基于ansys的坐底式平台地震响应分析

基于ansys的坐底式平台地震响应分析

0平台使用需求底部平台在运行过程中支持在底部，可以下沉或发生漂浮。适用于极浅海域。目前,我国有多艘坐底式平台分别在胜利油田和辽河油田海域进行海上作业。胜利开发一号坐底式平台于1992年投入使用,现设计使用年限15年已至,但由于生产的需求,需要继续进行服役。根据相关规范标准的要求,平台的延期使用需要第三方机构对其开展结构安全评估工作。本文是胜利开发一号平台延寿结构安全评估工作的子课题。1管输质量的影响平台地震响应分析过程中,地震载荷应和其他同时出现的荷载,如重力、功能性载荷和甲板载荷进行组合。地震载荷主要是地震惯性力和动水压力,地震载荷计算采用地震响应谱法。平台为多质点体系,平台i质点、j振型水平向的地震惯性力Pij按下式计算:Pij=CKHγjψijβjmig式中:γj为结构j振型参与系数;ψij为j振型、质点i处的相对水平位移,m;βj为j振型、自振周期为Ti(s)时的相应动力放大系数;mi为堆积在质点i的质量,kg;g为重力加速度,m/s2;KH为水平向地震系数,当设计烈度为8度时取0.2;C为综合影响系数,一般为0.35～0.5,取0.5。地震时任意向细长构件水下部分所受到的动水压力P按下式计算:P=CKHβ(CM-1)vγsin2ϕ(i,l)式中:υ为浸水部分的排水体积,m3;γ为流体的容重,kN/m3;ϕ(i,l)为地震的振动方向i与构件l之间的夹角,rad;CM为惯性力系数,取2.0;C、KH、β同上式中说明。对于动水压力作用,常采用将附连水质量m0加到结构单元质量上一起计算,附连水质量可用下式计算:m0=(CM-1)υρsin2ϕ(i,l)式中:ρ为流体密度,kg/m3;其他符号同上式。地震时,地面运动一般有两个水平方向和一个竖直方向的振动,这3个方向不可能在结构上同时产生最大响应。因此在实际模拟计算中,对平台结构最不利的主轴方向取100%,对于与主轴垂直的水平方向取100%,对于与水平面垂直的方向取50%,用这3个方向的地震引起的惯性力和动水压力同时作用于平台结构即为平台所受的地震载荷。2平台主要参数本文以胜利开发一号平台为例,使用有限元分析软件ANSYS对其进行地震响应分析。胜利开发一号平台主要参数为:长56m,宽26m,沉垫高2.0m,为提高其抗滑能力,结构包括12根抗滑桩,采用Φ529×16(原壁厚12.7)D32高强度钢,抗滑桩入泥深度为7m。平台作业水深1.5～6.5m,沉垫入泥0.5m。2.1平台储罐的动液系数胜利开发一号坐底式平台的特点是平台沉垫设有压载舱,有限元分析计算过程中,压载舱的质量模拟对平台的地震响应影响较大,本次分析采用等价质量的概念,在进行模态和地震分析过程中,储罐的等价质量只考虑储液的影响。Housner从理论上导出了储液的等价质量,已被国内外抗震规范采用,其表达式为m2=Frmt,式中:m2为等价质量,kg;mt为储罐内储液总质量,kg;Fr为动液系数见下表1,表中Dt为储罐底层的直径,Hw为储罐内储液高度。根据胜利开发一号平台储罐的底层直径(Dt)和储液高度(Hw),查阅上表,通过差值法计算出该平台储罐的动液系数。其中甲板储油罐的动液系数为0.467。在进行平台自振特性计算和地震响应分析时,压载舱和燃油储罐的质量模拟方式按照上述载荷模拟方式进行,以MASS21质量单元加载到模型中。2.2边界条件的处理根据胜利开发一号平台的结构特点,结构建模时选用BEAM188、PIPE59、PIPE16、SHELL63、MASS21等ANSYS程序自带的单元类型,建立了胜利开发一号平台有限元模型。该平台为坐底式平台,为提高其抗滑能力,平台两侧设置了12根抗滑桩,在建模过程中,抗滑桩的轴向承载力不考虑,只考虑抗滑桩的水平向抗滑能力。因此抗滑桩下部的边界条件不考虑桩与土之间的相互作用。PIPE59单元可用于模拟位于海水以上或浸没于海水中,也可处于半浸没状态的平台构件。在初始状态,PIPE59单元模拟的节点不得进入泥面以下0.125De,De为圆管的外径加上2倍的海生物附着层厚度。对于泥面以下的结构,可用不计流体效应的PIPE16单元模拟。沉垫底板选用SHELL63单元模拟,SHELL63单元在处理边界条件时,使用标贯系数,参照胜利油田的地质勘探数据,本次计算中地基土壤标贯系数取20MPa/m。SHELL63单元标贯系数选项的引用大大减化了边界条件的处理,为ANSYS软件在海洋工程中的广泛应用提供了很好的基础。平台甲板选用BEAM188单元模拟。图1是地震响应谱分析有限元模型。平台的结构自重由ANSYS程序自动生成,为了准确模拟该平台的自振特性,在进行模态计算和地震分析时,功能性载荷以质量单元MASS21的形式加入模型中,并和平台上对应的单元耦合。甲板载荷,包括设备、生活楼、吊机等以质量单元加入到模型中去,从而更准确地模拟平台的自振特性和地震响应分析。模拟计算采用国际通用的结构有限元分析软件ANSYS8.0进行。2.3计算基础(1)地震烈度设计烈度8度。(2)地震响应谱曲线采用文献中三类场地土的地震响应谱曲线。2.4平台自扰特性的计算结果分析2.4.1自振周期分布自振特性计算结果取前10阶振型数据。该平台自振周期较小,一阶振型自振周期0.2201s,二阶振型自振周期0.1902s,与设计波高对应的波周期相距甚远,各阶振型自振周期与频率见表2。2.4.2到甲苯储油罐的振型平台1至4阶振型图见图2～图5。从振型图可以看出第1阶振型由于受到甲板储油罐的影响,振型表现为z方向的振动,第2阶振型为沿x方向的平移振动,第3阶振型为沿y方向的平移振动,第3阶开始产生扭转。其他各阶振型显示的是由于各压载舱的影响而产生的局部z向位移变化。2.5平台地震响应谱分析2.5.1甲苯油罐底部不在8度地震烈度情况下平台地震响应位移不大,最大位移为16.75mm,发生在平台甲板上油罐的底部(见图6)。表3为各不同方向出现最大位移的节点和位移。2.5.2平台支护结构工程按照文献中构件强度与稳定性校核公式计算平台地震响应谱分析的构件强度和稳定性。图7～图10分别为地震工况下不同单元类型的强度和稳定性校核结果。强度和稳定性校核结果表明:地震工况下平台构件最大折算应力为103.71MPa,最大稳定性应力为192.51MPa,最大剪应力为10.33MPa,所有构件强度和稳定性均满足规范要求。由于甲板储油罐质量较大的缘故,储油罐底部甲板和支撑受力较大。参考文献,平台地震响应分析的许用应力可以比静力分析许用应力提高30%,通过对平台钢材的资料研究,胜利开发1号平台所用钢材许用应力为0.6×315MPa×1.333=246MPa。计算结果表明地震响应分析各构件实际应力小于许用应力,可以继续服役。3平台结构分析(1)本文采用SHELL63单元模拟坐底式平台的压载舱结构,通过输入标贯系数简化了平台的边界条件处理,有利于有限元分析软件ANSYS在海洋工程结构计算中的广泛