 清事故是由于撑杆中水声器支座的疲劳裂纹萌生，扩展，致使撑杆迅速断裂，由 于撑杆断裂致使相邻五个支杆因过载而破坏，致使支撑的承重腿柱破坏，整个平 台失去平衡，2 0 分钟内平台全部倾覆，造成巨大的经济损失。疲劳事故一旦发 生，将造成巨大的经济损失和人员伤亡，因此很有必要对平台进行疲劳分析，预 测疲劳寿命。 1 2 国内外发展动态 经典的的疲劳分析方法是基于s - n 曲线和p a l s r e n m i n e r 线性累计损伤准则， 用应力范围的循环次数来表示结构的疲劳寿命。同时断裂力学作为一门新兴的学 科，在海洋工程领域的疲劳分析中得到了广泛应用。但是s n 曲线法和断裂力学 法都是确定性的分析方法，在分析过程中，把各种影响结构疲劳寿命的因素都看 成是确定性的因素，事实上，海洋平台所受的各种载荷都具有随机性，同时，由 于材料性能的分散性以及在对材料性能进行测试过程中存在不确定因素，因此， 结构对疲劳的抵抗能力也是随机的。很显然，对于海洋平台的疲劳问题，用结构 的疲劳可靠性理论来加以研究是十分适当的。海洋结构的疲劳可靠性分析所研究 的内容，大致上可以分成5 个部分：建立疲劳载荷的概率模型、建立疲劳强度的 概率模型、疲劳寿命的可靠性预测、结构系统的可靠性分析和结构的模糊疲劳可 靠性分析【l l 。 p e t e rw m a r s h a l l l 最先将结构的可靠性理论运用于海洋平台结构的风险分析 和环境荷载标准的选取，为海洋平台结构的可靠性研究奠定了基础1 2 l 。 1 9 7 4 年，b e n tb e r g e 和j o s e p hp e n z i e n 对7 个不同水深的导管架平台结构 进行了波浪动力分析，采用均值为零，平稳各态历经的高斯随机过程方向波浪谱， 用模态叠加法在频域内进行谱分析。结果表明，波浪的传递方向对平台结构的转 动响应影响很小，转动响应对平台结构的整体动力响应的影响也很小1 3 j 。 19 7 6 年，r a l e j st e p f e r s 对把p a l s r e n v l i l l e r 线性累计损伤准则应用于混凝土 结构的可行性进行了研究，为混凝土海洋平台的疲劳研究提供了参考1 4 | 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 9 7 6 年，j h v u g h _ t s 和r k k i l i f a 采用谱分析方法和波浪分布散布图， 对固定式导管架平台结构进行基于概率统计的疲劳寿命评估。结果表明：( 1 ) 应 用谱分析方法对导管架平台结构进行详细的疲劳分析是可行的。( 2 ) 应力传递函 数的系统误差可能影响应力长期分布的精确性。( 3 ) 应力传递函数的不确定主要 是由作用在结构上的波浪荷载计算引起1 5 j 。 h a l d a r 和h b k a n e g a o n k a r 应用谱分析和概率分析混合方法，考虑了非线 性波浪动力和海平面自由波动效应的影响，结果表明：( 1 ) 在波高较大的海况， 海平面的波动对结构的动力响应有重要的影响。( 2 ) 平台结构响应的概率分布函 数跟r a y l d g h 分布有偏差。( 3 ) 在波高较大的海况，应用传统的r a y l d g h 分布 计算疲劳损伤，结果偏向于不保守1 6 - 7 j 。 a g u p m 和r e s i n g h 对海洋导管架平台结构的疲劳性能进行了详细的研究， 平台结构模型简化为平面框架形式，分别考虑了节点之间的刚性连接和铰接两种 情况；桩，土结构分为桩土子结构和导管架子结构，相互连接用桩头阻抗刚度传 递矩阵，在计算桩头阻抗刚度矩阵时考虑了不同深度的土壤剪切模量的变化和临 近泥面附近桩土之间分离等因素的影响；用有义波高和平均跨零周期来表示海 况，使用p i e r s o n m o s k o w i t z 谱进行动力响应分析，用线性化的波浪理论( a e y ) 计算作用在结构上水质点的速度和加速度，同时考虑了流和海平面构件浸没深度 的影响：用不同的应力集中系数公式和s n 曲线对结构管节点进行了疲劳寿命计 算，分析了这些不确定因素对结构疲劳寿命的影响1 8 j 。 