南海固定式平臺極限承載力分析方法研究

摘 要：本文提出對南海海域環境荷載下服役的固定式導管架平臺的極限承載力分析的特殊方法，并運用實例計算，證明這一方法的正確性和實用性。

關鍵詞：南海海域；導管架平臺；極限承載力分析

1 引 言

早期應用于近海石油開發的海洋平臺大多是固定式導管架結構，導管架平臺屬于大型復雜結構，通常結構具有很大的冗余度，屬于高次超靜定體系，其富余的冗余度將大大提高結構抵抗外荷載作用的極限承載能力。導管架平臺所處的環境十分復雜，平臺結構在海洋中長期承受著風、浪、流、冰及地震等多種環境因素的干擾，環境腐蝕、海生物附著和材料老化、構件缺陷和機械損傷以及疲勞累積等各種不利因素都將導致海洋平臺結構局部構件或整體抗力的衰減。尤其是對于服役中后期的海洋平臺，及時掌握平臺結構的安全狀況是十分必要的。因此，定期對平臺進行檢測與安全評估，建立平臺的檢測、安全評估及管理系統，從而進行科學決策，是一項非常重要而迫切的工作。目前，主要的安全評估法有兩種：一種是用結構的強度儲備來計算平臺的失效概率[1]；另一種則是用統計方法來估算倒塌的概率[2]。而這兩種方法中，環境荷載作用下結構極限強度的估算是問題的關鍵。因此，已建成的服役結構體系的安全評定須考慮結構抵抗環境荷載的極限承載力[3]。

綜合國內在平臺極限承載能力方面的研究發現，研究對象絕大多數是針對渤海或東海平臺，因此考慮的動載荷主要是冰載荷，即冰載荷作用下的極限承載能力[4][5][6]。而對于南海海域，波浪載荷為主要載荷，尤其是臺風極端波浪載荷作用下的導管架平臺極限承載能力分析目前還很少開展相關研究。

2 極限承載能力分析方法

目前國內外普遍采用的評價固定式海洋平臺極限承載能力的方法為靜力彈塑性分析法，又有文獻稱作為推倒法[7]。該方法能夠計算出結構從線彈性、屈服一直到極限倒塌狀態的內力與應變。其基本原理是：將環境載荷施加在平臺力學模型上，然后逐級放大載荷，平臺構件相繼屈服，直至平臺倒塌，倒塌時平臺承受的載荷即為極限承載能力。其中，載荷的施加方法通常有以下兩種：一是按重現期施加，如重現期為 100 年、500 年、1000 年，逐級施加；另一種是以某重現期載荷為基礎載荷，然后利用載荷放大系數逐級放大載荷。

極限承載能力分析常用ANSYS軟件進行，當冰荷載作為主要荷載時，分析加載就相對簡單，因為絕大多數分析均采用理論公式直接計算出冰荷載，作為基礎荷載施加到平臺與海面接觸處，由于冰荷載可以計算出一個具體的數值，利用載荷放大系數逐級放大載荷就比較方便。但是南海海域的主要荷載是臺風作用下的極端波浪荷載，在運用ANSYS計算波流荷載時，我們通常是用PIPE59來模擬波流荷載的功能，通過設置Water Motion Table讓程序自動計算波流荷載，但是PIPE59不能很好的模擬材料的塑性變形，所以我們考慮用PIPE20來代替PIPE59，這就帶來新的問題，即PIPE20不具備 PIPE59 模擬波流載荷的功能，導致無法施加波流載荷。因此，本文通過研究一種新的方法來解決這一問題。

2.1 主要單元介紹

本文關于極限承載能力方法的研究主要涉及ANSYS軟件中兩種管單元——PIPE20和PIPE59，下面介紹一下這兩種單元的特性[8][9]：

2.1.1 PIPE20單元

PIPE20單元是具有拉壓、彎曲、扭轉性能的單軸單元。單元的每個節點有6個自由度：沿節點坐標x，y，z方向的位移和繞節點坐標x，y，z軸轉動。單元具有塑性、蠕變、膨脹特性。可以選擇打印單元坐標系中單元所受的力以及瞬態作用。

