（机械工程专业论文）超强台风下固定式平台极限承载能力分析.pdf

摘要 台风是自然灾害中破坏力最强的种类之一，已对我国南海石油作业安全构成严重威 胁，尤其是对导管架固定式海洋平台产生了极大影响。强台风的袭击会使平台遭受不同 程度的损伤，甚至摧毁。导管架平台是海洋石油开发的基础性设备，体积巨大、结构复 杂、造价昂贵、日费用高，为了保证平台作业的安全性和经济性，准确模拟台风压迫下 平台上部组块风载荷并对平台进行极限承载能力分析显得十分重要。 首先，本文采用计算流体动力学方法( c f d ) ，对不同风向角工况下的平台周围风场 进行了三维数值模拟，求得流场压力与流场速度分布图，以及平台整体和各组块的风载 荷；其次，考虑海底土壤与平台桩腿的非线性耦合作用，利用a n s y s 建立平台精细化 有限元模拟，对平台结构进行静态非线性分析，计算平台在遭遇1 0 0 年一遇环境载荷作 用下的最大等效应力与变形，确定平台最容易屈服失效的位置。同时考虑波浪载荷动态 响应对平台进行瞬态动力学分析，得到平台位移、速度、加速度和应力时程响应曲线， 并将响应最大值与静力分析最大值结果进行比较；最后，在风载荷数值模拟和静动力分 析的基础之上，基于a n s y s 软件和静力弹塑性分析法( s t a t i cp u s h o v e ra n a l y s i s ) ，提出 一种平台在同时承受风、波、流载荷情况下的极限承载能力分析方法，并分别建立构件 碰弯、构件缺失、平台腐蚀、海生物附着和桩基冲刷等不同损伤类型的平台有限元模型， 对其进行极限承载能力分析。通过比较损伤平台与完好平台的强度储备系数，分析各种 损伤类型对平台极限承载能力的影响。本文研究成果为平台结构受力设计、整体布局规 划设计、结构强度校核、极限承载能力分析以及安全性评估提供理论依据。 关键词：台风；导管架；数值模拟；静力分析；动力分析；极限承载能力 a n a l y s i so nu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo ff i x e dp l a t f o r m s u n d e rs u p e rt y p h o o n c h e nw e i - j i e ( m 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 e s s o rc h e ng u o - m i n g a b s t r a c t t y p h o o ni so n ek i n do ft h es t r o n g e s tn a t u r a lc a t a s t r o p h e s ，w h i c hh a st h r e a t e n e d t h e p e t r o l e u mo p e r a t i o ns e c u r i t ys e v e r e l yi ns o u t hc 1 1 i n as e ae s p e c i a l l yt ot h ei a c k e tf i x e d p l a t f o r m p l a t f o r m ss u f f e rv a r i o u sd e g r e ed a m a g ef r o mt h es u p e rt y p h o o na n da r ee v e n d e s t r o y e d j a c k e tp l a t f o r mi so n eo ff o u n d a t i o n a le q u i p m e n t si no f f s h o r eo i le x p l o i t a t i o nw i t h h u g ev o l u m e ，c o m p l e xs t r u c t u r ea n dh i g hd a i l yc o s t t h e r e f o r e ，i no r d e rt og u a r a n t e e o p e r a t i o ns e c u r i t ya n de c o n o m yo fp l a t f o r m ，i t sv e r yi m p o r t a n tt os i m u l a t et h ew i n di o a do f e a c hm o d u l e sa c c u r a t e l ya n da n a l y s et h eu l t i m a t eb e a r i n g c a p a c i t yo fp l a t f o r mu n d e rt y p h o o n f i r s t l y , 3 dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fw i n df i e l da r o u n dp l a t f o r mi nd i f f e r e n tw i n d d i r e c t i o n sw a sa n a l y z e do nt