a n a e s s 和a a p i s a n o 对拖曳力为主的深水海洋平台结构的动力响应的频域 分析作了研究1 9 j 。 t m m a d h a v a np i l l a i 和a m e h e r p r a s a d 用断裂力学理论在时域内基于检测的 固定导管架平台结构疲劳可靠性进行了研究1 1 0 j 。 英国z o n o u f r i o u 阐述了用系统可靠度理论可以很好的解决目前海洋平台结 构研究中存在的问题，应用结构可靠度理论对海洋平台结构的设计、维护和检测 的益处作了详细的论述 1 1 - 1 2 j 。 国内的许多学者和专家也对海洋平台的疲劳问题进行了探索和研究。 上海交通大学的胡毓仁教授和陈伯真教授编写了船舶及海洋工程结构疲劳 可靠性一书，书中详细阐述了疲劳载荷的概率模型、疲劳强度的概率模型、疲 劳寿命的可靠性预测、以及断裂力学在疲劳可靠性分析中的应用。 石油大学的方华灿教授、陈国明教授撰写了冰区海上结构物的可靠性分析 一书，该书从可靠性分析的理论基础开始，全面介绍了冰区海上结构物所承受的 应力与材料的强度两个方面的概率特性，系统地给出了海上结构物的两种主要失 效模式( 疲劳、断裂) 可靠性分析的步骤和方法，详细地论述了含裂纹( 缺陷) 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 构件及结构整体系统安全可靠性评估的方法，并提供了计算实例i l 引。方华灿教 授在腐蚀条件下平台桩腿疲劳损伤寿命的预测一文中介绍了在海水腐蚀环境 中海上平台桩腿的疲劳寿命试验，得出了桩腿腐蚀试样及光滑试样的s n 曲线 及da dn ak 曲线，得到了服役海上平台桩腿的疲劳损伤计算方法1 14 | 。 天津大学余建星教授、郭振邦教授等对结构系统可靠性分析理论进行了研 究，并将理论运用于船舶与海洋工程结构物设计和可靠性分析评估【1 引。 2 0 0 1 年，张立由波浪环境入手，经过动力分析以及谱分析方法确定热点处 响应，然后，结合工程实例进行基于w e i b u l l 概率分布假设以及谱分析方法对海 洋平台结构疲劳可靠性进行评估i m j 。 2 0 0 1 年，孙玉武等对由槽口式改装为悬臂梁式的自升式平台进行了疲劳强 度分析，在此类平台中，井底循环钻压是最主要的疲劳载荷【1 7 j 。 2 0 0 2 年，沈恺通过谱分析的方法，以f o u r i e r 分析来模拟疲劳应力历程，采 用雨流计数法及两参数w e i b u l l 分布拟合，根据c c s 和d n v 规范中的简化方法 来预测寿命掣。 2 0 0 3 年，匡卫红从载荷功率谱密度出发，用小波分析代替传统的f o u r i e r 分 析来模拟结构的应力历程，然后用二维雨流计数法进行循环应力计数，编制成标 准的变幅多级谱块1 1 9 j 。 2 0 0 3 年，张未重点研究了运用m s c f a t i g u e 疲劳模块进行船体结构疲劳可靠 性分析的完整过程，并对典型船型在各种工况下疲劳强度进行核算i 圳。 2 0 0 4 年，王琮针对k 型管节点局部结构，研究了k 型管节点的应力分布及 疲劳行为，给出了相应的计算方法【2 。 2 0 0 4 年，张磊等以南海2 号半潜式钻井平台的k 型节点为例，计算热点应 力传递函数并采用谱分析的方法进行疲劳分析，计算了k 型节点的疲劳寿命1 2 2 】。 2 0 0 5 年，李明等使用a n s y s ，采用a i r y 波理论，波浪自由表面可以用2 0 个余弦波形的叠加来确定，得到平台的应力，再应用管节点的热点应力公式得到 平台构件实际的疲劳应力，并使用s n 曲线法计算平台构件的疲劳损伤斟2 3 。 梁园华对海洋平台的k 型管节点的疲劳寿命进行了预测，最后得出了当平 台遭受横浪时，k 型管节点的疲劳损伤度要比遭受其他浪向时大的多以及构件弯 曲是引起应力集中的主要因素等具有实际工程意义的结论1 2 4 。 