極端波浪載荷下導(dǎo)管架平臺(tái)抗倒塌性能評估

朱本瑞,陳國明,林 紅,黃 超,劉 康

(中國石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心,山東青島266580)

極端波浪載荷下導(dǎo)管架平臺(tái)抗倒塌性能評估

朱本瑞,陳國明,林 紅,黃 超,劉 康

(中國石油大學(xué)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心,山東青島266580)

提出載荷序列增量分析(LSIA)方法,對極端波浪載荷下導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)進(jìn)行分析。LSIA能夠考慮不同波高及可能的甲板上浪載荷對平臺(tái)側(cè)向載荷分布的影響,“追蹤”平臺(tái)在不同載荷重現(xiàn)期作用下的真實(shí)響應(yīng),從而克服當(dāng)前Pushover的缺點(diǎn)?；贚SIA等效承載能力曲線,提出倒塌重現(xiàn)期NCP,使得平臺(tái)抗倒塌能力評估指標(biāo)具體化。以K型和X型兩種不同結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)管架平臺(tái)為例,采用LSIA方法對其進(jìn)行抗倒塌性能評估,并與Pushover進(jìn)行分析對比。結(jié)果表明,LSIA具有更高的評估精度,能夠確定平臺(tái)結(jié)構(gòu)真實(shí)的倒塌狀態(tài)與失效模式。

極端波浪;導(dǎo)管架平臺(tái);LSIA;評估指標(biāo);極限承載能力;失效模式

臺(tái)風(fēng)引起的極端波浪載荷是海洋平臺(tái)倒塌破壞的主要原因,2002—2005年臺(tái)風(fēng)Lili、Ivan、Katrina和Rita相繼摧毀的122座導(dǎo)管架平臺(tái)中,大部分是由極端波浪引起的過載造成的[1]。GEORGE[2]認(rèn)為北海平臺(tái)倒塌失效與上浪載荷直接相關(guān)。目前,導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)范通常不考慮上浪導(dǎo)致的極大作用力,而是通過規(guī)定最小甲板高程避免上浪現(xiàn)象的發(fā)生,這種采用“最小甲板氣隙”的作法,對于某些沉降嚴(yán)重油田(如北海的Ekofisk油田沉降達(dá)到8 m,并以每年7～14 cm的速度下沉[3]),顯然不能夠?yàn)槠淙珘勖芷诘陌踩厶峁┯行ПＵ?。靜力推覆分析(Pushover)是確定結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)及倒塌行為的有效方法[4-5]。針對導(dǎo)管架平臺(tái)而言,該方法是對結(jié)構(gòu)施加100年一遇的環(huán)境載荷,并將其逐級進(jìn)行放大,直至結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌,然后采用儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)(RSR)來衡量平臺(tái)結(jié)構(gòu)的抗力水平。目前,API、ISO以及DNV規(guī)范普遍推薦使用該方法[6-8],然而該方法存在以下不足:(1)造成平臺(tái)倒塌的環(huán)境載荷較大,其概率往往遠(yuǎn)小于1/100,因此基于100年一遇環(huán)境載荷進(jìn)行放大并不能夠真實(shí)反映平臺(tái)倒塌時(shí)受到的側(cè)向載荷分布;(2)平臺(tái)結(jié)構(gòu)倒塌失效時(shí)的波冠高度有可能大于甲板設(shè)計(jì)高程,而Pushover沒有考慮上浪載荷因素;(3)Pushover得到的極限承載能力曲線無法反映不同波高載荷作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)的響應(yīng),因而對平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全評估提供的信息不足[9]。為此,筆者提出載荷序列增量分析(LSIA)方法,以克服當(dāng)前Pushover方法的缺點(diǎn)。LSIA能夠充分考慮平臺(tái)側(cè)向載荷分布的變化及甲板上浪載荷因素,且其確定的評估指標(biāo)更加直接化、具體化。

