老齡自升式平臺(tái)極限承載能力與體系可靠性分析

劉海豐，陳國(guó)明，劉世萱，范秀濤，林　紅，王華潔

（1.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東　青島　266001；2.中國(guó)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）

老齡自升式平臺(tái)極限承載能力與體系可靠性分析

劉海豐1，陳國(guó)明2，劉世萱1，范秀濤1，林紅2，王華潔1

（1.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東青島266001；2.中國(guó)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）

通過(guò)海洋平臺(tái)樁-土非線性彈簧模型的研究，結(jié)合樁基荷載-位移數(shù)據(jù)計(jì)算程序的編制，為工程實(shí)際應(yīng)用提供簡(jiǎn)便可靠的方法。對(duì)某自升式鉆井平臺(tái)在完好狀態(tài)和受損狀態(tài)下的極限承載能力作了對(duì)比研究，通過(guò)逐級(jí)增加載荷的方法，基于精確計(jì)算模型對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析，具體依據(jù)載荷類型、載荷作用力方向等，得到12種計(jì)算工況，研究老齡平臺(tái)在受損狀態(tài)下對(duì)強(qiáng)度儲(chǔ)備的影響，并評(píng)估其安全狀況?？紤]外界荷載的隨機(jī)性和不確定性，基于極限承載能力分析，采用等效荷載法，運(yùn)用JC法進(jìn)行平臺(tái)體系可靠性計(jì)算，分析完好平臺(tái)與老齡平臺(tái)的結(jié)構(gòu)體系可靠性，并作對(duì)比研究。

老齡自升式海洋平臺(tái)；樁-土非線性彈簧模型；極限承載力；體系可靠性

海洋平臺(tái)是海洋石油開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵設(shè)備，在復(fù)雜的服役環(huán)境中將受到設(shè)計(jì)荷載作用及各種突發(fā)性外在因素的影響，使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的損傷。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料分析，老齡平臺(tái)的腐蝕、海生物附著比較嚴(yán)重，有的平臺(tái)還存在構(gòu)件受損等缺陷，致使平臺(tái)的承載能力下降，甚至影響到結(jié)構(gòu)的安全性能，因此需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行極限承載力分析與安全評(píng)估。而在結(jié)構(gòu)安全評(píng)估分析中，所面臨的結(jié)構(gòu)分析不是確定性的問(wèn)題，也就是說(shuō)在結(jié)構(gòu)分析中出現(xiàn)的各個(gè)設(shè)計(jì)變量是隨機(jī)和變異的，而且老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)在外界載荷作用下，變成不完整的損傷結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)性能方面存在更多的不確定性。這樣，常規(guī)的確定性分析方法己不足以求解這類問(wèn)題，考慮平臺(tái)整體安全評(píng)定，需要研究平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠性。

本文對(duì)自升式鉆井平臺(tái)的極限承載能力與體系可靠性作了研究。為精確計(jì)算分析，建立樁-土非線性彈簧模型，并結(jié)合樁基荷載-位移數(shù)據(jù)計(jì)算程序的編制，為工程實(shí)際應(yīng)用提供簡(jiǎn)便可靠的方法。自升式平臺(tái)與導(dǎo)管架平臺(tái)相比，其結(jié)構(gòu)整體柔度較大，但剛度相對(duì)較小，承受波浪等荷載作用，會(huì)引起平臺(tái)的振動(dòng)，產(chǎn)生較大位移［1］。為確保安全，適用于導(dǎo)管架平臺(tái)的極限狀態(tài)判定準(zhǔn)則，應(yīng)經(jīng)過(guò)對(duì)比，采用較為保守的判定準(zhǔn)則，才能保證自升式平臺(tái)的安全服役。通過(guò)逐級(jí)增加載荷的方法，基于精確計(jì)算模型對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析，根據(jù)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)判定準(zhǔn)則的對(duì)比分析得出平臺(tái)的極限承載能力，計(jì)算平臺(tái)的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)RSR，分析平臺(tái)的強(qiáng)度儲(chǔ)備。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析老齡自升式平臺(tái)在受損狀態(tài)下對(duì)強(qiáng)度儲(chǔ)備的影響，從而分析評(píng)估老齡自升式平臺(tái)的安全狀況。同時(shí)，考慮外界荷載的隨機(jī)性和不確定性，在極限承載能力分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)等效荷載法，采用經(jīng)典的JC法進(jìn)行計(jì)算，分析完好平臺(tái)與老齡平臺(tái)的結(jié)構(gòu)體系可靠性，并作對(duì)比研究。

