中心一號動力平臺推倒分析

叢軍 王振法

摘要：闡述了平臺結(jié)構(gòu)倒塌分析的原理及評定結(jié)構(gòu)安全性能的指標，并以勝利油田中心一號動力平臺為例，用SACS軟件對其進行結(jié)構(gòu)倒塌的全過程分析。通過分析對平臺儲備強度進行評估，并對結(jié)構(gòu)如何增強儲備強度提出建議。

關鍵詞：導管架平臺；推倒分析；儲備強度

中圖分類號：TU473.1 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

1.引言

隨著海上油氣開發(fā)的不斷發(fā)展，越來越多的海洋平臺被投入建造和使用，我國海上油氣分布以近海為主，導管架式平臺由于其結(jié)構(gòu)簡單，造價低和安全可靠等特點是近海油氣開發(fā)主要的海洋平臺結(jié)構(gòu)形式。到目前為止，我國共建成各類導管架式固定平臺百余座。這些固定式平臺設計壽命一般是15到20年。該類平臺作為大型超靜定鋼結(jié)構(gòu)，按照相關規(guī)范進行設計，一般都具有一定的強度冗余。隨著全球氣候變暖，極端環(huán)境出現(xiàn)的越來越頻繁，有些臺風風力甚至超過平臺設計所能承受的最大風力，此時為了評估平臺在極端環(huán)境下的安全可靠性，必須評估平臺的極限強度，倒塌分析的目的就是為了求得平臺的極限強度，因而對平臺進行倒塌分析具有重要的工程意義。

目前船舶與海洋工程極限強度的計算方法主要有三種：直接計算法，逐步破壞分析法和數(shù)值計算方法。本文所采用的方法是數(shù)值計算法。數(shù)值計算法又稱有限元法，是使用計算機有限元程序模擬整個結(jié)構(gòu)單元再進行離散化分析計算，計算過程中可包含幾何和材料非線性因素，求出平臺極限強度的方法。

目前極限強度分析多針對船舶，針對導管架極限強度的研究并不是很多。本文應用SACS有限元軟件中collapse模塊進行倒塌計算。針對勝利油田中心一號動力平臺，首先建立服役初期無缺損模型（設計結(jié)構(gòu)）。之后根據(jù)現(xiàn)場檢測報告，考慮腐蝕，沖刷，海生物、及平臺結(jié)構(gòu)的損傷情況建立現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)模型，并且根據(jù)檢驗報告及相關標準，通過預估未來五年之后的結(jié)構(gòu)損傷程度（包括估計結(jié)構(gòu)每年的腐蝕、沖刷、及海生物生長等）模擬五年之后導管架平臺的有限元模型（超期服役結(jié)構(gòu)）。以逐級增加環(huán)境載荷的方法，對平臺進行非線性分析，進而得出平臺的強度儲備比（Reserve Strength Ratio即RSR）[1-3]。

2.計算原理

倒塌分析的理論基礎是大變形和塑性理論。當載荷逐步增加時，可以計算得到每個載荷步的節(jié)點變形、單元應力和剛度矩陣。當某一桿件的應力值達到其屈服強度時。就會產(chǎn)生塑性變形、結(jié)構(gòu)整體剛度減小；當載荷繼續(xù)增加時，增加的載荷將被傳遞到相鄰的桿件上去。隨著載荷的進一步增加，會有越來越多的桿件發(fā)生塑性變形，直到結(jié)構(gòu)整體倒塌[4]。

倒塌分析包括三個迭代過程：首先，對于任何一個載荷步，根據(jù)桿件截面特性，可以計算得到梁一柱模型的解：然后進行整體剛度迭代計算，考慮了節(jié)點彈性，塑性以及失效等情況的影響，基礎的剛度迭代計算則需考慮樁—土共同作用非線性影響。完成一次迭代求解后，將結(jié)構(gòu)變形與上一次的迭代結(jié)果進行比較。如果計算結(jié)果不收斂，用梁受到內(nèi)外部載荷作用產(chǎn)生的位移來重新計算單元的剛度陣。重復上述過程，直到計算結(jié)果收斂。計算時須考慮樁一土共同作用非線性影響[5-6]。