1 LSIA方法分析原理

1.1 分析步驟

與Pushover方法不同,LSIA以不同重現(xiàn)期的環(huán)境載荷作為漸進(jìn)加載序列來進(jìn)行極限承載能力分析,其原理如圖1所示。記N={N1,N2,…,Nn},Ni為第i個(gè)載荷序列對應(yīng)的重現(xiàn)期,其載荷參數(shù)可表示為{Vw,H,T,D,Vuc}i,Vw、H、T、D、Vuc分別為重現(xiàn)期Ni時(shí)的風(fēng)速、波高、周期、水深和流速。由此,對平臺(tái)在每種重現(xiàn)期Ni對應(yīng)的載荷作用下分別進(jìn)行一次靜力非線性分析,從而得到平臺(tái)結(jié)構(gòu)基底剪力與位移(或傾覆力矩與轉(zhuǎn)角)的關(guān)系。顯然,當(dāng)載荷重現(xiàn)期N較小時(shí),結(jié)構(gòu)響應(yīng)為線彈性,如圖1(a)、 (b)所示;當(dāng)N足夠大時(shí),結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性響應(yīng)階段,如圖1(c)、(d)所示;這樣,逐漸增大環(huán)境載荷重現(xiàn)期N,最終將得到一種載荷使得平臺(tái)結(jié)構(gòu)處于臨界倒塌狀態(tài),記其載荷重現(xiàn)期為NCP,微量增加NCP將使得結(jié)構(gòu)位移瞬間增大,平臺(tái)發(fā)生倒塌破壞,記此時(shí)結(jié)構(gòu)響應(yīng)曲線為倒塌承載能力曲線(collapse bearing capacity curve,CBCC),如圖1(e)所示;進(jìn)一步將平臺(tái)倒塌前每個(gè)Ni計(jì)算得到的基底剪力與位移繪于同一坐標(biāo)系中,即得到LSIA方法的等效承載能力曲線(equivalent bearing capacity curve,EBCC),如圖1(f)所示。

顯然,相對于Pushover,LSIA方法不僅能夠確定平臺(tái)結(jié)構(gòu)倒塌極限狀態(tài),而且可以綜合反映平臺(tái)在不同重現(xiàn)期載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)信息,從而為服役海洋平臺(tái)全尺度載荷強(qiáng)度下的安全評估提供數(shù)據(jù)支持。由于LSIA方法是基于特定場址載荷要素的概率分布來確定加載序列,所以能夠考慮風(fēng)、浪、流各種載荷因素的相關(guān)性,使得平臺(tái)受到的側(cè)向載荷分布與真實(shí)海洋環(huán)境相一致,從而避免了當(dāng)前Pushover方法采用“單一”強(qiáng)度載荷進(jìn)行“盲目”放大的弊端。

圖1 LSIA原理示意圖Fig.1 Sketch map of load sequence incremental analysis principle

1.2 評估指標(biāo)

基于Pushover方法確定的極限承載能力曲線(UBCC)可以細(xì)分為“線彈性響應(yīng)”、“彈塑性響應(yīng)”和“倒塌響應(yīng)”3個(gè)階段,如圖2所示。由圖2可知, 3個(gè)階段分別由設(shè)計(jì)環(huán)境載荷Rd、構(gòu)件開始屈服載荷Ry以及極限載荷Ru三個(gè)評估點(diǎn)確定。由此,定義儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)RSR=Ru/Rd以評估結(jié)構(gòu)整體抗力水平,延性系數(shù)γ=su/sy以表征結(jié)構(gòu)的塑性變形能力,以及“倒塌響應(yīng)”階段曲線變化趨勢表征結(jié)構(gòu)的倒塌性態(tài),文獻(xiàn)[5]認(rèn)為平臺(tái)達(dá)到極限狀態(tài)后其承載能力迅速下降時(shí)為脆性倒塌,緩慢降低則為延性倒塌,如圖2中曲線①和②所示。