h eb a s i so fc f dm e t h o d s t r e s sa n d v e l o c i t yi nw i n df i e l d w i n d l o a do fp l a t f o r ma n dm o d u l e sw e r es i m u l a t e d s e c o n d l y , c o n s i d e r i n gt h en o n l i n e a rc o u p l i n g i n t e r a c i t o nb e t w e e ns c a b c a ds o i la n dp i l e ，t h ef i n i t em o d e lo fp l a t f o r mw a se s t a b l i s h e da n d s t r u c t u r a ls t a t i ca n a l y s i sw a sp r o c e s s e db yt h eu s eo fa n s y ss o f t w a r e s ot h a tt h em a x i m u m e q u i v a l e n ts t r e s sa n dd i s p l a c e m e n ti nl0 0r e t u r np e r i o de n v i r o n m e n tl o a dw e r ec a l c u l a t e da n d t h em o s td a n g e r o u sp o i n tw a ss e l e c t e d f u r t h e r m o r e ，t h et r a n s i e n ta n a l y s i sw a sa l s op r o c e s s e d c o n s i d e r i n gt h ed y n a m i cr e s p o n s eo fw a v el o a d ，a n dt h ed i s p l a c e m e n t , v e l o c i t ya n d a c c e l e r a t i o nr e s p o n s e g r a p h i c sw e r es i m u l a t e d ，t h e nt h em a x i m u mr e s p o n s ev a l u ew e r e c o m p a r e dt ot h er e s u l t so fs t a t i ca n a l y s i s f i n a l l y , b a s e do nt h ea n s y sa n ds t a t i cp u s h o v e r a n a l y s i s ，an e w m e t h o do nu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t ya n a l y s i sw a sp r e s e n t e da i m i n ga tt h e j a c k e tp l a t f o r ms u f f e r i n gf r o mt h e 、i n d ，w a v ea n dc u r r e n tl o a da tt h es a m et i m e b e s i d e s m o d e l so fp l a t f o r mc o n s i d e r i n gb e n dc o m p o n e n t s ，l o s tc o m p o n e n t s ，e r o s i o n ，m a r i n eg r o w t h a t t a c h m e n ta n dp i l ef o u n d a t i o ns c o u r i n gw e r ee s t a b l i s h e da n da n a l y z e ds e p a r a t e l y a n dt h e n ， t h ei n f l u e n c et ot h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yo fe a c ht y p eo fp l a t f o r mw a sr e s e a r c h e db y c o m p a r i n gt h er e s e r v es t r e n g t hf a c t o rb e t w e e nt h ed e f e c t i v ea n di n t a c tp l a t f o r m 。