南海某導管架海洋平臺倒塌分析

唐友剛，朱龍歡，李 焱，劉成義，張少洋

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072; 2.天津大學 建筑工程學院，天津 300072)

南海某導管架海洋平臺倒塌分析

唐友剛1, 2，朱龍歡1, 2，李 焱1, 2，劉成義1, 2，張少洋1, 2

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072; 2.天津大學 建筑工程學院，天津 300072)

針對在役老齡導管架平臺進行倒塌計算分析，確定極限承載力進而評估老齡導管架的安全裕度。采用非線性有限元方法，考慮平臺的波流載荷及樁-土的非線性相互作用，利用SACS軟件建立導管架整體三維有限元計算分析模型，并用逐步加載的方式，對南海某導管架平臺進行了全過程非線性倒塌分析。計算分析表明，該導管架平臺極限強度很高，具有較大的安全裕度；導管架倒塌過程呈逐步破壞形式，先是撐桿屈服，造成局部結(jié)構(gòu)破壞，然后是鋼樁發(fā)生屈服，降低結(jié)構(gòu)承載力，最后節(jié)點逐步失效，造成結(jié)構(gòu)倒塌。揭示了導管架平臺結(jié)構(gòu)失效倒塌的機理，給出了倒塌分析的可行方法和步驟。

導管架海洋平臺；倒塌分析；風險；剩余強度

Abstract:Pushover analyses were performed for an aging jacket-type platform to obtain the ultimate capacity and then to evaluate the safety margin.A three-dimensional finite element model of the jacket platform was established using SACS software.Based on the step-by-step loading method,the nonlinear collapse analysis for the jacket offshore platform in the South China Sea was performed,considering the loads of wave and current and the nonlinear interaction between soil and piles.The analysis results show that the ultimate strength of this jacket platform is at a high level,with a large margin of safety.The collapse of the platform is the result of gradual damages.Firstly,the brace begins to yield,causing damages of partial structure.Secondly,the piles start to yield,reducing the capacity.Finally,some joints fail,resulting in the collapse of the whole structure.Overall,the mechanism of the failure and collapse of the jacket platform is revealed,and the feasible analysis method and procedures of collapse analysis are put forward.

Keywords:jacket offshore platform; pushover analysis; risk; residual strength

我國至今有近百座導管架平臺在服役，它們的壽命已經(jīng)超過設(shè)計壽命的一半甚至大于設(shè)計壽命，正進入老齡化階段，但這些老齡平臺大部分經(jīng)過維護改造后繼續(xù)采油。目前這些老齡化平臺的許多構(gòu)件已有不同程度損傷和銹蝕，加之所處海洋環(huán)境非常復雜且極其惡劣，存在多種安全隱患。特別是在我國南海，臺風頻發(fā)，而且風力強勁，破壞力很大，直接導致導管架平臺失效、破壞，甚至倒塌。不但會帶來巨大的直接經(jīng)濟損失以及重大人員傷亡，還可能對環(huán)境造成嚴重污染，產(chǎn)生不良的社會影響。

一般地，桿件彎曲受到外部載荷作用先發(fā)生彈性變形，然后屈服進入塑性變形，最后破壞。由于導管架海洋平臺是超靜定高冗余度結(jié)構(gòu)，即使個別桿件達到屈服極限發(fā)生破壞，也只是局部結(jié)構(gòu)破壞，不會影響整體結(jié)構(gòu)的安全，平臺結(jié)構(gòu)仍可以承受較大的載荷。只有關(guān)鍵節(jié)點、關(guān)鍵桿件發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)才會發(fā)生倒塌傾覆。而通過對平臺結(jié)構(gòu)進行倒塌分析，可以獲得平臺結(jié)構(gòu)極限強度，確切掌握導管架平臺結(jié)構(gòu)在什么樣的情況發(fā)生桿件失效、什么樣的情況下樁基承載力不足，什么樣的情況下發(fā)生倒塌，進而對平臺結(jié)構(gòu)的風險改造進行控制，使得平臺結(jié)構(gòu)能夠滿足使用要求。因此，對平臺結(jié)構(gòu)進行倒塌分析具有重大的工程實際意義。