2.1.2 PIPE59單元

PIPE59單元是與空間梁單元類似的圓管形單元，可以考慮軸向拉壓、扭轉、彎曲變形，同時擴充了單元的海洋環境荷載，即浮力、波浪與海流荷載的計算功能。PIPE59單元的橫截面是圓管形，通過指定外徑與厚度實常數確定，同時還需要給拖曳力系數和慣性力系數賦值。PIPE59單元支持線性與非線性材料，同時也支持大位移與大變形，還支持動力分析。通過填寫Water Motion Table，可進行海洋環境荷載作用下的結構線性、非線性靜力與結構線性、非線性動力分析。對于海洋環境荷載，計算中可以考慮管外壁上的附著層，在動力計算的附加質量計算中可以計入附連水質量與管內、外附著質量。

2.2 極限承載能力分析步驟

（1） 應用PIPE59單元特性計算設計載荷：運用ANSYS軟件建立平臺有限元模型，平臺飛濺區和海平面以下管單元使用 PIPE59單元模擬，在不施加風荷載的情況下，按100年一遇波浪和海流環境參數對平臺進行靜力分析，計算100年一遇波流設計載荷；

（2） 計算節點位移比重：根據第一步靜力分析結果，提取導管架主要層節點在 X 或 Y 方向的位移值，并計算單個節點占所用層節點總位移的比重，簡稱節點位移比重；

（3） 替換PIPE20單元重新施加設計載荷：將第一步靜力分析模型中的所用管單元用 PIPE20 代替，按照導管架每個層節點的位移比重，將波流設計載荷進行分配，并以集中力的形式施加在每個層節點上；

（4） 驗證單元替換前后作用效果：對比單元替換前后各主要層節點的位移和應力，如果結果在可允許的誤差范圍內，則可進行下一步求解；

（5） 求解極限承載能力：通過載荷放大系數將設計載荷逐步放大，分載荷步對平臺進行靜力計算至不收斂，即結構達到設定的極限狀態，相應的極限載荷即為平臺的極限承載能力。

3 具體模型計算實例

3.1平臺有限元模型

采用ANSYS軟件建立平臺的有限元模型，整個導管架平臺模型采用四種單元類型： PIPE59、PIPE20、BEAM4及SHELL43。下部導管架和上部甲板框架的主要豎向支撐構件采用PIPE59單元，泥線以下采用PIPE20單元，甲板平面的框架梁采用BEAM4單元，水平甲板采用SHELL43單元。PIPE59單元截面由外徑、壁厚、法向曳力系數、法向慣性系數、內部液體密度、外部附著物密度、外部附著物厚度確定；PIPE20單元截面由外徑和壁厚確定；BEAM4單元截面形式選用矩形，單元參數包括截面的高度、寬度、面積和截面慣性矩；SHELL43單元參數包括四節點處的厚度。整個模型采用同一種鋼材，彈性模量為2.0E11Pa，泊松比為0.3，密度為7850 kg/m3，材質為D36，屈服強度為360 Mpa。

平臺結構幾何參數如表1所示。

3.2 環境荷載計算

3.2.1 環境條件

3.2.2 風荷載的計算[10]

由公式計算所得風荷載數據見表2。

3.2.3 波浪、海流荷載的計算

固定式導管架平臺結構在海平面附近的構件都是圓鋼管，并且構件直徑一般都小于海浪波長的1/5，Morison 等人研究認為這樣的構件對波浪的影響相對較小，波浪力可由拖拽力和慣性力相加而得，由Morison公式來計算。

同波浪荷載一樣，海流荷載也是按Morison公式計算的，由于海洋平臺的整體荷載是由Morison方程得出的局部荷載迭加而成，所以必須采用合適的局部流速。在海洋中，實際上海流往往與波浪作用同時出現，聯合作用在平臺樁腿上，通常分別計算波浪力和海流力，然后進行矢量相加。