本文通過(guò)算例得出，在精確模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行非線性分析，可以準(zhǔn)確評(píng)估老齡自升式平臺(tái)的極限承載能力，并基于極限承載能力分析進(jìn)行平臺(tái)體系可靠性分析評(píng)估，方法實(shí)用有效且較為科學(xué)。

1　計(jì)算模型與工況組合

1.1計(jì)算模型

以一典型的三樁腿自升式鉆井平臺(tái)為研究實(shí)例，該平臺(tái)作業(yè)水深30 m，平臺(tái)由長(zhǎng)方形平臺(tái)主體、三根圓柱形樁腿和齒輪齒條升降系統(tǒng)等組成。平臺(tái)體結(jié)構(gòu)采用縱、橫骨架式結(jié)構(gòu)形式，在固樁圍阱區(qū)進(jìn)行特殊的加強(qiáng)，圍井四周面板加厚，內(nèi)部設(shè)有環(huán)筋等骨材，樁靴近似為正方形。由于該平臺(tái)已有多年作業(yè)歷史，經(jīng)歷了較復(fù)雜的海洋環(huán)境載荷和作業(yè)載荷的聯(lián)合作用，平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)和設(shè)備布置等進(jìn)行過(guò)一定的修理改裝，結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀與載荷已較原始設(shè)計(jì)有了較大的改變。因此，有必要根據(jù)現(xiàn)有平臺(tái)結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行整體強(qiáng)度評(píng)估和體系可靠性分析。

采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算分析，平臺(tái)結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖1所示。建立三維有限元結(jié)構(gòu)模型時(shí)，除常用的梁、管、質(zhì)量單元外，為了模擬平臺(tái)的非線性倒塌，此處采用BEAM188圓環(huán)形截面梁?jiǎn)卧M。梁?jiǎn)卧狟EAM188有材料非線性和幾何大變形功能，能很好地模擬平臺(tái)在極限狀態(tài)下的非線性效應(yīng)，在進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，定義材料的非線性，并打開(kāi)大變形效應(yīng)選項(xiàng)。

圖1　自升式鉆井平臺(tái)模型

在海洋平臺(tái)極限承載能力分析時(shí)，是否考慮樁-土非線性作用對(duì)分析結(jié)果影響很大，直接影響到分析結(jié)果的精確度。海洋平臺(tái)的約束不僅需要考慮到結(jié)構(gòu)自身的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性約束，還需考慮樁基承載力約束等，而樁與地基的作用很大程度上主導(dǎo)結(jié)構(gòu)抗力的不確定性和敏感性。非線性彈簧基礎(chǔ)模型是用非線性彈簧單元模擬土壤與結(jié)構(gòu)的非線性作用?？紤]到樁土實(shí)際作用情況，建模時(shí)在樁底增加了樁靴，同樣用非線性彈簧單元模擬樁靴與土壤之間的非線性作用。

因非線性模型在極限承載能力分析中的重要性，由API標(biāo)準(zhǔn)和已有研究成果，結(jié)合工程實(shí)踐中我國(guó)海域土壤資料特點(diǎn)和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)進(jìn)一步研究得出工程實(shí)際應(yīng)用中樁-土非線性彈簧模型的建立方法：