圖2 極限承載能力曲線Fig.2 Ultimate bearing capacity curve

LSIA繼承了當(dāng)前Pushover方法的優(yōu)點(diǎn),并賦予了承載能力曲線新的物理意義,即載荷重現(xiàn)期。參照FEMA350[10]抗震性能評估思想,采用LSIA方法時(shí),將上述3個(gè)評估點(diǎn)重新定義為正常使用(normal operation)、可以使用(immediate operation)和預(yù)防倒塌(collapse prevention),對應(yīng)的載荷重現(xiàn)期分別記為NNO、NIO和NCP。由此,當(dāng)環(huán)境載荷重現(xiàn)期N＜NNO時(shí),平臺(tái)結(jié)構(gòu)能夠正常使用;當(dāng)NNO＜N＜NIO時(shí),平臺(tái)結(jié)構(gòu)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)較低,可以使用;當(dāng)平臺(tái)遭遇的環(huán)境載荷重現(xiàn)期NIO＜N＜NCP時(shí),則應(yīng)發(fā)布預(yù)警信息,擬定應(yīng)急方案,以防止結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌帶來的經(jīng)濟(jì)損失或人員傷亡;而當(dāng)監(jiān)測的環(huán)境載荷重現(xiàn)期N＞NCP時(shí),平臺(tái)結(jié)構(gòu)將不足以抵抗外界載荷而發(fā)生倒塌破壞,此時(shí)應(yīng)對平臺(tái)采取必要的風(fēng)險(xiǎn)控制措施,以降低其失效的后果,如減少平臺(tái)質(zhì)量、關(guān)閉井口、人員撤離等。由此,將承載能力曲線劃分為藍(lán)、黃、橙、紅4級“服役狀態(tài)”監(jiān)測窗口,可為臺(tái)風(fēng)多發(fā)海域的平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性管理、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警以及安全決策提供一定參考。

此外,倒塌重現(xiàn)期NCP與載荷參數(shù)直接相關(guān),即可以確定對應(yīng)的倒塌波高HCP或倒塌風(fēng)速VWCP等,從而使得衡量平臺(tái)結(jié)構(gòu)極限承載能力的參數(shù)更加具體化、形象化和直觀化,更利于結(jié)構(gòu)工程師的理解與應(yīng)用。另一方面,基于該方法確定的NCP可用于平臺(tái)結(jié)構(gòu)可靠性分析中,近似估算平臺(tái)結(jié)構(gòu)倒塌失效的概率,即Pf=P{N＞NCP}。

2 環(huán)境載荷計(jì)算

采用LSIA進(jìn)行極端波浪載荷下平臺(tái)抗倒塌性能評估時(shí),需要額外考慮兩方面的計(jì)算:一是計(jì)算不同重現(xiàn)期對應(yīng)的環(huán)境參數(shù),以確定加載序列環(huán)境載荷值;二是當(dāng)波高大于平臺(tái)甲板高程時(shí),應(yīng)考慮甲板上浪載荷引起的抨擊載荷,即須確定上浪載荷計(jì)算方法。

2.1 環(huán)境參數(shù)極值

極端波浪載荷往往是由臺(tái)風(fēng)或超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)引起的一種發(fā)生頻率相對較高的極值載荷,可采用三參數(shù)Weibull極值分布對極端環(huán)境載荷要素進(jìn)行推算[11],于是有

由此,計(jì)算得到環(huán)境載荷參數(shù)極值xp為

式中,參數(shù)α、μ和ξ分別為尺度參數(shù)、位置參數(shù)和形狀參數(shù),可根據(jù)極大似然估計(jì)法利用MS EXCEL“規(guī)劃求解”功能計(jì)算得到[12]。

2.2 甲板上浪載荷

迄今為止,甲板上浪載荷的計(jì)算尚沒有被普遍認(rèn)可的方法。現(xiàn)有的方法大致可分為側(cè)面輪廓法和細(xì)節(jié)構(gòu)件法兩大類。側(cè)面輪廓法是根據(jù)有效甲板濕水面積及水質(zhì)點(diǎn)壓力,采用拖曳力公式或動(dòng)量公式進(jìn)行計(jì)算;細(xì)節(jié)構(gòu)件方法則分別計(jì)算作用于甲板每根桿件上的波浪載荷,通過屏蔽系數(shù)考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的交互作用,然后進(jìn)行疊加得到總載荷。鑒于后者需要建立所有桿件與設(shè)備模型,對計(jì)算機(jī)及軟件要求高,故本文選用側(cè)面輪廓法,其主要模型包括:API模型、DNV拍擊力模型、SHELL模型和MSL模型等,各種模型的詳細(xì)討論可參考文獻(xiàn)[13-14],采用API模型[6]計(jì)算甲板上浪時(shí),有

式中,Fwd為甲板上浪載荷,N;ρ為海水密度,kg/m3; Cd為拖曳力系數(shù);Vx為甲板淹濕頂部處水質(zhì)點(diǎn)水平速度,m/s;Vuc為與波浪運(yùn)動(dòng)同向的流速,m/s;awkf為波浪運(yùn)動(dòng)系數(shù),臺(tái)風(fēng)時(shí)取0.88;acbf為導(dǎo)管架的海流阻擋系數(shù);A為甲板淹濕輪廓在波浪方向的投影面積,m2;Hwd為甲板上浪高度,m;B為甲板寬度,m。