功er e s e a r c h a c h i e v e m e n to ft h i sp a p e rc a ns u p p l yt h e o r e t i c a lb a s i sf o rd e s i g no fs t r u c t u r a ls t r e s s ，l a y o u t p l a n n i n g ，s t r u c t u r a ls t r e n g t hc h e c k ，u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y a n a l y s i s a n d s e c u r i t y a s s e s s m e n t k e yw o r d s ：t y p h o o n ；ja c k e t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s t a t i ca n a l y s i s ；d y n a m i ca n a l y s i s ； u l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t y i i 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作出了明确的说明o 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：塑坚堕 日期：沙卜年歹月歹日 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：里垒坚日期：沙f q 年；f 日 指剥雠：一眦川。年刊日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 随着我国工业经济的迅速发展，人们对石油能源的需求量与日俱增，我国由原来的 石油出口国变为进口国，石油和天然气供应不足的矛盾日益突出，石油已成为制约我国 经济发展的瓶颈【1 - 2 】。随着大部分陆上油田开发进入中后期，海洋石油勘探开发将我国 油、气储量和产量方面发挥关键作用。 我国是世界上登陆台风最多、受台风灾害最严重的国家之一。每年进入中国南海和 东海的台风平均有2 9 次，约占西太平洋年平均台风次数的7 1 。台风是产生于热带洋 面上的一种强烈的热带气旋。我国南海海域是台风的发源地。根据中心附近的最大风力 分级，1 2 级以上通称台风。热带气旋的划分采用中国气象局和国家标准化管理委员2 0 0 6 年共同制定的热带气旋等级国家标准【3 1 ( 见表1 1 ) 。 表1 1 台风等级划分标准表 t a b l e l - 1g r a d ed i v i s i o ns t a n d a r dt a b l eo ft y p h o o n 台风等级 底层中心附近最大平均风速( 米秒)风力( 级) 热带低压( t d ) 1 0 8 1 7 1 6 7 热带风暴( t s ) 1 7 2 2 4 4 8 9 强热带风暴( s t s ) 2 4 5 3 2 61o l1 台风( to 3 2 7 4 1 41 2 1 3 强台风( s t y ) 4 1 5 - 5 0 9 1 4 1 5 超强台风( s u p e r t y ) 5 1 01 6 或以上 台风已成为南海石油作业最严重的自然灾害，对该地区海上石油的安全生产构成了 严重威胁。历史上因狂风巨浪导致海洋石油平台翻沉的事故屡有发生。1 9 7 9 年1 1 月， “渤海2 号”在渤海航渡过程中被巨浪翻沉，死亡7 2 人，仅2 人生还。1 9 8 3 年我国南 海作业的美国“爪哇海 号钻井船，遭到了十六号台风的袭击，发生沉船，造成8 1 名 工作人员死亡。从1 9 9 8 年到现在中海油的油气产量每年都受到台风的严重影响，甚至 造成人员伤亡。2 0 0 6 年台风“珍珠”袭击流花1 1 1 油田，导致该油田作业的南海“胜 利号 浮式生产储油装置( f p s o ) 有7 根锚链被台风刮断，3 根软管断裂，油舱破裂，损 失高达1 0 0 0 多万元天。2 0 0 9 年台风“巨爵 袭击中海油惠州油田群，导致“发现号 f p s o 的单点系泊装置发生偏移，导致油田停产并初步发现4 根锚链以及连接f p s o 的 输油软管发生断裂。 国外，飓风造成海洋平台倒塌和破坏的事故大多发生在墨西哥湾，飓风事故灾难给 人们留下深刻教训。飓风h i l d a ( 1 9 6 4 ) 、b e t s y ( 1 9 6 5 ) 和c a m i l l e ( 1 9 6 9 ) 将受其影响的5 0 0 个 平台中的十分之一摧毁，促使a p ir p 2 a 规范的产生。1 9 9 2 年，a n d r e w 飓风摧毁了2 8 座平台，并使多座平台遭到不同程度的破坏。2 0 0 2 年，飓风l i l i 摧毁7 座平台，另有 1 0 座平台遭到严重破坏。2 0 0 4 年，飓风i v a n 摧毁7 座平台，另有2 5 座平台受到不同程 度的破坏。2 0 0 5 年，飓风k a t r i n a 和i u t a 相继摧毁了1 1 3 座固定平台。其中，k a t r i n a 是 中墨石油丈学( 华东) 硬士学位论文超强台风下固定式平台撮讯承簸能力分析 美国有史以来造成经济损失最为严重的飓风。4 7 座平台倒塌，另有2 0 座平台破坏：r j 造成6 6 座平台倒塌，另有3 2 座平台破坏l 。