對于像海洋平臺這樣的大型結(jié)構(gòu)，倒塌分析將需要很長的計算時間，因為計算時，軟件每根桿件會默認分成8個單元，最大可分為20個單元，這樣可以通過考慮每個內(nèi)部單元端部的位移和旋轉(zhuǎn)角度來模擬桿件內(nèi)部的大位移非線性影響，如下圖1所示：

圖1 桿件內(nèi)部單元非線性特征模擬

對圓管，每個單元還會沿周長（截面）被進一步分成12等份，對于型鋼，如工字鋼，劃分為7份，具體如下圖2所示。

圖2 倒塌分析中梁截面的劃分

海洋結(jié)構(gòu)體系的儲備強度由其儲備強度系數(shù)來表征，而儲備強度系數(shù)定義為結(jié)構(gòu)倒塌時荷載與設計荷載之比，即儲備強度比。儲備強度給出了超過設計荷載時結(jié)構(gòu)的承受能力。它同單個構(gòu)件或節(jié)點的設計保守程度有關，但最終取決于結(jié)構(gòu)中各桿件和節(jié)點的性能以及它們的組合情況。儲備強度主要來源于結(jié)構(gòu)冗余度、規(guī)范安全系數(shù)、結(jié)構(gòu)設計中的多階段控制、以及腐蝕容差。

到目前為止，海洋平臺結(jié)構(gòu)的設計一直是以單個構(gòu)件為對象進行的。通常認為，當結(jié)構(gòu)中所有構(gòu)件和節(jié)點都滿足規(guī)范要求時結(jié)構(gòu)是安全的，否則結(jié)構(gòu)是不安全的。但實際上，通常的海洋平臺結(jié)構(gòu)都有很大的冗余度。當結(jié)構(gòu)上的一個構(gòu)件或節(jié)點失效后，如果結(jié)構(gòu)仍具有冗余度，結(jié)構(gòu)仍可能具有相當?shù)膬鋸姸取鋸姸缺龋≧SR）可按下式計算：

（1）

式中Fu為極限荷載下的基底剪力或傾覆力矩，F(xiàn)d為平臺設計荷載。該系數(shù)反映了在役平臺結(jié)構(gòu)在當前有損狀態(tài)的剩余儲備強度。當其大于1時，當前有損狀態(tài)的結(jié)構(gòu)遭遇原設計荷載時不會倒塌。通常要求該比值大于1.6。

3.有限元計算模型

埕島中心一號動力平臺是一座六腿式導管架結(jié)構(gòu)平臺，共分二層。導管架頂標高為+3.90m，底標高為-10.50m，高14.40m在標高+3.00m，-2.50m和-9.00m之間設豎向斜撐。四角主導管雙向斜度7.071：1，中間主導管單向斜度為10：1。主導管在水平周邊撐相接的管結(jié)點處采用E32級鋼，其余部位采用D級鋼。如圖1所示：

圖3 中心一號動力平臺SACS有限元模型

4.載荷計算

4.1 結(jié)構(gòu)功能性荷載

結(jié)構(gòu)功能性荷載為平臺自身結(jié)構(gòu)，設備，生產(chǎn)設施，作業(yè)等原因產(chǎn)生的荷載。結(jié)構(gòu)重量及所受到浮力，由計算程序自動生成，其中包括海生物重量及受到的浮力。甲板活荷載分為最大活荷載和最小活荷載，活荷載參考《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》，活載荷數(shù)值按下表進行施加：

設備自重及位置根據(jù)工藝總體布置提供的設備布置圖以及現(xiàn)場調(diào)研測量數(shù)據(jù)確定，包括設備以及設備支撐的重量。棧橋荷載根據(jù)棧橋的設計重量加上棧橋上管線的重量，以member載荷的形式施加到平臺上。

4.2 環(huán)境荷載

此次分析按照API RP 2A推薦做法，考慮8個極端環(huán)境荷載作用方向：0o、45o、90o、135o、180o、225o、270o、315o進行校核，極端環(huán)境荷載參數(shù)按照API RP2A-WSD有關原則進行選取。環(huán)境載荷選取的基本原則為：極端環(huán)境荷載條件選取50年重現(xiàn)期海洋環(huán)境條件；風、波浪、海流、海冰環(huán)境載荷計算方法如下所述：

