渤海固定平臺非線性時程地震的抗震設計

付殿福，邵衛東，王忠暢

(中海油研究總院，北京 100028)

我國大多數海上油氣田開發的水深在200 m以內，最主要的開發工程設施為固定式導管架平臺[1]。通過渤海海域已設計平臺的結構分析結果回歸發現，對于風、浪、流環境條件不是特別惡劣的海域，地震工況應是導管架平臺結構設計的主要控制工況[2]。渤海油田為我國最大的海上油田，年產油當量約3 000萬t，目前擁有各類生產設施近140座。由于渤海特殊的地理位置，尤其是蓬萊、渤中區域，相比東海、南海海域，渤海區域的地震相對惡劣，并且由于地震評價標準和要求的不斷提高，反映到地震地表加速度的數值相比10年前的數據更加惡劣。通過圖1可見，歷次強震主要集中在N38°～39°、E119°～121°之間，即渤中&蓬萊油田區塊；目前渤中區塊有35座固定平臺、蓬萊區塊13座(含蓬萊19-3綜合調整項目在建的4座)平臺在服役，地震工況是該區域平臺的絕對控制工況，良好的抗震設計對結構安全、降本增效意義重大。

圖1 渤海海域強地震震中分布

本文從結構抗震設計的設計規范、設防標準、設計分析方法等方面入手探討結構抗震設計技體系，并以渤海某平臺為例開展在該技術體系下的結構抗震設計分析實例。

1 海洋平臺抗震設計規范

目前，國內進行固定式導管架平臺設計時，基本上采用美國石油協會的API RP-2A WSD規范的要求和方法[3]，并結合《渤海海域鋼質固定平臺結構設計規定》相關要求[4]。API RP-2A WSD規范要求對平臺場址首先進行地震活動評價, 用以確定設計使用的地震地面運動的強度和特性。規范中對固定式平臺地震結構分析分為兩種工況：強度水平地震分析(strength level earthquake)和韌性水平地震分析(ductility level earthquake)，規范要求強度水平地震分析中結構桿件和節點均不允許發生破壞；對于韌性水平地震，在部分桿件或節點發生破壞后，要求結構仍有足夠剛度不發生倒塌。

2014年美國石油學會發布最新的API RP-2EQ規范[5]對結構抗震設計給出了更進一步的要求。

2 海洋平臺抗震設防標準

抗震設防標準是工程抗震設計的準則，它規定結構或設施應該具有多大的抗震能力，或者說具有何種程度的地震安全性[6]。

國際上普遍采用二級、三級設防標準，超越概率差異較大；我國各行業普遍采用三級設防思想，即小震不壞、中震可修、大震不倒，并且各行業根據行業特點制定專用規范。目前我國海洋平臺領域尚未有國家級的抗震設防標準[7]。通過對比分析國內外不同行業的設防標準可見，認為目前階段采用的抗震設防“中震不壞、大震不倒”的二級抗震設防標準基本符合我國海洋油氣開采行業的經濟性與安全性的平衡。

“中震不壞”對應200年一遇水平地震，設防目標為：主結構、樁不發生破壞，結構應變應保持在彈性范圍。

“大震不倒”對應1 000年一遇水平地震，設防目標為：主結構可發生塑性變形，整體結構不倒塌；樁基礎應避免破壞。

3 海洋平臺抗震設計方法

地震作用是一種高度非線性、非平穩隨機過程, 無論在時間、空間和程度上都具有很強的模糊性和隨機性[8]。目前常用的海洋平臺抗震設計方法包括靜態法、反應譜法[9]、靜力彈塑性法，以及最新的時程非線性法，海洋工程領域以反應譜法最為常用。

3.1 線性反應譜方法

渤海海域海洋平臺抗震設計常采用的方法為反應譜方法(即常規線性方法)，大多數情況基于SACS程序開展結構抗震設計。常規抗震設計方法采用模態疊加法進行結構動力分析，即進行抗震動力計算時，首先計算平臺結構模態，認為平臺變形是由多階模態線性疊加得到。使用該方法的前提條件是假定平臺整個系統為線性系統。

采用線性方法，平臺材料特性考慮為線性變化，樁-土之間相互作用簡化為線性彈簧，在地震分析過程中，樁-土之間的關系保持不變。隨后計算簡化后平臺的動力特性，輸入地震響應譜曲線，用以進行地震動力分析，得到地震荷載后，利用API規范進行桿件和節點校核。平臺安全性判斷標準是：主節點UC≤1.0，主要桿件UC≤1.0，樁基礎安全系數大于1.2。

3.2 時程非線性方法

時程非線性方法，考慮結構材料非線性特性的同時，也考慮了平臺樁基礎與土壤的樁土非線性作用，在上述兩點的基礎上開展平臺韌性地震工況下的結構評估。

鋼制海洋平臺在地震荷載作用下，具有很強的塑性延展能力，在地震力的作用下結構桿件將發生塑性變形，塑性變形的發生有助于結構吸收和耗散地震能量。

根據鋼材材料特性，在地震韌性分析中考慮結構的非線性，程序可以考慮材料的塑性變形對平臺結構強度的貢獻及吸收地震的能量，當桿件失效后可剔除桿件對平臺結構剛度貢獻繼續進行分析。平臺安全性判斷標準是：平臺部分桿件或節點發生破壞，但平臺仍有足夠的剛度不發生倒塌。