（1）不同樁徑下土壤承載力曲線計(jì)算方法

在同一地區(qū)的土壤數(shù)據(jù)參數(shù)基本上是相同的，由API公式和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的土壤資料都和樁徑有關(guān)。為得到不同樁徑土壤計(jì)算數(shù)據(jù)，可以通過(guò)已知樁徑數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)系數(shù)換算得到新樁徑土壤曲線。

系數(shù)換算方法確定的曲線數(shù)據(jù)，或者土壤數(shù)據(jù)資料給出的只是初始數(shù)據(jù)，需經(jīng)過(guò)MATLAB或其它軟件的處理，才能轉(zhuǎn)換為ANSYS直接調(diào)用的力-位移數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，要根據(jù)樁徑而定，單元不應(yīng)劃分太細(xì)，否則誤差更大，在分析計(jì)算時(shí)也容易造成不收斂。綜上，單元長(zhǎng)度的選擇和插值計(jì)算的準(zhǔn)確性將直接影響樁-土作用非線型模型的準(zhǔn)確程度。

圖2　所給曲線在土層中間時(shí)與插值曲線對(duì)比

圖3　所給曲線在土層任意位置時(shí)與插值曲線對(duì)比

在進(jìn)行數(shù)據(jù)插值處理時(shí)，對(duì)于p，t等數(shù)據(jù)可以進(jìn)行線性插值。而對(duì)于y，z等位移數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，也可以進(jìn)行線性插值，而且土壤資料提供的一些數(shù)據(jù)也是經(jīng)過(guò)線性插值得到的。如圖2～圖3所示，可以看出所給曲線在土層中間時(shí)比在其它位置時(shí)精確度高。

圖4　已知初始荷載－變形數(shù)據(jù)的計(jì)算界面

圖5　已知原始土壤參數(shù)的計(jì)算界面

（2）樁基荷載-位移數(shù)據(jù)計(jì)算程序的編制

根據(jù)樁基荷載-位移數(shù)據(jù)計(jì)算流程，分為已知原始土壤參數(shù)和初始荷載－變形數(shù)據(jù)兩種情況計(jì)算，采用MATLAB、VC++軟件編制了計(jì)算程序。圖4～圖5分別是已知初始荷載－變形數(shù)據(jù)和原始土壤參數(shù)時(shí)，采用VC++編制的計(jì)算程序的界面。

兩種計(jì)算情況均又分為p-y，t-z，q-z三種類型曲線的求解，其中已知原始參數(shù)求p-y曲線時(shí)又分為粘土和砂土兩種情況?？梢园凑沼?jì)算程序中所標(biāo)明的單位輸入，在計(jì)算程序中已經(jīng)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，可以直接用于ANSYS軟件的分析。需要指出的是，已知原始土壤參數(shù)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，需經(jīng)過(guò)已知初始數(shù)據(jù)所編制計(jì)算程序的處理，才可以作為ANSYS軟件分析所用的數(shù)據(jù)。輸出數(shù)據(jù)庫(kù)中包括顯示圖形和數(shù)據(jù)的保存，通過(guò)圖形也可以判斷計(jì)算結(jié)果的正誤。

通過(guò)以上介紹的確定樁基曲線的方法和所編制的計(jì)算程序，已成功用于土壤資料的處理，并且方法簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、實(shí)用。

1.2計(jì)算載荷和工況組合的選定

為了分析平臺(tái)承受不同荷載作用的能力，選用風(fēng)+波浪、海流，風(fēng)+冰載兩種組合進(jìn)行計(jì)算，載荷的作用力方向選用0°，45°，90°（橫向、斜向、縱向）三個(gè)方向。

在計(jì)算風(fēng)載荷時(shí)主要考慮平臺(tái)體、井架、井架上套管組成的擋風(fēng)墻等大構(gòu)件的作用。在分析波浪、海流載荷時(shí)，定義較短的作用時(shí)間，作準(zhǔn)靜力計(jì)算分析，波浪載荷計(jì)算采用斯托克斯（stokes）五階波理論，不考慮海流對(duì)波長(zhǎng)和波浪周期的干擾效應(yīng)，并認(rèn)為海流從海底到海平面沒(méi)有變化，這實(shí)際增大了海流力。冰載荷計(jì)算公式采用API規(guī)范中的推薦公式［2］：