計(jì)算甲板上浪關(guān)鍵在于確定甲板淹濕位置處的波面高度及水質(zhì)點(diǎn)水平速度,可根據(jù)Stokes 5th波理論建立的色散關(guān)系方程組采用牛頓法編程求解出波長L和系數(shù)λ,然后代入波面公式和速度公式計(jì)算得到[15]。

3 算例分析

3.1 有限元模型及環(huán)境載荷

以兩種不同結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)管架平臺(tái)作為算例,應(yīng)用LSIA方法對其抗倒塌性能進(jìn)行評估,兩平臺(tái)分別記為“K平臺(tái)”和“X平臺(tái)”,如圖3所示。K平臺(tái)的導(dǎo)管架由7層構(gòu)成,4根樁管成雙斜對稱結(jié)構(gòu), ROWA和ROWB斜撐為K型布置;上部組塊為3層,寬25 m,長45 m,質(zhì)量為6.033 kt(包括設(shè)備質(zhì)量);底層甲板高程為15 m;設(shè)計(jì)水深107 m;X平臺(tái)如圖3(b)所示,ROWA和ROWB斜撐為倒K型與K型交叉布置組成的X型結(jié)構(gòu),其余參數(shù)與K平臺(tái)相同。

圖3 海洋平臺(tái)有限元模型Fig.3 Finite element model of platforms

考慮到分析涉及結(jié)構(gòu)非線性倒塌階段力學(xué)行為研究,建模時(shí)應(yīng)充分考慮模擬單元的力學(xué)特性及材料非線性。選用3D彈塑性單元PIPE288建立平臺(tái)導(dǎo)管架部分,材料選取雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型。PIPE288能夠通過OCEAN模塊自動(dòng)模擬計(jì)算波浪載荷,從而大大降低了波浪載荷下導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的計(jì)算工作量。

將上部組塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,并采用線彈性單元PIPE16進(jìn)行模擬;組塊質(zhì)量平均分布在頂部4個(gè)節(jié)點(diǎn)上,采用MASS21單元模擬;忽略樁-土非線性相互作用,導(dǎo)管架底部采用固支約束,即在泥面處約束4條樁腿的所有自由度。

對中國科學(xué)院南海海洋研究所1948—2008年間的環(huán)境載荷資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,由極大似然估計(jì)法得到不同環(huán)境要素的Weibull分布參數(shù)估計(jì)值,見表1。

表1 環(huán)境載荷Weibull參數(shù)估計(jì)Table 1 Weibull parameters estimate of environmental loads

由表1中估計(jì)參數(shù),帶入式(2),可計(jì)算得到該海域不同重現(xiàn)期對應(yīng)的風(fēng)速、波高、周期及流速的極值,見表2,其中Hmax=1.721Hs,Tmax=1.27Tz,其推導(dǎo)過程詳見文獻(xiàn)[16]。表2中的上浪載荷由式(3)計(jì)算得到,其中系數(shù)Cd取2.5,acbf取0.8,B為45 m。

表2 環(huán)境載荷參數(shù)及上浪載荷部分?jǐn)?shù)據(jù)Table 2 Partial environmental load parameters and wave-in-deck loads

由表2可知,平臺(tái)100年一遇設(shè)計(jì)環(huán)境參數(shù)為:波高22.4 m,周期14.1 s、表層流速2.355 m/s,最大風(fēng)速44.2 m/s,從而計(jì)算得平臺(tái)正面(0°)最大波流載荷為15.2518 MN(對應(yīng)最大相位角為32°),風(fēng)載為1.8083 MN。此外,應(yīng)注意到當(dāng)載荷重現(xiàn)期為2000 a時(shí),平臺(tái)開始出現(xiàn)甲板上浪載荷;當(dāng)重現(xiàn)期為5.8×105a時(shí),上浪高度為4.6 m,上浪載荷為34.716 MN,達(dá)到了設(shè)計(jì)環(huán)境載荷的2倍左右,可見上浪載荷作用力之大。

3.2 極限承載能力與性能評估

采用當(dāng)前Pushover和LSIA方法對K平臺(tái)與X平臺(tái)進(jìn)行推覆分析,分別得到兩座平臺(tái)的極限承載能力曲線UBCC和倒塌承載能力曲線CBCC如圖4所示。