倒塌分析的研究對于導管架平臺結(jié)構(gòu)整體安全評估具有重要意義，受到海洋工程設(shè)計維修部門及廣大學者重視。許濱和申仲翰于1994年結(jié)合非線性模擬技術(shù)及線性分析程序成功地分析了受靜載荷和環(huán)境載荷作用下的導管架平臺極限強度[1]。其后，許濱和申仲翰又于1996年對渤海八號樁基導管架平臺進行了非線性倒塌分析，考慮了樁-土相互作用的非線性影響[2]。肖儀清等研究了導管架平臺裂紋、凹痕、腐蝕、海生物附著、地基土沖刷等缺陷和損傷對導管架平臺結(jié)構(gòu)極限承載力的影響[3]。陳祥余等研究了基礎(chǔ)的不同簡化約束條件對導管架平臺結(jié)構(gòu)極限承載力的影響[4]。何懋華等采用單元替換法分析計算了南海某固定式平臺的極限承載能力[5]。此外，張燕坤、Paulo、劉錦昆、嵇春艷、Behrouz等學者對非線性倒塌分析也進行了深入研究，取得大量研究成果[6-10]。目前，倒塌分析理論已經(jīng)非常成熟。同時，一些海洋工程結(jié)構(gòu)分析的商業(yè)軟件也開發(fā)了用于倒塌分析的分析模塊，例如SACS軟件的COLLAPSE模塊就是針對導管架平臺倒塌分析的模塊，可以考慮樁-土非線性相互作用。

逐級增加載荷法是非線性倒塌分析的有效方法，即控制載荷增加幅度，然后逐級增加作用在平臺上的載荷，對平臺結(jié)構(gòu)進行非線性彈塑性分析，直到平臺倒塌?？梢詫俄斘灰婆c增加的載荷系數(shù)曲線趨于平緩作為平臺倒塌的指標。

本文采用逐級增加載荷法，考慮樁-土非線性相互作用，利用SACS軟件建立三維有限元計算分析模型，對南海某導管架平臺進行倒塌分析計算，得到了該平臺極限承載力，以及平臺目前的安全裕度。

1 倒塌分析原理

倒塌分析基于大變形和塑性理論，采用逐級增加載荷方法進行計算分析。逐級增加載荷，計算每個載荷步的節(jié)點位移和單元應(yīng)力，并生成新的剛度矩陣。計算每個載荷步時，當某一桿件應(yīng)力值超過彈性極限時就會發(fā)生塑性變形，同時該桿件剛度相應(yīng)降低，從而載荷將重新分配到相鄰未發(fā)生塑性變形的桿件上。隨著載荷的進一步增加，發(fā)生塑性變形的桿件也越來越多，直到整個導管架結(jié)構(gòu)倒塌。

SACS軟件作為一款結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析軟件，經(jīng)過充分考核，廣泛應(yīng)用于海洋工程領(lǐng)域，得到了海洋工業(yè)界的普遍認可。其COLLAPSE模塊[11]包括3個迭代過程：一是對每個載荷步，都根據(jù)桿件截面特性計算梁-柱模型解；然后迭代計算整體剛度矩陣，同時考慮節(jié)點彈塑性變形以及節(jié)點失效等情況的影響；在基礎(chǔ)剛度迭代計算中考慮了樁-土相互作用(PSI)的非線性影響。

每完成一次迭代后，SACS軟件將與上一次迭代計算的結(jié)果進行比較，如果計算結(jié)果不收斂，則采用梁受到內(nèi)外部載荷所產(chǎn)生的位移來重新計算單元剛度矩陣，然后重復上述過程，直至結(jié)果收斂。迭代過程中同時考慮樁-土相互作用(PSI)的影響。

在迭代計算樁-土相互作用的過程中，首先假設(shè)沿著整個樁的長度方向的變形和角位移都為0，求解土壤的力和剛度。然后依據(jù)給定的樁頭位移求解出樁的變形和角位移，同時根據(jù)樁的變形和角位移重新計算土壤的力和剛度。