每次台风过后都会对a p i 规范进行修正 ”o l 。飓风带来的损失远不仅仅表现在对平台的摧毁或破坏上，每次飓风的来临都将导 致数百座甚至数千座平台停产，导致原油产量大幅下降，进而造成油价大幅上升。 台风a r i d 坤w ( 1 9 9 2 ) 、l i l y ( 2 0 0 2 ) 、l v 矩( 2 0 0 4 ) 、h t f i m 和蚴0 0 5 ) 过后美国矿业 管理局( m i n e r a l sm a n a g e m c ms e r v 沁，简称m m s ) 均对受这些台风影响的部分平台( 包括 倒塌的、破坏的和幸存的平台) 进行了损伤检查、失效原因调查和倒塌模式分析。综合 所有的分析结果发现，2 l 世纪以来，台风在墨西哥湾地区已摧毁了数百座固定式海洋平 台，平台倾覆可能是由于平台强度不足，也可能是由于桩基失效。这些平台或完全倾覆 坠入海底，或遗受严重破坏以致无法实现既定目标只能被拆除。图l - 1 为台风摧毁的导 管架平台，左图平台桩管发生了屈曲无法承受上部组块的重量引起倒塌，右圈平台水 上结构完全被台风摧毁，即便导管架仍站立在海水中，该平台仍被视为完全毁坏， 圈1 1 台风摧毁的导管架平台 _ 地l - i p h t 向r m d q 廿o y e d 时帅h 蛳 随着国家对海洋石油资源的迫切需求，我国南海油气田正在大力开发所需的海洋 石油平台数量越来越多，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。目前我国正在服役的海洋石油平台约有1 6 0 多座。其中使用最多的当属导管桨固 定式平台，也是目前世界上使用最多的一种平台，如图卜2 所示，平台自下而上太体可 分为桩基、导管架和上部组块三部分，导管架通过桩的作用固定于海底并支撑着上部组 块。海洋平台是海洋石油开发的关键设备，体积巨大、结构复杂、造价高昂。近年来 为推进我国海洋石油的“深水战略”建造的海洋平台越来越向大型化、深水领域发展。 这类大型工程结构一旦失效将造成不可估量的灾难性损失。 第l 章绪论 田l 导管架固定式平台 n l l j a c k e t f i x e dp l a t f o r m 近年来登陆我国的台风出现了强度大、影响大、灾害重的特征，困此，台风作用下 固定式海洋平台的稳定性与抗风灾能力，成为海洋平台工程设计、施工与安全运营中的 关键技术难题，特别是固定式海洋平台在台风条件下风载荷数值模拟、波浪载荷的动态 响应以及防倒塌极限承载能力分析，目前国内外都缺乏系统深入的研究，迫切需要开展 相关研究以期取得创新性研究成果。 本文针对我国深海石油开发的需要，以导管架固定式平台为研究对象，结台8 6 3 项 目“近海石油老龄平台延寿技术研究”和中国石油大学( 华东) 自主创新科研计划项目“南 海深水油气开采风险控制技术应用基础研究”，通过运用计算流体动力学与有艰元技术 系统开展本文的研究工作。 1 2 国内外研究现状 台风带来的极端风载是导致甲板构件失效的重要因素，其与极端渡浪载荷的联合作 用可能造成固定式海洋平台倾覆。在台风中，风裁荷对导管架总侧向载荷的贡献最多可 达2 0 台风风载是决定甲板设计的主导因素。a p i 及相关规范和文献给出了风载荷的 计算方法【1 4 0 w s n a r a w o r k s h o p 基于a s r p 软件对半潜式平台周围的风场和风载荷进 行了数值模拟口q ，g k f u m e s 基于f l u e n t 软件对半潜式平台周围的风场和风载荷进行了 数值模拟1 2 “也有国外学者通过风洞实验对半潜式平台做了风载荷测试，但针对导管架 平台的风载荷数值模拟，国内外还没有开展相关研究。 海洋平台在静力分析方面已经形成比较完善的理论和规范，在田外有a p i 和美国船 级社国内的中国船级社在设计和研究方面也借鉴了国外的做法。但在动力分析方面仍 没有成型的规范标准。海洋平台动力学分析是个十分复杂的问题，不仅考虑波浪载荷的 动态作用，还要考虑桩- 土之间的非线性耦合。b e r g e 和p e n z i e n 引入了有限元分析程序 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，同时还研究了平台响应对 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：超强台风下固定式平台极限承载能力分析 定向海浪的敏感性问题【2 2 j 。m a l h o r t a 和p e n z i e n 对平台结构的动力响应和环境载荷的耦 合开展了一系列研究田j 。d u n w o o d 和v a n d i v e r 发展了考虑高阶近似的非线性拖曳力的 随机波浪结构相互作用公式 2 4 1 。h a r e e m ，h s i e h 分析了海洋平台的频域响应，比较了深 海导管架平台在高斯及非高斯分布波浪载荷作用下的概率响应特性【2 5 1 。在国内，杨异田 针对海洋平台的自振特性进行了研究，提出了计算平台结构基本频率的简化方法【2 们。徐 长航和陈国明综合考虑了影响平台结构动力响应的动力敏感性、非线性以及波浪载荷的 随机性因素对风暴状态下的自升式平台进行了非线性动力学分析【2 7 】。