上海交通大学的唐文勇基于时域法有限元分析方法，在把握好环境系数和载 荷工况选取、结构强度和疲劳模型建立的基础上，选择合适的疲劳曲线，比较准 确地得出t r u s ss p a r 的强度和疲劳分析结果。并且指出了时域和频域两种分析疲 劳方法的优缺点，并提出如何综合时域和频域法的优势，更有效率、准确地得到 结构响应谱是个值得研究的方向1 2 5 j 。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 2 0 0 6 年，钱进研究了导管架平台的疲劳可靠性分析，介绍了系统疲劳可靠 性和失效概率、识别系统疲劳关键途径的方法，并采用分支界限法来分析系统的 疲劳可靠性【2 6 | 。 黄怀州等人针对波浪载荷作用下导管架式海洋平台结构的疲劳可靠性进行 了研究。采用加眄线性波浪理论，将导管架结构离散成空间梁有限单元结构； 在此基础上采用结构模态分析方法，编程计算了平台结构在随机波浪载荷作用下 的位移、速度、加速度和应力随机响应及其概率统计量。导管架结构疲劳可靠性 分析建立在频域响应的基础上，假设结构响应的应力范围服从r a y l e i g h 分布，利 用结构应力传递函数得到结构应力响应谱，然后利用m i l l e r 线性累积损伤准则推 导出结构疲劳寿命的概率分布函数，并考虑结构疲劳强度影响系数的随机性，求 得结构在随机应力谱下给定疲劳寿命时的疲劳可靠性指标【2 7 | 。 1 3 本文的主要研究内容 本文研究主要包括以下几个方面： ( 1 ) 介绍了了国内外关于海洋平台疲劳可靠性的研究现状、疲劳产生的原 因、影响结构疲劳的主要因素、计算疲劳寿命的基本方法。 ( 2 ) 运用s a c s 软件建立了自升式平台桩腿的模型，研究了平台的桩腿在 风、浪、流等载荷联合作用下的受力以及变形。 ( 3 ) 对自升式平台桩腿的自振特性进行研究，求出平台的振型以及频率， 并与工作时的波浪频率进行比较，分析桩腿在波浪作用下发生共振的可能性。 ( 4 ) 把自升式平台的桩腿作为一个线性系统，计算了该线性动力系统的应 力传递函数，由此计算出结构应力的响应谱，然后根据p a l s r e n m i n e r 线性累计 损伤准则，运用美国石油学会推荐的s - n 曲线得出自升式平台桩腿的疲劳寿命。 天津大学硕士学位论文第二章自升式平台环境载荷分析 第二章自升式平台环境载荷分析 自升式平台在作业过程中将受到风、浪、流、海冰和地震等环境载荷的联合 作用，下文将对风、浪、流载荷的计算进行分析。 2 1 风载荷 风速的实测表明，作用在海洋平台上的风速是时刻变化的，同时在离海平面 不同高度的时候，风速的大小也是不一样的。 风速可以定义为持续风速和阵风风速，持续风速一般指几分钟时距的平均风 速，而阵风风速一般指几秒钟时距的平均风速，在海洋工程领域，作用在平台上 的风速是按持续风速计算的。 在海洋工程中，把离静水面1 0 m 高度处的风速作为基准，并且将此基准风 速作为设计风速，设计风速在风暴自存工况下不小于5 1 5 m s ，在作业工况下不 小于3 6 m s 。风速的垂向分布按指数规律变化： ，z 、。 材：2 “。( 司9 ( 2 1 ) 式中：甜：一距静水面高度为z 处的风速，缸，。一设计风速，卜距静水面的垂直 高度，r 幂函次指数，在海上，p 可取1 1 1 【1 8 】 水平风力的计算公式如下： f = e o c c ，a ( 2 2 ) 式中：昂基本风压：c 。高度系数；c 。形状系数；么受风构件 垂直于风向的正投影面积。 基本风压的计算公式如下： p 。= 二y u 2 ( 2 3 3 ) o = _ 0 z 。) z g 式中：r 重力加速度，取g = 9 8 m s 2 ；y 为空气重量密度，取y ；1 2 0 1 n m 3 ； u 为设计风速，于是水平风力的计算公式可写成： 6 天津大学硕士学位论文 第二章自升式平台环境载荷分析 f=0613cc，d2a(2-4) 按照d n v 的规范选取高度系数和形状系数，可取g 为1 1 ，对于梁结构取c 。 