SACS軟件可以根據(jù)每個分段的變形和角位移計算各分段的內(nèi)力，并求出各分段的塑性變形。并將此結(jié)果代入下一次迭代計算，重復此過程直至樁沿長度方向的變形以及角位移都收斂。

樁沿長度方向的變形和角位移都收斂后，SACS軟件將通過增加樁頭的變形和角位移求出相應(yīng)的剛度矩陣以及約束反力和彎矩。最后將樁頭的塑性結(jié)果轉(zhuǎn)換到整體坐標系進入下一次迭代計算。

2 導管架結(jié)構(gòu)模型

本文所分析的導管架海洋平臺位于中國南海海域，設(shè)計水深99.1 m，為8主樁(4根角主樁與4根內(nèi)主樁)、4裙樁的固定式鋼制導管架平臺，于1994年11月投產(chǎn)，設(shè)計壽命20年，根據(jù)評估和生產(chǎn)需要該平臺將延壽服役至2026年。

圖1 導管架平臺三維有限元模型Fig.1 Three-dimensional finite element model of the jacket platform

導管架平臺結(jié)構(gòu)主要由圓管、型鋼、型材、板等構(gòu)成，建模過程中主要采用梁單元和板殼單元，所有節(jié)點處理為剛性連接。立管與隔水套管，不灌漿的樁與導管之間的連接，采用wishbone單元進行模擬，但需要正確釋放節(jié)點的約束，例如wishbone單元連接在導管上，只對樁有水平方向的約束，無軸向和三個轉(zhuǎn)動方向的約束，則應(yīng)該釋放軸向和三個轉(zhuǎn)動約束。如果節(jié)點的約束設(shè)置錯誤，則會導致總體剛度矩陣奇異，致使計算失敗。由于鉆井和生活模塊對整體倒塌分析影響不大，為加快運算速度，將鉆井和生活模塊結(jié)構(gòu)處理成為彈性單元，忽略其塑性變形。

建立的導管架海洋平臺分析模型如圖1所示。

3 導管架結(jié)構(gòu)缺陷與損傷

導管架平臺結(jié)構(gòu)損傷和結(jié)構(gòu)缺陷可能會降低結(jié)構(gòu)強度或者放大載荷作用[12]，影響結(jié)構(gòu)的安全。該導管架平臺已經(jīng)服役20年，長期處在惡劣環(huán)境之中，可能產(chǎn)生腐蝕、裂紋、凹陷等缺陷和損傷，同時遭受海生物，地基沖刷等影響。由于缺乏關(guān)于裂紋、凹陷等缺陷損傷的資料，本文在建模過程中考慮了腐蝕、海生物、地基沖刷等的影響。

腐蝕對鋼材的強度和彈性模量等性質(zhì)影響不大,但腐蝕削減了構(gòu)件截面,影響了結(jié)構(gòu)的極限承載力[3]。本文采用折減管厚的方式考慮腐蝕。海生物主要是加大了桿件直徑以及粗糙度，因此會放大環(huán)境荷載對結(jié)構(gòu)的作用，在計算環(huán)境載荷時可以通過增加桿件計算直徑和修改水動力系數(shù)的方式給予考慮。地基沖刷使得埋入海底的有效樁長減少，并且樁頭位置也發(fā)生相應(yīng)變化，在采用SACS計算過程中，通過修改樁頭位置的方法予以考慮。

4 載荷施加

倒塌分析過程中需要考慮的載荷主要劃分為：固定載荷、活載荷、環(huán)境載荷、動力載荷等。

SACS軟件可以自動計算已經(jīng)建出的平臺結(jié)構(gòu)(包括建立的附屬構(gòu)件)自重及浮力，而永久設(shè)備及其它重量可以通過卡片直接輸入SACS軟件。

環(huán)境載荷可以通過seastate文件輸入進行計算，依據(jù)API規(guī)范推薦方法，環(huán)境載荷計算方向選取12個典型方向，包括平臺寬度方向(90°和270°)、長度方向(0°和180°)以及對角線方向(35°，49°，131°，145°，215°，229°，311°和325°)，此外，在建模過程中，考慮了波浪和海流的耦合效應(yīng)，如圖2所示。