郑忠双应用确定性 理论和随机理论，采用p i e r s o n m o s k o w i t z 谱和j o n s w a p 谱，对平台结构物进行了随 机动力响应分析以及动力可靠性分析【2 引。其他一些学者也在动力学分析方面做过相关研 密 2 9 - 3 2 u o 极限承载能力分析方面国内外学者己作了大量的工作。在国外，a p i 与i s o 推荐以 静力弹塑性分析方法( p u s h o v e r ) 评估固定式海洋平台的极限承载能力，该方法是目前国 际上普遍采用的评价固定式海洋平台极限承载能力的方法。m t v a n n a n 等应用线性分析 的简化方法得到了墨西哥湾五座平台的极限承载能力，证明了其方法的有效性和经济性 p 引。l a l a n i 和s h u t t l e w o r t 基于储备强度原则提出了三步结构整体估算过程，进行了平面 框架的倒塌分析1 3 4 。v a n 研究了墨西哥湾平台部分损伤结构，统计预测了风荷载，使用 了非线性推倒技术分析得到了极限倒塌荷载【3 引。p e t r u s k a 和b e r e k 等应用非线性静力推 倒分析法分析了墨西哥湾一座平台的极限承载能力，从而推出了平台的失效概率【3 酬。国 内的许滨、申仲翰使用非线性模拟技术，分析空间框架结构在集中载荷作用下的极限强 度，以及导管架平台在静载和环境载荷作用下的极限强度，并对渤海八号导管架生产平 台进行了极限承载能力分析与计算【3 7 ，3 引。欧进萍等人根据非线性有限元逐步分析的思 想，以已有的结构弹性分析软件为计算核心，提出了分析结构极限承载能力的整体推进 法1 3 9 4 0 1 。张兆德，韩晓风等人考虑平台的各种缺陷类型，对冰载荷作用下的老龄平台进 行了极限承载能力分析，但平台的模型没有考虑桩土非线性耦合作用，4 2 1 。郑忠双在 极端环境下海洋结构物随机响应分析及动力可靠性研究中对于极端海洋环境下海洋 结构物的动极限承载能力进行了研究。其他一些学者和机构在极限承载能力分析和极限 强度评估方面也做了大量的研究f 4 3 。5 2 】。综合国内在平台极限承载能力方面的研究发现， 研究对象绝大多数是针对渤海或东海平台，因此考虑的动载荷主要是冰载荷，即冰载荷 作用下的极限承载能力。而对于南海海域，波浪载荷为主要动载荷，尤其是台风极端波 浪载荷作用下的导管架平台极限承载能力分析目前还未开展相关研究。 1 3 本文主要研究工作 本课题面向南海海域固定式海洋石油平台的抗台风工程，以大型导管架为研究对 象，系统开展强台风下平台风载荷数值模拟、极端波浪载荷作用下平台静动力分析及极 限承载能力分析研究，使其整体倒塌失效模式具有可预见性与可控制性，从而尽量降低 结构的倒塌失效概率。本课题研究将为我国南海导管架固定式平台的抗台风设计与安全 运行提供理论与技术支持。论文主要研究工作有以下几部分内容。 4 第1 章绪论 1 3 1 平台上部组块抗风能力研究 ( 1 ) 台风引起的平台典型失效模式及损伤机理研究； ( 2 ) 基于流体动力学( c f d ) 技术对平台上部组块风载荷进行数值模拟。 1 3 2 平台静动力分析 ( 1 ) 研究海底土壤与平台桩腿的非线性耦合作用，以及结构大变形等材料非线性效 应，建立导管架平台结构的非线性本构模型，力图能够真实反应结构力学特性； ( 2 ) 极端环境作用下平台结构静态非线性强度分析； ( 3 ) 风、浪、流联合作用于平台的动态响应分析。 1 3 3 平台抗台风极限承载能力分析 ( 1 ) 平台极限承载能力分析方法研究； ( 2 ) 完好平台极限承载能力分析； ( 3 ) 损伤平台极限承载能力分析，并研究构件失效、结构失稳等多种损伤类型对平 台整体稳定性的影响。 本课题拟采取理论分析、软件模拟和数值计算相结合的方法，充分吸收国内外在工 程结构抗台风研究领域所取得的成果，针对我国南海海域环境条件和导管架平台的特 性，开展本课题的研究，主要技术路线如下： ( 1 ) 以大型通用有限元分析软件a n s y s 等为分析工具，建立包括平台上部组块、导 管架及桩腿在内的平台结构有限元模型，全面考虑桩土耦合、结构大变形等非线性作 用； ( 2 ) 借助流体动力学f l u e n t 软件，建立上部组块模型，并对平台周围风载荷进行 三维数值模拟； ( 3 ) 基于a n s y s 软件对强台风作用下的平台进行静态非线性分析，考虑波浪载荷 动态响应，对平台进行瞬态动力学分析： ( 4 ) 以弹塑性力学为基础，基于目前应用广泛的静力弹塑性分析法，结合c f d 与有 限元分析技术，综合考虑平台地理位置、水深、结构形式以及台风引起的风暴强度等因 素，对平台进行极限承载能力分析。 论文的主要研究内容与技术路线可通过流程图1 3 表述。 5 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：超强台风下固定式平台极限承载能力分析 图1 3 论文主要研究内容与技术路线框图 f i 9 1 - 3m a i nc o n t e n ta n dt e c h n i q u ep a t hc h a r to ft h e s i s 6 第2 索南海固定式平台投隈承敷能山舒忻基础 第2 章南海固定式平台极限承载能力分析基础 海洋平台作为海上油气开发的关键性设施，是海上生产作业和日常生活的主要基 地。