为1 5 ，建筑物的侧面，c ，取1 5 ，圆柱形构件，c 。取0 5 ，平台总投影面积，c 。 取1 0 。 2 2 波浪载荷 对于海洋平台来说，波浪载荷是平台结构设计中一个非常重要的载荷，同时 它也是造成桩腿疲劳损伤的最主要因素。确定作用在海洋工程结构物上的波浪载 荷可以采用设计波法和设计谱法两种方法。其中设计波法属于确定性方法，而设 计谱法属于随机分析方法。 2 2 1 确定性波浪理论 在海洋工程中常使用的确定性波浪理论有四种：m 巧线性波理论、s t o k e s 波理论、椭圆余弦波理论和孤立波理论。对微幅波，即波高h 和波长l 及水深d 相比甚小的波浪，常采用a i r y 线性波理论，其波形为正弦曲线。当波幅较大时， 波浪的剖面不再是简单的正弦波形，其波谷要比波峰平坦。对于深水情况，这种 差别并不大，但对浅水情况则这种差别十分明显。因此对于有限波幅波而言，在 深水时一般用s t o k e s 高阶波理论，在浅水时则采用余弦波和孤立波1 2 9 j 。下文将 对a i r y 线性波理论和s t o k e s 五阶波理论进行介绍。 ( 1 ) a i r y 波理论 线性波理论，属于势波理论中最简单的一种，其假定波高相对于波长是无限 小量，水质点的运动速度缓慢，这样，波动自由水面上非线性的运动边界条件和 动力边界条件可以简化为线性关系，并可用静水面上的势函数矽来近似代替波面 上的势函数矽。 由a i r y 波理论推导出的波浪的速度势矽为： 妒=92幻cosh丽k(z+d)妇陆(x-ct)sinh(kd ( 2 5 ) 2 幻l 。、 式中：d 为水深；日为波高；丁为波浪周期；五为波数，k = 2 z r ；c o 为波频， = 2 兀 to 根据势函数就可以求出波浪水质点的速度和加速度。 水平方向速度 7 天津大学硕士学位论文第二章自升式平台环境载荷分析 群= 警= 坐幽剖c o s ! 慨一0 3 )z-dt s h l k d ， 群= = 一k o 一 肮一jl j 舐l 、7 垂直方向速度 u=警=堕盟掣sm邮ff口crott s h ( k d ) 协7 ， u = 二= 一k o 一 一il z 一，j 昆l 、7 水平方向加速度 西= 詈= 罂锷铲s m ( h - t 耐) 协8 ， 甜= 一= o o r _ 研j k z 一6 ， 西 2 砌i 材) 7 垂直方向加速度 。= 詈= 掣掣铲c o s l ( o c t 刊 协9 ，u = = o 。_ 弓j 2 一研j k z y ， 西 2 如l 掰) 、7 ( 2 ) s t o k e s 五阶波理论 当波幅是一个有限量而不是无限小量时，波动的自由水面所引起的非线性影 响必须考虑，即自由表面的运动边界条件和动力边界条件均是非线性的 3 0 1 。近 年来对s t o k e s 波的研究，主要反映在不断提高其阶数，目前广泛采用五阶近似 的s t o k e s 波。 目前常用的s t o k e s 五阶波的速度势矽为： 矽= 竽杰彬c o s h o 砖) s i i l g 目) ( 2 1 0 ) 根据势函数就可以求出波浪水质点的速度和加速度。 2 2 2 随机波浪理论 海洋平台在海上作业，遇到的波浪主要是因风吹过海面引起的，这一类波浪 称为风浪，下文指的波浪一般指风浪。若以平静的海平面作为参考，那么海上任 一点处波面升高是一个随机过程，其均值恒为零，自相关函数为1 3 1 j ： a t o + o o r ，。= e b ( f 。切o ：) 】= ff q l r ：厶，0 。，7 ：；f 。，f ：p 7 7 ，r ： ( 2 1 1 ) 当随机过程的统计特性不随时间的变化而变化时，该随机过程是平稳的。由 于海上的气候条件有季节性的变化，因此，波浪过程长期而言并不具备平稳性。 但是对较短的一段时间而言，可以认为波浪是一个平稳的随机过程。此外观测证 实，波面升高刁( f ) 又是正态分布的。于是波浪的长期分布可以看成是由许多短期 海况的序列组成的，在每短期海况中，波浪是一个均值为零的平稳正态随机过 程。 波浪过程的自相关函数仅与时间间隔r 有关，于是2 1 1 式变成： 尺。