圖2 倒塌環(huán)境載荷方向Fig.2 The directions of the environmental loads considered in the collapse analysis

樁-土相互作用可以通過psi文件將土壤特性數(shù)據(jù)導入SACS計算程序進行考慮。SACS可以根據(jù)土壤特性數(shù)據(jù)按照API規(guī)范計算出樁軸向載荷-樁位移關(guān)系T-Z曲線、樁側(cè)向承載力-位移關(guān)系P-Y曲線以及樁尖載荷-位移關(guān)系Q-Z曲線，進而采用非線性彈簧模擬樁-土的相互非線性作用。

5 計算結(jié)果與分析

倒塌分析以一百年一遇設(shè)計極端環(huán)境載荷作為初始載荷，根據(jù)倒塌加載順序表和載荷步，逐漸加大設(shè)計極端環(huán)境載荷倍數(shù)。

5.1極限承載力分析

根據(jù)倒塌分析結(jié)果可以得到導管架平臺極限承載力，本文用設(shè)計極端環(huán)境載荷的倍數(shù)表示，如表1所示。

表1 倒塌計算分析結(jié)果Tab.1 The results of the collapse analysis

從表1可以看出，在131°、215°、229°三個方向承載力最小，設(shè)計極端環(huán)境載荷倍數(shù)為2.6，即在極端工況作用下，仍然可以繼續(xù)承受1.6倍的極端環(huán)境載荷，也就是說導管架海洋平臺極限承載力很高，還有較大的安全裕度，這符合該平臺的高冗余度特征。

5.2倒塌過程分析

針對0°、49°、90°三個方向環(huán)境載荷作用，計算得到導管架平臺整體位移(樁頂位移)隨載荷逐漸增加而變化的曲線，如圖3所示。

從圖3中，可以看出整個倒塌過程：

0°方向隨著載荷逐漸增加，當導管架整體位移達到0.527 m，導管架海洋結(jié)構(gòu)第一根撐桿開始屈服；達到0.673 m，第一根鋼樁開始屈服；到1.172 m時，結(jié)構(gòu)第一個節(jié)點失效；最后到2.511 m，結(jié)構(gòu)開始倒塌；

49°方向隨著載荷逐漸增加，當導管架整體位移達到0.401 m，導管架海洋結(jié)構(gòu)第一根撐桿開始屈服；達到0.664 m，第一根鋼樁開始屈服；到1.365 m時，結(jié)構(gòu)第一個節(jié)點失效；最后到2.020 m，結(jié)構(gòu)開始倒塌；

90°方向隨著載荷逐漸增加，當導管架整體位移達到0.445 m，導管架海洋結(jié)構(gòu)第一根撐桿開始屈服；達到0.633 m，第一根鋼樁開始屈服；到0.850 m時，結(jié)構(gòu)第一個節(jié)點失效；最后到3.491 m，結(jié)構(gòu)開始倒塌，如圖4所示。

由圖4看出，導管架倒塌過程呈逐步破壞形式，先是撐桿屈服，造成局部結(jié)構(gòu)破壞，然后是鋼樁發(fā)生屈服，降低結(jié)構(gòu)承載力，最后節(jié)點逐步失效，造成結(jié)構(gòu)完全倒塌。

圖4 90°方向環(huán)境條件下倒塌示意Fig.4 The collapse of the jacket platform in 90° direction