圖4 當(dāng)前Pushover與LSIA方法分析結(jié)果對比Fig.4 Result comparison of current Pushover and LSIA

由圖4可知:采用當(dāng)前Pushover方法時(shí),K平臺(tái)與X平臺(tái)均具有較高的強(qiáng)度儲(chǔ)備,RSR分別為4.87和5.50;但其延性性能差別較大,延性系數(shù)γ分別為1.60和3.88;從倒塌階段的響應(yīng)分析可知,平臺(tái)X極限承載能力下降緩慢,倒塌模式表現(xiàn)為延性倒塌,而K平臺(tái)則表現(xiàn)脆性倒塌。由此可知,X平臺(tái)在極限承載能力、延性能力以及倒塌模式方面均表現(xiàn)為優(yōu)良的力學(xué)特性,說明平臺(tái)空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)合理,具有較好的載荷傳遞路徑及冗余性能。相對而言, K平臺(tái)在抵抗外界環(huán)境載荷,特別是載荷超過其極限承載能力時(shí)表現(xiàn)為脆弱性,不利于結(jié)構(gòu)在強(qiáng)臺(tái)風(fēng)或超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)下“生存”。

對比Pushover極限承載能力曲線UBCC與LSIA倒塌承載能力曲線CBCC可知,用兩種方法得到的K平臺(tái)承載能力曲線變化規(guī)律不同,顯然, Pushover過高地評估了K平臺(tái)的極限承載能力;而X平臺(tái)兩曲線變化趨勢一致,平臺(tái)在達(dá)到極限承載能力后,承載能力均緩慢下降,表現(xiàn)為良好的延性性能。

根據(jù)LISA原理,作出兩座平臺(tái)的等效承載能力曲線EBCC如圖5所示。由圖5可知,平臺(tái)結(jié)構(gòu)在彈性響應(yīng)階段,當(dāng)發(fā)生上浪載荷時(shí),等效承載能力曲線出現(xiàn)拐點(diǎn),說明上浪載荷對平臺(tái)載荷分布及結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響較大,進(jìn)一步確定兩座平臺(tái)的性能評估參數(shù)見表3。

由表3可知,K平臺(tái)與X平臺(tái)倒塌重現(xiàn)期NCP分別為3.9×105a和5.8×105a,此時(shí)對應(yīng)的環(huán)境載荷參數(shù):倒塌波高HCP分別為32.9和33.3 m,風(fēng)速VWCP分別為64.5和65.2 m/s,因此若平臺(tái)遭遇的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度大于該倒塌環(huán)境載荷時(shí),平臺(tái)極有可能發(fā)生倒塌破壞。相對當(dāng)前Pushover分析結(jié)果,LSIA得到的K平臺(tái)和X平臺(tái)極限承載能力分別為75.163 7和78.802 4 MN,RSR分別降低9.5%和16.0%?？梢?若不考慮平臺(tái)側(cè)向載荷分布模式以及甲板上浪等因素的影響,僅采用基于100年一遇的環(huán)境載荷進(jìn)行推覆分析,將使得評估結(jié)果偏于保守,容易造成較大的誤差。因此,對服役海洋平臺(tái)特別是抗力衰減嚴(yán)重的老齡平臺(tái)進(jìn)行極限承載能力評估時(shí),建議采用LSIA方法以獲得更加精確的結(jié)果。

圖5 LSIA等效承載能力曲線Fig.5 Load sequence incremental analysis EBCC

表3 基于LSIA的平臺(tái)性能評估參數(shù)Table 3 Performance evaluation parameters based on LSIA

3.3 倒塌失效模式分析

鑒于平臺(tái)承載能力曲線與結(jié)構(gòu)力學(xué)特性相關(guān),為進(jìn)一步闡明兩種方法得到的抗力曲線變化趨勢的迥異,揭示真實(shí)平臺(tái)結(jié)構(gòu)倒塌機(jī)制,提取平臺(tái)結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變分布如圖6所示。

