ISO 19901-22022 石油和天然气工业.海洋结构物的特殊要求.第2部分抗震设计程序和标准标准立项发展报告

ISO19901-2:2022《石油和天然气工业海洋结构物的特殊要求第2部分：抗震设计程序和标准》标准立项发展报告英文标题：StandardizationDevelopmentReport:PetroleumandNaturalGasIndustries—SpecificRequirementsforOffshoreStructures—Part2:SeismicDesignProceduresandCriteria摘要海洋油气资源开发正向深远海持续推进，海洋结构物面临的地震荷载与动力响应问题日益突出。作为国际海洋工程抗震设计领域的基础性技术文件，ISO19901-2:2022《石油和天然气工业海洋结构物的特殊要求第2部分：抗震设计程序和标准》由国际标准化组织（ISO）发布，系统规定了固定式与浮式海洋结构物的地震危险性评价、设计地震动参数选取、结构抗震分析与性能验证等技术要求。本报告围绕该标准的立项背景、国内外海洋工程抗震标准化发展现状、标准主要技术内容、核心修订变化以及与我国现行标准的协调性等方面展开系统分析，重点阐述了该标准在基于性能的抗震设计理念、韧性评价方法及多hazard耦合分析等方面的创新突破。报告指出，我国应加快推进海洋工程抗震设计标准的国际接轨进程，在吸收ISO19901-2:2022先进技术理念的基础上，结合我国海域地震地质特征与工程实践，完善本土化技术指标体系，并积极参与国际标准修订工作以提升我国在该领域的话语权。关键词：海洋结构物；抗震设计；ISO19901-2；标准化；地震危险性分析；性能化设计Keywords:Offshorestructures;Seismicdesign;ISO19901-2;Standardization;Seismichazardanalysis;Performance-baseddesign1引言1.1研究背景随着全球能源需求持续增长和陆上油气资源日趋枯竭，海洋油气资源开发已成为世界能源供给的重要支柱。据国际能源署（IEA）统计，目前全球海洋油气产量约占油气总产量的30%以上，且这一比例仍在持续攀升。海洋结构物作为油气勘探、开采、储运的关键工程载体，其结构安全性直接关系到人员生命安全、生产连续性和海洋生态环境。地震是威胁海洋结构物安全的主要自然灾害之一。全球主要海洋油气产区——包括墨西哥湾、北海、巴西坎波斯盆地、西非几内亚湾以及我国南海海域——均处于不同程度的地震活动带。海洋结构物在地震作用下的破坏不仅会造成巨大的经济损失，还可能引发油气泄漏等次生环境灾害。因此，建立科学完善的海洋结构物抗震设计标准，是保障海洋油气产业可持续发展的基础性工作。1.2标准立项背景ISO19901-2是国际标准化组织海洋结构物技术委员会（ISO/TC67/SC7）制定的系列标准之一，归属于ISO19900《石油和天然气工业海洋结构物的特殊要求》框架体系。该系列标准涵盖了海洋结构物的总体设计要求（ISO19900）、固定式钢质海洋平台（ISO19902）、浮式海洋结构物（ISO19903）、混凝土海洋结构物（ISO19904）以及各专业分项设计规范。其中，ISO19901系列为海洋结构物的通用要求，涉及材料、焊接、岩土设计、抗震设计等多个专业方向。ISO19901-2:2022为该标准的第三版，取代了ISO19901-2:2004及其增补件。新版标准在总结近二十年全球海洋工程抗震实践经验的基础上，融合了地震工程领域的最新研究成果，对海洋结构物抗震设计的技术体系进行了全面修订和完善。2国内外相关标准发展现状2.1国际标准化进展在国际标准层面，ISO19901-2的演变轨迹深刻反映了海洋工程抗震设计理念的持续演进。2004年首版发布时，该标准主要沿用以强度为基础的设计方法（强度设计法），设计地震动参数以单一重现期的峰值加速度作为主要表征指标，对结构非线性行为的考虑相对有限。2022年版则全面引入了基于性能的抗震设计（Performance-BasedSeismicDesign,PBSD）框架，强调根据不同结构的重要性等级和功能要求设定差异化的抗震性能目标，建立了涵盖地震危险性分析、场地效应评价、结构动力分析、能力设计验证等环节的完整技术链条。除ISO体系外，国际海上石油作业者协会（IOGP）、美国石油学会（API）等国际行业组织也发布了相关推荐做法。APIRP2EQ是目前国际上应用广泛的海洋平台抗震设计推荐规程，与ISO19901-2在技术内容上保持了高度协调，两者互为参照，共同构成了国际海洋工程抗震设计的双轨体系。2.2国内标准化现状我国海洋工程抗震设计标准化工作起步相对较晚，但近年来发展迅速。