5.3風險等級

從倒塌過程來看，隨著載荷增加，導管架海洋平臺整體位移逐漸增加，導管架海洋平臺也相應(yīng)的逐步發(fā)生破壞。導管架海洋平臺在倒塌過程中的不同程度的破壞形式所面臨的風險后果是不同的，因此可以將導管架平臺發(fā)生的不同程度的破壞形式劃分為不同的風險等級。例如，當?shù)谝桓鶕螚U發(fā)生屈服時，可能導致導管架海洋平臺發(fā)生局部破壞，降低導管架海洋平臺局部強度，但不會對導管架平臺整體結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生嚴重影響，因此可以將此時破壞形式劃分為低風險；當?shù)谝桓摌栋l(fā)生屈服時，可能導致鋼樁被拔出或者無法承載等危險，嚴重影響結(jié)構(gòu)的承載力及載荷分布，并嚴重影響導管架平臺結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)安全，但不會導致結(jié)構(gòu)坍塌，可以將此破壞形式劃分為中等風險；當導管架結(jié)構(gòu)第一個節(jié)點失效時，可能導致導管架局部結(jié)構(gòu)嚴重破壞，甚至蔓延引起大面積結(jié)構(gòu)破壞，最終引起結(jié)構(gòu)倒塌，此時結(jié)構(gòu)面臨很高風險，可以將此破壞形式劃分為高風險，如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)逐步破壞風險等級Tab.2 Classification of the risks in the gradual deformation of the structure

5.4剩余強度

通過剩余強度理論對各風險等級劃分進行了分析。剩余強度系數(shù)定義為結(jié)構(gòu)從所處風險等級直至倒塌還能承受的基底剪力與極限載荷下的基底剪力之比。根據(jù)剩余強度理論可以知道，當剩余強度系數(shù)越高，說明結(jié)構(gòu)此時強度越強、越安全。反之，剩余強度系數(shù)越低，結(jié)構(gòu)此時強度越弱，面臨倒塌的風險越高。剩余強度系數(shù)可按下式計算：

式中：Fm是結(jié)構(gòu)極限載荷下的基底剪力，F(xiàn)c是結(jié)構(gòu)所處風險等級時的基底剪力，F(xiàn)a是結(jié)構(gòu)從所處風險等級直至倒塌還能承受的基底剪力，F(xiàn)a=Fm-Fc。

通過計算，導管架處在各風險等級時的剩余強度系數(shù)范圍如表2所示?？梢钥闯?，這種風險等級劃分方法是合理和較為保守的。

通過全過程倒塌分析對倒塌過程中的破壞形式劃分風險等級，可以為進一步評估導管架平臺安全性以及對導管架平臺結(jié)構(gòu)監(jiān)測提供依據(jù)。也可以根據(jù)導管架結(jié)構(gòu)破壞形式，以及需要的剩余強度系數(shù)，對導管架結(jié)構(gòu)進行適當加強。

6 結(jié) 語

本文針對12個典型環(huán)境載荷方向，考慮樁土相互作用，對導管架平臺進行全過程倒塌分析，得到如下主要結(jié)論：

1)導管架平臺極限承載力較高，還可以承受1倍以上設(shè)計極端環(huán)境載荷，其中對角線方向承載力較為薄弱，但仍然具有較高的承載力和較大的安全裕度，這與結(jié)構(gòu)較高的冗余度是相符的；

2)導管架倒塌過程呈逐步破壞形式，先是撐桿屈服，造成局部結(jié)構(gòu)破壞；然后是鋼樁發(fā)生屈服，降低結(jié)構(gòu)承載力；最后節(jié)點逐步失效，造成結(jié)構(gòu)倒塌；

3)導管架在倒塌過程中，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞形式劃分風險等級，根據(jù)剩余強度理論可知這種劃分方式是合理和相對較為保守的，可以為進一步評估導管架結(jié)構(gòu)安全提供依據(jù)；

4)通過全過程倒塌分析，可以知道導管架結(jié)構(gòu)薄弱部位，可以根據(jù)需要的剩余強度系數(shù)對該部位進行適當加強。

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Pushover analysis on a jacket offshore platform in the South China Sea

TANG Yougang1,2,ZHU Longhuan1,2,LI Yan1,2,LIU Chengyi1,2,ZHANG Shaoyang1,2

(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China; 2.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.02.014

1005-9865(2016)02-0105-06

2014-12-09

國家自然科學重點基金資助項目(51239008)

唐友剛(1952-)，男，河北人，教授，博士生導師，主要從事船舶與海洋工程動力學及深海工程研究。E-mail：tangyougang_td@163.com