作用在結(jié)構(gòu)上的風荷載采用API RP 2A 中2.3.2c節(jié)中的風力計算公式：

（2）

式中： —風力； —風速； —空氣質(zhì)量密度； —形狀系數(shù)； —結(jié)構(gòu)物迎風面積；

極端風暴工況采用50年重現(xiàn)期的一分鐘平均風速；對甲板以上構(gòu)件，主要考慮設備房、分離器等設備所受的風載荷，將其受風面積產(chǎn)生的風力作用到相應節(jié)點上；對已輸入模型的構(gòu)件風載荷計算，則由程序自動按照構(gòu)件截面形狀和位置，確定其高度系數(shù)和形狀系數(shù)并形成風載荷直接作用于構(gòu)件上。

單位長度上的波浪荷載按Morison公式計算：

（3）

式中： —海水密度，kg/m3；CD —拖曳力系數(shù)；CM —慣性力系數(shù)；D —圓形桿件直徑，m；U —垂直于桿件軸線的水質(zhì)點相對于桿件的速度分量，m/s； —垂直于桿件軸線的水質(zhì)點相對于桿件的加速度分量，m/s2； —波浪力，N。

圓柱單位長度上的流荷載 由下式計算：

式中： —拖曳力系數(shù)； —單位長度圓柱垂直于流的投影面積，m2/m； —設計海流流速，m/s； —流荷載，N。

4.3 土壤參數(shù)

本文土壤計算參照《ZX1#工程地質(zhì)勘察報告》。山東海盛海洋工程集團有限公司工程公司2013年08月，進行編制。

5.計算結(jié)果分析

根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)模型進行推倒分析，對平臺先施加結(jié)構(gòu)自重和設備荷載等基本載荷，然后施加極端環(huán)境荷載，逐漸放大環(huán)境荷載系數(shù)直至平臺被推倒，此時的極端環(huán)境荷載系數(shù)即是平臺的儲備強度比。8個方向的儲備強度系數(shù)如下表所示：

表1 儲備強度比計算結(jié)果

極端環(huán)境荷載作用方向 儲備強度比 受損桿件部位

0o 3.79 +6.5水平層，導管架與上部組塊連接處

45o 5.50 +6.5水平層，導管架與上部組塊連接處

90o 4.69 +6.5水平層，導管架與上部組塊連接處

135o 4.24 +6.5水平層，導管架與上部組塊連接處

180o 4.15 +6.5水平層，導管架與上部組塊連接處

225o 4.24 +6.5水平層，導管架與上部組塊連接處

270o 4.51 +6.5水平層，導管架與上部組塊連接處

315o 4.96 +6.5水平層，導管架與上部組塊連接處

由計算結(jié)果可知，極端環(huán)境荷載作用方向為0o時，儲備強度比最小，為3.79。說明平臺在遭遇極端設計工況下極端環(huán)境荷載后，仍有2.79倍的極端環(huán)境荷載儲備強度。儲備強度較大，滿足規(guī)范要求。

另外由結(jié)果可以看出，平臺結(jié)構(gòu)強度較薄弱的地方位于+6.5米水平層導管架與上部組塊連接處，若想進一步增加結(jié)構(gòu)的儲備強度比可對此處構(gòu)件做相應加強。

環(huán)境荷載為0o時，平臺推倒破壞效果圖如下圖所示：

圖4 0o極端環(huán)境荷載平臺倒塌變形（儲備強度比3.79）

6.結(jié)論

本文針對中心一號動力平臺，考慮樁-土相互作用，對平臺進行倒塌分析得到如下結(jié)論：

1. 極端環(huán)境荷載作用方向為0o時，儲備強度比最小，為3.79，儲備強度較大，滿足規(guī)范要求。

2.計算結(jié)果顯示，平臺結(jié)構(gòu)強度較薄弱的地方位于+6.5米水平層導管架與上部組塊連接處，分析原因如下：平臺上部模塊面積較大，荷載中不乏配電間，中控室之類受風面積較大的重量單元，在極端環(huán)境荷載作用下產(chǎn)生較大風力。因此作用在上部組塊的橫向荷載較大使得導管架與上部組塊連接處構(gòu)件承受較大彎矩。若想進一步增加結(jié)構(gòu)的儲備強度比可對此處構(gòu)件做相應加強。

參考文獻

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[4]《導管架平臺倒塌分析》夏凡 武漢理工大學碩士論文2012

[5]《海洋導管架平臺的極限強度分析》，許濱，申仲翰。海洋工程，1994

[6]《海洋樁基平臺》羅傳信 天津大學出版社，1988