丽对强大的台风，导管架固定式平台会遭受不同程度的损失，奉章归纳并分析币同 程度的平台损伤模式分析各模式的损伤机理井提出预防措施。简要概迷极限承载能力 分析的基础研究理论为下文平台整体极限承载能力分析提供理论基础。 2 1 台风引起的平台损伤模式 当台风引发的强风、巨浪强度不足以摧毁平台时，仍可能对平台造成不同程度的破 坏。从平台结构上进行划分平台破坏形式可分为甲板上部结构破坏、导管架破坏和桩 腿破坏。从对平台结构性能的影响上进行划分甲板上部结构破坏可分为结构性破坏与 非结构性破坏两种形式。结构性破坏是指对平台整体结构性能有影响的破坏形式，包括 甲板横梁扭曲、甲板腿屈曲断裂、井架倾斜、直升飞机场倒塌、甲板上工作人员住所倒 塌等。非结构性破坏指对平台整体结构性能无影响或影响轻微的破坏形式，丰要包括过 程或控制装置破坏、下甲板辅助支撑结构破坏、栅栏或楼梯的移位破坏等。非结构性破 坏不仅需要高额的维修赞用，同时还需要大量的时间进行修复，是导致停工的主导因素。 导管架破坏形式主要包括导管架桩管失效，节点失效、支撑失效、导管导向架失敬等。 桩腿破坏形式主要是拔桩倾斜。 分析可知，超强台风作用下的m 载荷以及大风引起的波浪载荷是引起平台失效的最 主要因素，二者联合作用对平台造成的损伤最大。根据m m s 对a n d r e w 、l i l i 、i v a n 、 k a t r i n a 、r i t a 等台风的统计研究报告现对台风下平台损伤模式进行归纳分析，主 要有以下几种类型。 2 1 1 基础设施受损 强台风会对平台上部组块的基础设施造成不同程度的损伤，尤其是大面积的薄壁金 属板块。此外，平台生活区、飞机场、火炬塔、起重机架、楼梯与栈桥等设施也是常遭 台风袭击的区域。如图2 - l 所示。 ( a ) 薄壁板块 f a ) t h i ow a l l ( 吣火炬塔和起重机架 mf l a r e t o w e ra n dd e r r i c k 中国石油大学( 毕糸) 砸十学位论文：超强台风下固定式平台极限承载能力丹析 ( a ) 弯曲( b ) 与盘撑件脱离 ( a ) b e n d i n g ( ”b r e a ka w a y f r o ms u p p o r l 圈2 - 2 甲板粱受损 f i 9 2 2 d a m a g e o f d e c kb e a m 8 第2 章南海固定式平台极限承载能力丹折基础 这种类型的受损主要是由强台风引起的甲板上浪载荷造成的。上浪载荷在垂直方向 不断冲击甲板梁导致粱弯曲，并使焊接点发生松动最终与支撑件脱离。与风载荷相比， 甲板上浪截荷对平台底部甲板结构的影响要大得多。防止甲板上浪载荷冲击的最有效办 法是增大高程。 2 1 3 管节点失效 管节点的失效模式主要有压扁、裂缝、松动与脱落。相关图片见图2 - 3 。其中，图 2 - 3 ( a ) 中的x 型管节点被压扁直至产生裂缝，图2 - 3 ( b ) 中的管节点由于波浪的冲撞引起 管节点处焊接点松动并最终脱落，其中水平方向的支撑杆件很有可能是由于波浪的来回 冲刷导致直接穿过另一垂直面的支撵杆。这种失效模式最容易在靠近海平面处的导管导 向架上发现。造成管节点失效豹原因主要是由于渡浪载荷的来回冲击，尤其要考虑对海 平面附件的管节点进行加固。 f _ ) 压扁裂缝 f a ) c 邶s ha n dc r a c k m 2 - 3 管节点失效 f i 醇- 3j o i n tf a i l u r e 2 1 4 支撵件失效 格动脱落 ( b ) l o o s ea n d d r o p 支撑件常见失效模式有屈曲、凹陷、分离和断裂( 见图2 4 ) 。支撑件有横向支撑和竖 向支掉，台风中承受较大损失的大部分平台都遭受过支撑件失效。大部分支撑件损坏主 要是因为发生了屈曲失效。图2 _ 4 ( a ) 为发生屈曲变形的支撑件，图中看出，在发生屈曲 的部位依附在杆件上面的海生物突然脱落消失，这通常是用于判断构件发生屈曲的重要 线索，非重要支撑件对平台的整体承载能力不会产生很大影响，但一些重要支撑件的失 效会迅速减小平台的极限承载能力，因此在设计阶段要充分保证重要支撑件的强度， 同时在服役阶段注意防护，如防止碰撞。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文超强台风下同定式半台极限承载能力分析 f a ) 屈曲 ( a ) b u c k l i n g 图2 - 5 桩管失效 f i 9 2 - 5p i p ef a i l u r e ( b ) 断裂 ( b ) r u p t u r e 鼐2 帝南海同定式平台极限承载能力分析基础 2 i 6 桩摹失效 除了上部组块和导管架结构方面的失效还存在桩基失效( 见图2 - 6 ) 。由图可见，平 台发生了明显的倾斜，桩腿从一端拔出，并倒向另一端。很多调查报告表明，平台摧毁 的主要原因就是桩基失效。桩基一旦破坏，平台基本报废。然而，大多数研究者只注重 研究导管架结构的安全性，往往忽视了这种失效类型。