目前，我国在海洋工程抗震设计领域主要依据以下标准体系：-GB50011-2010《建筑抗震设计规范》（2016年版）：虽主要针对陆上建筑，但在地震动参数取值、场地分类等方面为海洋工程提供了基础性参考；-GB/T17503-2009《海上平台场址工程地质勘察规范》：规定了海洋平台场址岩土工程勘察的技术要求；-SY/T10030-2004《海上固定平台直升机场规划、设计和建造推荐作法》：涉及海上固定平台的相关设计规定；-JTS146-2012《水运工程抗震设计规范》：适用于港口水工建筑物的抗震设计，部分条款可用于近岸结构物。然而，上述标准在针对深水海洋结构物的抗震设计方面仍存在明显不足：一是缺乏系统性的地震危险性概率分析方法；二是对浮式结构物和顺应式结构的抗震设计要求涉及甚少；三是在性能化设计方面的技术储备不足。因此，系统研究ISO19901-2:2022的技术内容，对完善我国海洋工程抗震标准体系具有重要参考价值。3ISO19901-2:2022标准核心内容解析3.1标准适用范围与总体框架ISO19901-2:2022适用于钢质或混凝土材料的固定式海洋结构物、浮式结构物以及顺应式结构物（如张力腿平台、立柱式平台等）的抗震设计。该标准不适用于海底管道、立管系统等附属设施的地震设计，但其中规定的设计地震动参数可为这些设施的地震安全性评价提供参考。标准共分为十个章节和三个附录，总体框架如表1所示：|章节|内容|关键技术要点||------|------|-------------||第1章|范围|适用范围、与其他ISO标准的关联||第2章|规范性引用文件|引用ISO19900系列及API标准||第3章|术语和定义|定义了50余个专业术语||第4章|符号和缩略语|统一标准使用的符号体系||第5章|抗震设计原则|性能目标设定、韧性理念引入||第6章|地震危险性评价|概率地震危险性分析（PSHA）||第7章|设计地震动参数|反应谱构建、时程选取||第8章|结构抗震分析|线性/非线性分析方法及其适用条件||第9章|能力设计验证|延性要求、极限状态校核||第10章|特殊结构类型|浮式结构物、深水顺应式结构物|3.2地震危险性评价新版标准将地震危险性评价作为抗震设计的基础环节予以重点关注。标准明确要求采用概率地震危险性分析方法（ProbabilisticSeismicHazardAnalysis,PSHA），综合考虑区域内地震活动性参数、地震动衰减关系、场地土条件等因素，建立场地地震危险性曲线。与2004版相比，2022版标准在以下几个方面进行了重要更新：-地震动衰减关系：采用了更广泛的全球地震动预测方程（GMPE）数据库，并建立了与场地分类体系匹配的选取原则；-多地震源模型：明确要求考虑断层破裂模型和面源模型，对于近断层场地应考虑近场方向性效应和滑冲效应；-不确定性处理：引入了逻辑树方法（LogicTree）对认知不确定性进行系统量化，从而更科学地反映地震危险性评价中客观存在的不确定性因素；-场地效应评价：增加了对复杂场地条件（如软土覆盖层、海底地形效应）的专门考虑，推荐采用一维等效线性化或非线性场地响应分析方法。3.3设计地震动参数标准定义了三个层次的地震设计工况，分别对应不同的性能目标：-极端事件地震（ELE）：重现期约200年，要求结构在ELE作用下保持弹性状态，不产生显著损伤；-罕见事件地震（RLE）：重现期约1000年（根据结构暴露等级可在500-2500年之间调整），允许结构进入非线性阶段但需控制损伤程度；-超罕见事件地震（ABE）：重现期约5000年（对高暴露等级结构适用），要求结构虽可能严重损伤但不发生整体倒塌。这一层次化地震设防水准的划分，充分吸收了陆上建筑抗震设计规范中"小震不坏、中震可修、大震不倒"的设防思想，但针对海洋结构物的功能需求和修复可行性进行了针对性调整。对于浮式结构物，由于其在强震作用下的动力响应特征与固定式结构有本质不同，标准在ELE和RLE层面提供了专门的设计准则和简化分析方法。3.4结构抗震分析方法标准推荐了从简化到精细的多层次分析方法体系：1.等效静力法（EquivalentStaticMethod）：适用于结构规则、动力特性简单的低阶模态占优结构；2.反应谱法（ResponseSpectrumMethod）：利用设计反应谱结合振型分解法进行线性动力分析，适用于大多数固定式平台；3.非线性静力推覆分析（PushoverAnalysis）：评估结构在单调递增水平荷载作用下的非线性行为，用于验证结构的延性能力和塑性铰形成顺序是否合理；4.非线性时程分析（NonlinearTimeHistoryAnalysis,NTHA）：针对重要结构或具有显著非规则特性的结构，通过输入多条地震动时程记录进行逐步积分分析，全面捕捉结构的非线性动力响应。3.5基于性能的设计框架与韧性理念2022版标准最为突出的创新在于系统引入了基于性能的抗震设计框架，其核心思路是：根据不同结构的重要性等级（暴露等级），设定明确的抗震性能目标，并据此选择适当的设计地震水准和分析验证方法。标准将暴露等级分为L1（低）、L2（中）、L3（高）三级，不同等级对应不同的设计准则和容许损伤水平。