在 ANSYS 有限元軟件的結構計算中，只要在前處理模塊中的Water Motion Table 中輸入相應的波高、周期、水深、流速和作用方向等參數，就能通過 PIPE59單元的特殊計算功能來求得波浪荷載和海流荷載對結構的作用力[11]。計算中，不同的波峰相位角作用下對結構所產生力的大小是不同的，計算前需通過APDL語言預先編寫的波峰相位角搜索程序，在施加波浪荷載的同時對結構模型進行0°～360°相位角搜索，得出最大作用力所對應的波峰相位角，再把所得的波峰相位角輸入Water Motion Table 中的相應位置進行波浪作用計算[12]。

3.3 設計荷載作用下平臺靜力分析

以0o入射角工況為例，基于上面所述的方法對平臺進行靜力分析，并提取導管架主要層節點位移結果，然后計算各節點位移比重，結果如表3所列。由于0o入射角工況的載荷作用方向沿X軸，因此Y方向位移可忽略。

3.4 單元替換前后的靜力分析對比

將原始平臺有限元模型中的PIPE59單元用PIPE20代替，按照管架每個層節點的位移比重，將波流設計載荷進行分配，并以集中力的形式施加在每個層節點上進行靜力計算，提取結果并進行比較。管單元替換前后，作用在平臺模型上的載荷都是設計載荷（即100年一遇的風浪流載荷），不同的是替換前的波流載荷由 PIPE59 模擬，而替換后的波流載荷則由各主要層節點承擔。

由管單元替換前后平臺導管架位移等值線圖的對比可知，單元替換前后節點位移變化趨勢完全一致，最大位移發生處也基本相同。進一步將主要層節點位移列表對比可知，替換后的位移結果要比替換前稍小，但二者誤差較小，表明按節點位移比重分配波流荷載的加載方式比較合理。

然后，通過載荷放大系數將設計載荷逐步放大，分載荷步對平臺進行靜力計算至不收斂，求得結構的極限荷載，這部分工作很多文獻均有描述，這里就不再贅述。

4 結語

由于南海海域波浪載荷為主要動載荷，尤其是臺風極端波浪載荷作用下的導管架平臺極限承載能力分析方法，與通常情況下冰荷載為主要荷載的極限承載能力分析方法不同，本文提出新的方法，并歸納總結出詳細的方法步驟，以一個實體算例證明該方法的正確性和實用性。

參考文獻

[1] M. Lalani， E.P. Shuttlewort. The ultimate limit state of offshore platforms using reserve and residual strength principles [C]. OTC 6309， 1990.353-364

[2] 歐進萍， 段忠東， 肖儀清； 海洋平臺結構安全評定-理論方法與應用[M]. 北京： 科學出版社， 2003：182-212

[3] Ueda Y. Modern Method of Ultimate Strength Analysis of Offshore Structure. Inter.J. of Offshore and Polar Engineering，Vol.1.No.1，March，1991，27-41

[4] 許濱， 申仲翰， 呂聰.渤海八號導管架生產平臺極限承載力分析. 中國海洋平臺， 1994， Z1期

[5] 李向紅， 渤海灣四樁新型平臺的極限荷載， 江蘇理工大學學報， 1999， Vo1.20， No.2

[6] 范運林， 陳環， 渤海新型海洋平臺承載能力的模型試驗研究， 水利學報， 1995， No.5：44-49

[7] 歐進萍， 劉學東， 陸欽年等； 現役導管架式海洋平臺結構整體安全度評估[J]； 海洋工程， 1996， 14（3）： 83-90

[8] 李茜， 楊樹耕. 采用 ANSYS 程序的自升式平臺結構有限元動力分析.中國海洋平臺， 2003， Vo1.18. No.4.

[9] 楊樹耕， 孟昭瑛， 任貴永. 有限元分析軟件ANSYS在海洋工程中的應用. 中國海洋平臺. 2000， I5 （2）.

[10]陳盈， 導管架平臺結構整體安全水平分析與標定， 哈爾濱工業大學， 2011. 06

[11]楊進， 劉書杰， 謝仁軍， ANSYS在海洋石油工程中的應用[M]， 石油工業出版社， 2010. 02， 47-199

[12]龔曙光， 謝桂蘭. ANSYS 操作命令與參數化編程[M]. 北京： 機械工業出版社， 2004.