，( f ) = e 切o 切o + f ) 】 ( 2 1 2 ) 天津大学硕士学位论文第二章自升式平台环境载荷分析 波浪过程的功率谱密度定义为以下的f o u r i e r 变换： g 。向) = 挣。桫f 呦 佃 ( 2 - 1 3 ) 功率谱的n 次矩定义为： 所。= ，国”g ，0 p 国 0 由此可计算波浪过程的标准差仃。、跨零率厶、 口和带宽系数s 分别为： a ，= 瓜 兀= 去悟 铲土2 ：r v 匡m 2 ( 2 1 4 ) 峰值率，以及不规则系数 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 当口寸l 或- - ) 0 ，表示一个窄带过程；当口_ 0 或s 一1 ，表示个宽带过 程。 在随机波浪理论中研究不规则波浪时，常将不规则波浪看成是由许多不同波 长、不同波幅、不同相位的规则余弦波分量叠加而成的，即把波面升高写成： 刁= a , c o s l 等一够r 托) ( 2 2 0 ) 式中刁。为波幅，五为波长，为圆频率，s 为相位角。占是一个随机变量， 可在0 到2 万之间取值。对于余弦波，单位波面( 单位波长单位波宽) 的波浪 里包含的总能量为： p = 昭露j ( 2 - 2 1 ) 式中，p 为海水的质量密度，g 为重力加速度。 若将不规则波浪中的圆频率位于c o + 缈区间内所有余弦波分量的单位波面 总能量之和用舡表示，那么从能量角度考虑，功率谱密度就是某一频率区间内 波浪的单位波面总能量丝与该频率区间长度国之比的度量，即 g ，如) = 万1 l i m 。a 石e ( 2 - 2 2 ) 9 至嚎厂牛厂mv 天津大学硕士学位论文第二章自升式平台环境载荷分析 因此功率谱密度表征了不规则波浪的能量在不同频率的余弦波分量中的分 布情况，功率谱密度曲线所包围得面积则是波浪总能量的度量，可以衡量海况的 严重程度，该面积越大，海况越恶劣。 如果带宽系数很小，那么波浪的能量相对集中在较窄的频率范围内，波浪 存在明显的主频率，这时波幅服从r a y l e i g h 分布： 圳2 可r 一x p l 番j 协2 3 ， 式中正b ) 为波幅的概率密度函数。 海洋工程中，更多的使用波高来表示波浪的特性，波高定义为波面升高在连 续两次以正斜率跨越零均值期间的的最大变动范围。当波浪为平稳正态随机过程 时，波高h 与波幅叩。之间有如下关系： h = 2 1 7 一 ( 2 2 4 ) 于是波高也服从r a y l e i g h 分布： 厶陆茜e 即( - 矧 有义波高和波浪周期： ( 2 2 5 ) 所有波浪中，波高最大的的三分之一波浪的平均波高定义为有义波高，用h 。 表示。日，可用以下表达式表达： h ，= 4 盯。= 4 、瓦 ( 2 - 2 6 ) 常用的波浪周期有平均跨零周期、平均峰值周期0 、特征周期五和主周 期乃。 平均跨零周期定义为波面升高在相邻两次以正斜率跨越零均值线之间的平 均时间i 日- j 隔，他是波浪过程的跨零率的倒数： t = 去砌层 位2 7 ， 平均峰值周期定义为波面升高在相邻两峰值之间的平均时间间隔，它是峰值 率的倒数： 乙= 去砌岳 协2 8 ， 1 0 天津大学硕士学位论文 第二章自升式平台环境载荷分析 特征周期接近在海上观测的平均周期，其定义为： 五：2 万堕 聊l ( 2 2 9 ) 主周期定义为波浪功率谱密度最大值，即波浪功率谱密度曲线峰值点所对应 的波浪周期，用乃表示。 短期的波浪特性可以用波浪散布图来表示，下表为全球范围内的波浪散布 图： 表2 1 全球范围内的波浪散布图 有义波高h ，( m ) 0 51 52 53 54 5 5 56 57 58 59 51 0 51 1 5 1 3 5000 o 0 oo0oo00 1 2 5o011110o0000 1 1 50l23 3 21 1100o 1 0 50391 185211oo0 亚 均 9 511 32 72 41 5842l l 00 跨 零 8 543 95 73 81 983 1loo0 周 期 7 51 38 07 63 71 4521oo00 6 53 29 96 l2 16210 00o0 5 54 07 02 87200oo0o0 4 53 22 26l0o0o0000 3 5820oo0 00000o 2 5lo00000o0oo0 表中的数据表示在观察期内，一定有义波高和平均跨零周期的波浪出现的次 数，波浪散布图在疲劳分析中被广泛的应用。 