在性能目标的设定方面，新版标准明确了三个层面的要求：-生命安全（LifeSafety）：结构在RLE作用下不得发生整体倒塌或重要构件失效，保证平台人员的疏散通道畅通；-功能连续性（OperationalContinuity）：关键设施如钻井设备、油气处理系统等在ELE作用后应能维持运行或快速恢复功能；-可修复性（Repairability）：结构损伤应限制在可检测、可评估、可修复的范围内，确保灾后损伤评估的可行性和修复的经济性。同时，标准引入了结构韧性（Resilience）的评价概念，要求在设计中不仅要考虑峰值响应指标（如最大层间位移角），还需评价结构在强震后的残余变形能力和功能恢复潜力。对于连接构件（如导管架平台的桩-腿连接节点、浮式平台的系泊系统连接点等），标准特别强调了其在极端荷载作用下的损伤容限要求。3.6多灾害耦合分析针对海洋结构物长期服役期间可能面临的多种极端环境荷载叠加作用，新版标准显著加强了多灾害耦合分析的条款。标准要求在地震分析中考虑以下联合工况：-地震+风：对于具有较大风受面的上部组块和直升机甲板，应考虑台风与地震同时发生的概率；-地震+波浪/海流：对于深水导管架平台和顺应式结构，应在时域分析中同时施加地震动输入和波浪荷载时程，考虑两者的相位关系；-地震+冰荷载：对于寒冷海域结构，应考虑海冰与地震联合作用的最不利工况组合；-地震+火/爆炸后工况：对于火灾或爆炸后结构已受损的情况，应按剩余结构进行抗震校核。这一多灾害分析框架的引入，反映了海洋工程界对结构在真实服役环境中遭受复合荷载作用认识的深化，也体现了标准制定对工程实际需求的积极响应。4主要参与单位介绍4.1ISO/TC67/SC7组织架构ISO19901-2:2022由国际标准化组织下设的ISO/TC67（石油、石化和天然气工业用材料、设备和海上结构技术委员会）负责制定，其分技术委员会SC7（海洋结构物）具体承担本标准的编制工作。SC7的工作范围涵盖所有类型的海洋结构物设计、建造、运输、安装和退役全过程的技术标准化。SC7汇聚了来自全球主要油气生产国、工程公司、船级社、科研机构和高等院校的百余名专家，下设多个工作组（WG），其中WG3专门负责地震设计标准的制修订工作。WG3的核心成员来自美国石油学会（API）、挪威船级社（DNV）、壳牌（Shell）、英国石油（BP）、雪佛龙（Chevron）等国际知名企业和机构。4.2核心编写单位介绍ISO19901-2:2022的修订工作由美国石油学会（API）主导，联合挪威船级社（DNV）、法国船级社（BV）以及壳牌全球解决方案公司（ShellGlobalSolutions）等机构共同完成。美国石油学会（API）：作为全球领先的石油天然气行业标准制定组织，API在ISO19901-2修订中发挥了不可替代的协调作用。API将自身发布的APIRP2EQ《海洋固定式平台抗震设计推荐做法》作为基础蓝本，与ISO19901-2进行深度对标，确保两份文件在技术指标体系上的协调一致。API承担了地震危险性分析方法、设计反应谱构建、非线性分析验证等核心章节的起草工作，并协调组织了大量技术验证算例的联合计算任务。挪威船级社（DNV）：凭借在挪威北海和巴伦支海海洋工程领域长期积累的抗震设计实践经验，DNV在浮式结构物抗震设计方法、多灾害联合分析、结构韧性评价等方面贡献了大量技术成果。DNV主导了该标准中浮式结构物部分以及深水顺应式结构物设计方法相关条款的编制，同时负责协调欧洲各国专家意见，确保标准兼顾不同海域的地震地质特点。4.3我国参与情况5国际比对与我国标准协调性分析5.1与国际主流标准的技术比对|技术要素|ISO19901-2:2022|APIRP2EQ|GB50011-2010|差异分析||----------|------------------|------------|---------------|----------||设计地震水准|三水准（ELE/RLE/ABE）|两水准（强度级/延性级）|三水准（小/中/大震）|概念体系一致程度较高，但参数取值差异明显||地震危险性方法|PSHA（逻辑树）|PSHA|场地相关谱+区划图|我国以区划图为基础，PSHA应用较少||场地分类|按剪切波速分五类|类似ISO体系|按等效剪切波速分四类|需注意分类界线的对应关系||性能目标|三等级+韧性要求|两等级|三水准以变形控制为主|ISO较API更为细化||多灾害耦合|系统要求|简要提及|未涉海工场景|ISO最为全面|5.2我国标准协调性分析将ISO19901-2:2022引入我国应用时，需要重点关注以下几个协调性问题：地震动参数区划图的衔接问题：我国现行GB18306-2015《中国地震动参数区划图》所提供的峰值加速度和特征周期区划值，是按陆上场地条件编制而成。海洋场地与陆上场地的地震反应特性存在明显差异，直接套用区划值可能导致设计地震动偏于不安全或过于保守。