本文提出的時程非線性分析方法正是基于上述理論，使用USFOS程序開展設計分析。

3.3 時程非線性方法技術優越性

固定式導管架平臺通過鋼樁固定于土壤中，具有明顯的非線性特征，主要體現有兩點：①導管架結構材料非線性。對于鋼制結構當應力超過屈服強度，應力-應變曲線表現為非線性；②固定式導管架平臺樁-土之間的非線性特性。線性的反應譜理論無法充分反映結構和土壤的非線性特性，也就無法精確評估上述非線性效應。

采用時程非線性分析法，不但能夠考慮地震的時間歷程特性，而且能夠考慮地震過程中反應譜分析方法所不能描述的結構的非線性特性。在進行時程非線性分析時，隨著分析中時歷地震不斷激勵平臺，導致局部結構桿件因破壞退出工作，計算程序自動更新平臺失去該結構后的剛度，重新分配剛度及桿件內力進行下一步的計算分析，直至平臺發生倒塌或達到定義的分析時長[10]。

與傳統線性譜分析法相比，采用時程非線性方法進行導管架平臺地震分析，有以下特點：①材料的力學特性考慮非線性特性；②平臺的整體剛度隨結構桿件失效實時調整；③考慮材料和樁-土之間非線性特性。有助于在保證結構抗震安全性基礎上，對平臺結構進行優化設計。

4 海洋平臺結構抗震技術體系

結合多年的海洋平臺抗震設計實踐，初步形成了一套符合我國海域抗震設計情況的海洋平臺結構抗震技術系框架，見圖2。

圖2 結構抗震技術體系

5 渤海平臺抗震設計實例

渤海八腿八主樁導管架平臺所處水深為27.7 m，導管架分為3個水平層，海生物厚度為0.15 m，鋼樁直徑為2.134 m。上部組塊操作重約13 500 t。采用常規線性方法和時程分析方法在同等地震重現期下對平臺樁基進行設計。對于固定式導管架平臺，在地震工況下工作點處位移、結構安全性和樁頭力是關注的重點。采用梁單元模擬平臺的桿件，采用板殼單元模擬平臺的甲板。常規反應譜法(線性方法)平臺模型見圖3，時程非線性分析方法平臺模型見圖4。

圖3 反應譜法平臺結構模型

圖4 時程分析平臺結構模型

5.1 地震參數及地震時程位移

采用200年及1 000年重現期泥面處地震響應譜。重現期200年地震譜用于強度水平地震分析，重現期1 000年地震譜于韌性水平地震分析。重現期為1 000年平臺場地地震參數見表1、2。

表1 場地水平向設計地震動參數與地震系數K值

表2 場地設計規準譜特征參數

地震反應譜β(T)的表達式為

(1)

式中：T為反應譜周期；βm為反應譜最大值；Tg為反應譜特征周期；T0為反應譜線性上升起始時間；T1為反應譜線性上升截止時間，c為衰減系數；αmax為地震最大影響系數。

其地震加速度譜見圖5。

圖5 平臺場址1 000年地震加速度譜

根據平臺場址重現期1 000年地震響應譜，通過隨機擬合方法，利用數值計算法，得到7條平臺場址的地震位移時程曲線(見圖6)，作為平臺韌性地震分析的輸入條件，分析時間為40 s。

圖6 地震時程位移

5.2 時程非線性方法與線性方法結果對比

采用前述地震條件，基于API規范利用常規線性方法，對導管架樁基結構進行設計。采用圖6地震條件，基于API規范“不倒塌”的要求本利用時程非線性方法，對導管架樁基結構進行設計。在滿足規范要求前提下，對兩種設計方法的主要節點強度、樁基強度校核結果進行對比，樁基設計結果見圖7。

圖7 線性方法與非線性方法樁基礎設計結果對比

采用線性分析方法導管架主腿206L節點沖剪UC值為1.20，不滿足規范要求，需要增加壁厚或內部加強環，使該節點設計滿足要求，最大鋼樁壁厚達到90 mm。

采用本文所述時程非線性分析方法，導管架主腿206L節點UC值為0.45，樁基采用最大壁厚為80 mm即可滿足導管架韌性地震分析規范要求。

采用時程非線性方法上可降低鋼樁壁厚及重量，及鋼樁建造和安裝難度，節省平臺的建造和安裝投資。

6 結論

渤海某平臺抗震設計實例證明：基于時程非線性抗震設計方法的海洋平臺結構抗震技術體系對實現海洋平臺結構的安全性與經濟性統一效果明顯，可將目標平臺鋼樁平均壁厚從70 mm降低到55 mm，同時也可降低導管架主腿節點壁厚，整體上降低了導管架及鋼樁壁厚，平臺建造和安裝難度也隨之大幅降低。

預計通過時程非線性抗震設計技術可節省渤海常規八腿平臺鋼樁用鋼量500 t，降幅占平臺鋼樁總重約15%。

提出海洋平臺結構抗震技術體系建議：對于常規的線性分析方法技術成熟，計算結果偏保守，對于地震工況不占主導控制工況的南海海域海洋平臺結構設計，仍建議采用該方法進行結構設計。對于渤海海域、東海部分地震嚴重海域，采用常規線性方法進行結構抗震設計將導致設計結果偏于保守，建議采用非線性時程方法進行結構抗震設計，以優化導管架與樁基礎結構尺寸，實現降本增效。