由圖6(a)可知:兩種分析方法得到的K平臺(tái)失效模式發(fā)生顯著變化,從而導(dǎo)致其承載能力曲線變化規(guī)律不同。Pushover分析時(shí),K平臺(tái)主要表現(xiàn)為中層斜撐失效后,導(dǎo)致導(dǎo)管架ROW1和ROW2兩面所有樁腿過載而發(fā)生整體倒塌;LSIA則表現(xiàn)為上層斜撐失效使得平臺(tái)ROW2面樁腿發(fā)生彎曲失效,且平臺(tái)上部組塊與導(dǎo)管架連接構(gòu)件均發(fā)生塑性變形,顯然,這是由于甲板上浪載荷使得平臺(tái)側(cè)向載荷分布更加集中于頂部,從而引起塑性分布區(qū)上移,這進(jìn)一步說明考慮甲板上浪載荷的必要性。

圖6 K平臺(tái)及X平臺(tái)倒塌失效模式對比Fig.6 Collapse failure modes comparison of platform K and platform X

由圖6(b)可知,與K平臺(tái)結(jié)果相似,LSIA方法亦使得X平臺(tái)導(dǎo)管架上部塑性區(qū)擴(kuò)大,但兩種方法得到的平臺(tái)失效模式并沒有發(fā)生顯著的變化,均表現(xiàn)為中層斜撐與水平撐失效后,樁腿因無支撐長度增加而發(fā)生失穩(wěn),最終使得平臺(tái)形成機(jī)構(gòu)而發(fā)生倒塌。顯然,不同載荷分布模式并沒有改變結(jié)構(gòu)最終的倒塌模式,這說明X斜撐具有良好的結(jié)構(gòu)連續(xù)性與載荷傳遞功能,從而使得平臺(tái)上部載荷有效的傳遞給導(dǎo)管架結(jié)構(gòu),在抵抗外界載荷時(shí)表現(xiàn)為良好的抗力水平和延性性能。

綜合K平臺(tái)與X平臺(tái)分析結(jié)果可知,當(dāng)前Pushover方法無法考慮載荷分布變化的影響,在進(jìn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)性能評估時(shí)結(jié)果偏于保守,特別針對發(fā)生上浪載荷的平臺(tái),甚至可能得到錯(cuò)誤的結(jié)論。此外,上浪載荷使得導(dǎo)管架與上部組塊連接構(gòu)件發(fā)生塑性變形,這些連接構(gòu)件處于飛濺區(qū),腐蝕嚴(yán)重,易成為平臺(tái)結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn),因此若連接構(gòu)件抗剪強(qiáng)度不足或無法將載荷有效傳遞給導(dǎo)管架結(jié)構(gòu),一旦上浪載荷較大,則有可能導(dǎo)致平臺(tái)上部組塊側(cè)翻,從而發(fā)生臺(tái)風(fēng)過后觀察到的倒塌失效模式。

4 結(jié) 論

(1)LSIA方法能夠更好地“追蹤”平臺(tái)結(jié)構(gòu)真實(shí)的響應(yīng)以及對應(yīng)的載荷信息,在進(jìn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)抗倒塌性能評估時(shí),能夠有效地考慮甲板上浪載荷對平臺(tái)側(cè)向載荷分布的影響,具有更高的評估精度;基于該方法確定的評估指標(biāo)更加直觀、具體,是當(dāng)前Pushover方法的補(bǔ)充。

(2)極端波浪載荷引起的上浪載荷對平臺(tái)側(cè)向載荷分布以及倒塌失效模式影響較大,巨大的甲板上浪載荷可能引發(fā)平臺(tái)上部組塊的側(cè)翻,對服役平臺(tái)安全評估時(shí)(尤其發(fā)生嚴(yán)重沉降的平臺(tái)),有必要考慮可能的甲板上浪載荷。

(3)不同結(jié)構(gòu)形式的導(dǎo)管架平臺(tái)抗倒塌能力不同,X型構(gòu)造增加了平臺(tái)結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,在抵抗外界水平載荷時(shí),具有良好的載荷傳遞路徑與力學(xué)特性,從而能夠有效提高平臺(tái)結(jié)構(gòu)的抗力與延性,降低結(jié)構(gòu)倒塌的風(fēng)險(xiǎn)。

[1] PUSKAR F J,SPONG R E,KU A,et al.Assessment of fixed offshore platform performance in hurricane Ivan [R].OTC 18325,2006.

[2] GEORGE Z.Wave crest heights and deck damage in hurricanes Ivan,Katrina and Rita[R].OTC 18620,2007.