桩基失效最本质的原因就是桩的 八泥深度不够，未能承受强台风引起的侧向载荷引起平台倾斜。有效的预防措施是桩的 设计要准确评估土壤的侧向承载能力，确保桩腿的入泥深度能够抵抗侧向载荷的作用。 图2 - 6 桩基失效 h 9 2 - 6 h l e f a i l u r e 综合以上几种平台损失模式，对于承载能力不满足设计标准豹平台，需要对其进行 风险控制。目前广泛采用的固定式海洋平台抗飓风风险控制措施主要有以下几种：( 1 ) 堵 塞、摒弃非活动井并拆除对平台横向载荷有贡献的管柱；( 2 ) 提升甲板高程确保平 台下甲板不受甲板上浪载荷作用；( 3 ) 通过安装新平台或增加额外支撑提高现有平台的 承载能力：( 4 ) 加固现有平台，如水泥灌浆等措施：( 5 ) 直接拆除接近服役终端的平台。 2 2 极限承载能力分析理论基础 结构的极限强度，是指对结构不断增加环境载荷来计算其受力及变形状态，直到结 构不再承受更高载荷为止。结构的极限承载能力即结构到达极限强度时的承载能力。 2 2 1 材料弹塑性分析 2 2 1 1 弹塑性变形特征 在常温静载条件下，金属材料的o - - 8 曲线如图2 7 所示p 。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：超强台风下固定式平台极限承载能力分析 o j + 西 呸 么 0 e 7 e e - 呸 图2 7 材料的仃一占曲线 f i 9 2 7 盯- - eg r a p h i c so fm a t e r i a l 在o a 阶段，仃和s 为线性关系。a 点为初始屈服点，对应屈服应力为o 。，在仃s _ c r c r s 的范围内，应力和应变之间存在以下关系 盯= e 6 ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 表明材料处于弹性阶段，o s 至a s 为初始弹性范围。应力超出初始弹性范围 之后，材料变形变得复杂。当应力值单向增加到b 点，而后经卸载减小应力，这时应力 一应变曲线沿另一条直线b c 变化，并不与原曲线( o a b ) 重合，但b c 与o a 近似平行。 这种直线关系可延伸至b 7 点，如图2 8 所示。当材料的应力超过盯j 时，则材料进入 塑性变化范围。 1 十 a o o s o彳 一t + a b 图2 - 8 材料卸载时的仃一占曲线 f i 9 2 8g 一g r a p h i c so fm a t e r i a lw h i l eu n i n s t a l l i n g 综上所述，固体材料的弹性变形具有以下特点【5 4 】： ( 1 ) 弹性变形过程可逆；( 2 ) 线弹性变形阶段，应力和应变一一对应，成线性比例 关系；( 3 ) 对材料加载或卸载，其应力应变曲线路径相同。 与弹性变形相比，固体材料的塑性变形具有以下特点： ( 1 ) 塑性变形过程不可逆；( 2 ) 塑性变形阶段，应力与应变成非线性关系；( 3 ) 在载 荷作用下，变形体有的部分仍处于弹性状态，该状态下加载和卸载服从广义胡克定律。 1 2 第2 章南海固定式平台极限承载能力分析基础 但有的部分处于塑性状态，该状态下加载过程服从塑性规律，而在卸载过程则服从弹性 的胡克定律。 2 212 弹塑性简化力学模型 为了简化计算和便于求解弹塑性力学问题，需对眦曲线作迸一步的简化，以得到 工程上适用的简化模型。常见的简化力学模型有四种，如图2 - 9 所示。( a ) 理想弹塑性 力学模型：( b ) 理想线性强化弹塑性力学模型；( c ) 理想刚塑性力学模型；( d ) 理想线性 强化刚塑性力学模型。本文将采用理想弹塑性力学模型对固定式导管架平台结构进行极 限承载能力分析。 - ( b ) ( c )( d ) 图2 9 弹塑性力学常用的简化力学模型 f i 9 2 9s i m p l i f i e dm e c h a n i c a lm o d e lo fp l a s t o e l a s t i c i t y 2 2 2 极限承载能力分析步骤与类型 通常有效的极限承载评估方法多采用以下步骤：首先进行线性整体分析，确定非线 性是局部问题还是整体问题，然后根据需要再进行局部或整体的极限强度分析。a p i 规 范对线性整体分析、局部过载分析和总体非弹性整体分析做了如下描述。 2 2 2 1 线性整体分析 线性整体分析的目的是为了验证过应力是局部还是整体，进而确定哪些构件已经达 到或超过了其屈曲强度。如果没有构件超过极限强度，结构满足要求；如果遇到极少数 构件超过极限强度，此时应该考虑进行局部过载分析；如果有较多构件超过极限强度， 需要进行详细的总体非弹性整体分析。 2 2 2 2 局部过载分析 1 3 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：超强台风下固定式平台极限承载能力分析 对于局部区域的过载，如果能够证明这种过载可以通过荷载重新分配到其他路经而 得到解除，或者由更为精确和更为详细的计算证明事实上构件并没有超载，工程上是允 许这种局部过载的。但是这种证明应基于极可靠的假定，并考虑到构件对于平台整体结 构完整性或功能的重要性。当缺少这种证明时，必须进行详细的总体非弹性整体分析。 