几种常见的波浪谱： 卜m 谱：1 9 6 4 年，p i e r s o n 和m o s k o w i t z 依据北大西洋实测资料，提出了 一种海浪能量谱形式，适合于充分成长的风区。卜m 波浪谱形式如下： = 等e x p 一榭 ( 2 3 0 ) 天津大学硕士学位论文第二章白升式平台环境载荷分析 式中：g = 9 8 m s 2 ；口和为两个常数，口= 0 0 8 1 ，= 0 7 4 ；u 为海平面 上空1 9 5 m 处的风速，下图表示了不同风速下的h 波浪谱： 图2 一l 不同风速下的卜m 谱 卜- p 谱：j o n d s w a p 是联合北海计划的简称，这是英、荷、美、西德等国 科学工作者，在6 0 年代末到7 0 年代初的一项合作科学研究计划，适合于成长过 程中的有限风区。j o n s w a p 谱表达式如下： ”和 - 1 2 5 ( 郇6 协3 - ， 删朋6 ( 玎2 = 7 r c g ( l g x 。1 uu ，j 川3 ， 慨冲 - 错 ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 当c o c o i 球寸，盯= o a ；当缈0 ) m 时，仃= c r 6 。卜- p 谱共有5 个参数，其中， u 为参考风速，工为风区长度，八仃。和为形状参数。 1 2 天津大学硕士学位论文第二章自升式平台环境载荷分析 2 2 3 波浪载荷的计算 在实际工程中，常用m o r i s o n 公式计算小构件的波浪载荷。m o r i s o n 公式给 出了作用于垂直柱体上一微小长度上的水平力，用单位长度上线性惯性力和非线 性阻力分量叠加的总波浪力来表示，形式如下： 西= p 孚也出+ 三。眺k i 出 ( 2 _ 3 5 ) 式中p 为流体密度，d 为柱体直径，c d 为柱体的拖曳力系数，柱体的惯 性力系数，根据a p i 规范，对于光滑杆件，可取c d = 0 6 5 ，c m = 1 6 ；对于粗 糙构件，取c d = 1 0 5 ，= 1 2 3 2 】。 沿柱体全高的波浪载荷为： 叶 f = 肛 ( 2 3 6 ) o 2 3 海流载荷 海流指由于潮的作用、风的拖曳等原因引起的比较稳定的水流运动，分别称 为潮海流和风海流。海流流速随水深而变化，流速的计算公式如下： ，、! 驴甜- 栅：主 ( 2 3 7 ) 式中，g 指设计泥面以上z 高度处的海流速度，第一项是指潮海流的速度， 它按照水深的击次方变化，g l 指水面的潮流速度；第二项是指由风海流的速度， 它相对水深直线变化，甜，表示风在水面引起的海流速度；z 指泥面以上的垂直距 离；d 为水深。 当只考虑海流力作用时，圆形构件单位长度的海流力可按莫里森公式的拖曳 力分量来计算： 厶= 去c d z f 。2 ( 2 3 8 ) 式中c d 为拖曳力系数，与波浪力的c d 相同；p 为流体密度，彳为单位长度 构件垂直于海流方向的投影面积。 天津大学硕士学位论文 第三章疲劳强度的基本理论 第三章疲劳强度的基本理论 在海上作业的平台，由于不断变化的波浪载荷使得结构内部产生不断变化的 应力。若一座海洋平台的服役期为2 0 年到2 5 年，那么，结构内因波浪作用引起 的交变应力的循环次数可达1 0 8 次之多，这将造成结构的疲劳损伤，因此疲劳破 坏一直被认为是海洋工程结构物的一种主要破坏形式。本章将介绍疲劳分析的一 般方法及其在海洋工程中的应用。 疲劳破坏与静力破坏存在着本质的区别，影响疲劳的主要因素是长期作用在 构件上的交变载荷，而研究静力破坏时则考虑构件的最大应力，疲劳是一个逐渐 积累的过程，从疲劳裂纹的产生到最后因疲劳而产生