[3] MARLEY M,ETTERDAL B,GRIGORIAN H.Structural reliability assessment of Ekofisk jackets under extreme loading[R].OTC 13190,2001.

[4] MOAN T.Development of accidental collapse limit state criteria for offshore structures[J].Structural Safety, 2009,31:124-135.

[5] 朱本瑞,陳國明,劉康,等.深水導(dǎo)管架平臺(tái)抗臺(tái)風(fēng)極限承載能力[J].石油學(xué)報(bào),2014,35(1):152-158. ZHU Ben-rui,CHEN Guo-ming,LIU Kang,et al.Typhoon-resistant ultimate bearing capacity of deep-water jacket platforms[J].Acta Petrolei Sinica,2014,35(1): 152-158.

[6] API RP 2A-WSD.Recommended practice for planning, design and constructing fixed offshore platforms—working stress design[S].American Petroleum Institute, 2007.

[7] ISO 19902.Petroleum and natural gas industries-fixedsteel offshore structures[S].International Organization for Standardization,2007.

[8] DNV.ULTIGUIDE-best practice guideline for use of nonlinear analysis methods in documentation of ultimate limit states for jacket type offshore structures[S].Norway:Det Norske Veritas,1999.

[9] GOLAFSHANI A A,BAGHERI V,EBRAHIMIAN H,et al.Incremental wave analysis and its application to performance-based assessment of jacket platforms[J].Journal of Constructional Steel Research,2011,67(3):1649-1657.

[10] FEMA-350.Recommended seismic design criteria for new steel moment-frame buildings[S].Washington D.C.:SAC Joint Venture,Federal Emergency Management Agency, 2000.

[11] 陳團(tuán)海,陳國明,許亮斌.基于臺(tái)風(fēng)驗(yàn)證載荷的平臺(tái)時(shí)變可靠性分析與更新[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2011,35(3):129-134. CHEN Tuan-hai,CHEN Guo-ming,XU Liang-bin. Time-dependent reliability analysis and updating of offshore platforms based on typhoon proof load[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2011,35(3):129-134.

[12] 史景釗,任學(xué)軍,陳新昌,等.一種三參數(shù)Weibull分布極大似然估計(jì)的求解方法[J].河南科學(xué),2009, 27(7):832-834. SHI Jing-zhao,REN Xue-jun,CHEN Xin-chang,et al. A solution method for 3-parameter Weibull distribution of maximum likelihood estimation[J].Henan Science, 2009,27(7):832-834.

[13] RAAIJ K,GUDMESTAD O T.Wave-in-deck loading on fixed steel jackets decks[J].Marine Structures,2007, 20(3):164-184.

[14] RAAIJ K.Dynamic behaviour of jackets exposed to wavein-deck forces[D].Norway:University of Stavanger, 2005.

[15] 董勝,石湘.海洋工程數(shù)值計(jì)算方法[M].青島:中國海洋大學(xué)出版社,2007:237-239.

[16] 文圣常,余宙文.海洋理論與計(jì)算原理[M].北京:科學(xué)出版社,1984.

(編輯 沈玉英)

Anti-collapse performance assessment of jacket offshore platforms in extreme storm waves

ZHU Ben-rui,CHEN Guo-ming,LIN Hong,HUANG Chao,LIU Kang
(Centre for Offshore Engineering and Safety Technology in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

A novel approach called load sequence incremental analysis(LSIA)was established to estimate the ultimate limit states and accurate behaviors of jacket platforms against extreme environmental loading.This approach could take into account the effects of variation in wave height and wave-in-deck loading,and track the actual behavior of platform under different load return periods.Thereby,the shortages of current Pushover analysis(CPA)were overcome.Based on the equivalent bearing capacity curve obtained by LSIA,a parameter called collapse return period(NCP)was introduced,which made the evaluation indicator of platform performance more specifical.On this basis,LSIA was used for the anti-collapse performance assessment of K platform and X platform.The results show that LSIA can achieve better assessment precision than CPA,and be able to determine the real collapse state and failure mode of platforms.

extreme wave;jacket platform;LSIA;evaluation index;ultimate bearing capacity;failure mode

TE 951

:A

1673-5005(2014)03-0135-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.03.022

2013-12-21

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51079159,51209218);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(13CX06079A)

朱本瑞(1986-),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)楹Ｑ笫脱b備強(qiáng)度與可靠性等。E-mail:zhubenrui@163.com。