2 2 2 3 总体非弹性整体分析 总体非弹性整体分析的目的在于证明平台有足够的强度和稳定性抵抗极端环境荷 载，允许出现局部超载和局部损坏，但不会发生倒塌。海上平台总体非弹性整体分析一 直广泛使用的两种方法是推倒法和时域法。前者适用于静力荷载或可以用等效静力合理 代替的动力荷载作用下的结构极限强度分析，而后者适用于动力载荷作用下的结构极限 强度分析。 2 2 3 极限状态判断准则 对于海洋平台极限承载能力分析，参考文献【5 5 】中给出了经常采用的两个准则来判 定结构的极限状态，只要满足其中的一个条件，则判定结构已经失效。 ( 1 ) 结构体系总刚度矩阵奇异。超静定结构在构件屈服失效时，将在剩余构件构成 的体系中进行内力重分布。当剩余的结构体系或其局部形成机构时，结构体系内的总刚 度矩阵奇异，即 l k i = o ( 2 2 ) ( 2 ) 结构总体位移或局部位移超界。有时尽管结构尚未形成机构，但由于过大位移 亦可能使其丧失工作能力，因而需要设定位移控制条件，即 a 【】 ( 2 3 ) 式中，为结构总体控制位移， 为结构总体控制位移的允许值。其中a = h 1 0 0 ，h 为结构物高度。 2 2 4 基于极限承载能力分析的强度系数 文献 3 4 中l a l a n i 和s h u t t l e w o r t h 首次提出储备强度和剩余强度的概念。海洋平台 结构体系的储备强度和剩余强度能够较好地反映平台服役的安全性，储备强度主要由构 件或节点的设计保守度决定，该强度体现了平台超过设计载荷时结构的承受能力。剩余 强度主要由结构当前损伤状况、结构冗余度、构件利用率和构件重要性等因素决定【5 5 1 ， 是针对损失或缺陷平台而言的，该强度是结构承受损伤或缺陷能力的一种度量。 2 2 4 1 储备强度系数 平台储备强度由储备强度系数咫来评定，储备强度系数定义为结构倒塌时承受载荷 ( 即平台极限承载能力) 与设计载荷的比值， r s 砥佩 ( 2 4 ) 式中，凡为平台极限承载能力，乃为平台设计载荷。 2 2 4 2 剩余强度系数 平台剩余强度可由剩余强度系数届来评定，剩余强度系数定义为受损平台结构极限 承载能力与完好平台结构极限承载能力的比值， 1 4 第2 章南海固定式平台极限承载能力分析基础 r r = f u 风 r 2 5 、 式中，受损平台极限承载能力，如完好平台极限承载能力( r 。砥) 。 2 2 4 3 剩余储备强度系数 平台储备强度系数和剩余强度系数的乘积称为剩余储备强度系数，可作为当前结构 安全水平的参考，定义为 r s r = r s r r = f u r f d ( 2 6 ) 该系数反映了在役平台结构在当前有损伤状态的剩余储备强度，通常要求该系数大 于1 5 。 2 3 本章小结 ( 1 ) 归纳强台风对导管架固定式平台造成的各种损伤模式，分析各模式的失效机理 并提出有效预防措施。 ( 2 ) 分析并研究材料弹塑性变形特征、弹塑性简化力学模型，极限承载能力分析步 骤与类型、极限状态判定准则以及基于极限承载能力分析的强度系数等。为下文平台极 限承载能力分析提供理论基础。 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文：超强台风下固定式平台极限承载能力分析 第3 章台风下导管架固定式平台风载荷数值模拟 针对强台风对海洋平台造成的巨大损伤问题，本章采用计算流体动力学( c f d ) 方法， 对不同风向角入射工况下的导管架平台周围风场进行了三维数值模拟，得到流场压力分 布图、流场速度分布图以及平台和各组块所受风载荷，并在此基础上对数值模拟结果的 特点和规律做出分析，得出有指导性意义的结论。 3 1c f d 数值模拟方法 3 1 1c f d 概述 c f d 是计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) 的缩写，是建立在经典流体 动力学与数值计算方法基础上的- 1 3 新型独立学科【5 6 1 。 c f d 的计算流程图见图3 1 。 图3 - 1o c d 计算流程图 f i 9 3 - 1c a l c u l a t i o nf l o w c h a r to fc f d c f d 具有适用性强、应用面广的优点。同时c f d 也存在一定的局限性。首先，c f d 数值计算是一种近似的方法，其精度取决于物理模型和数学模型的准确性，所以误差不 可避免；其次，不能定性地描述各种流动现象；再者，c f d 需要结合一定的经验，数值 处理方法使用不当可能导致结果不真实【5 卜”】。 1 6 第3 章台风下导管架固定式平台风载荷数值模拟 3 1 2c f d 控制方程 流体流动遵循基本的守恒定律，包括质量守恒方程定律、动量守恒方程定律和能量 定律，c f d 控制方程就是对这些守恒定律的数学描述。 质量守恒方程 i o ui未+尝：0(3-1)-i 一一一= = 苏加瑟 动量守恒方程 鲁+ 警+ 警+ 警= 一古至( 窘+ 萨a 2 u t - , t + 雾_ 7 - x - 0 x + x + + + = 一一土 l + 7 +l + z 国舐咖瑟 p。i 苏2却2 瑟2j 妄+ 罢+ 考+ 警