設(shè)計(jì)載荷值根據(jù)海域環(huán)境載荷資料及平臺(tái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。在計(jì)算冰載荷時(shí)，選用嵌入系數(shù)I為2.5，接觸系數(shù)fc為0.4，形狀系數(shù)m為0.9，單軸抗壓縮強(qiáng)度σc為2.085 MPa［3］。

為分析老齡平臺(tái)在受損狀態(tài)下的強(qiáng)度儲(chǔ)備，重點(diǎn)考慮海生物附著和腐蝕對(duì)于平臺(tái)強(qiáng)度的影響?？紤]飛濺區(qū)以下泥面以上樁腿海生物附著，可以通過(guò)加大樁腿直徑或修改流體動(dòng)力系數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)［4］。在海洋環(huán)境載荷作用下，平臺(tái)接近海平面的飛濺區(qū)腐蝕作用較為嚴(yán)重，結(jié)合平臺(tái)服役年限，采用在飛濺區(qū)上下3 m的范圍內(nèi)減小樁的壁厚5 mm模擬［5-6］。

綜上，依據(jù)載荷類型、載荷作用力方向，分別進(jìn)行完好平臺(tái)和受損平臺(tái)的極限承載能力分析，從而得到12種計(jì)算工況。最后由所選用設(shè)計(jì)載荷下海洋平臺(tái)的強(qiáng)度，結(jié)合平臺(tái)的極限承載能力，分析平臺(tái)的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

2　平臺(tái)極限承載能力分析

2.1計(jì)算結(jié)果綜合評(píng)價(jià)

需要指出的是，由于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)差異很大，即使同一平臺(tái)，由于各種工況的差異，在分析時(shí)采用的極限判定準(zhǔn)則也不盡相同。為確保安全，要經(jīng)過(guò)對(duì)比，使用較為保守的判定準(zhǔn)則，才能保證平臺(tái)的安全服役。通過(guò)運(yùn)用有限元軟件動(dòng)力計(jì)算分析可得出，自升式平臺(tái)有較大的動(dòng)力敏感性，在載荷的作用下，容易產(chǎn)生振動(dòng)和大的位移，這些在作極限能力分析時(shí)都需要考慮。

結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)判定主要有以下通用準(zhǔn)則：

（1）結(jié)構(gòu)總體位移或局部位移超界。有時(shí)盡管結(jié)構(gòu)尚未形成機(jī)構(gòu)，但由于過(guò)大位移亦可能使其喪失工作能力，因而需要設(shè)定位移控制條件，即Δ≤［Δ］。不等式中，Δ為結(jié)構(gòu)總體控制位移；［Δ］為結(jié)構(gòu)總體控制位移的允許值。當(dāng)結(jié)構(gòu)不滿足此式時(shí)，認(rèn)為其達(dá)到極限狀態(tài)。參考工業(yè)與民用建筑高層結(jié)構(gòu)響應(yīng)的側(cè)向位移限值，?。郐ぃ?H/100（H為結(jié)構(gòu)總高度）［7］。

（2）控制載荷的增加幅度，逐漸加大作用在平臺(tái)上的力，直到平臺(tái)的樁頂位移與基底剪力的關(guān)系曲線趨于平緩時(shí)，即載荷增量很小而樁頂位移增量很大時(shí)，表明平臺(tái)結(jié)構(gòu)倒塌，此時(shí)的環(huán)境載荷為平臺(tái)的極限承載力。也就是說(shuō)，將樁頂位移與基底剪力曲線平緩作為平臺(tái)倒塌的標(biāo)志［8］。

（3）對(duì)于自升式平臺(tái)，認(rèn)為單個(gè)樁腿的某關(guān)鍵部位破壞，平臺(tái)就整體失效［9］。

（4）結(jié)構(gòu)體系總剛度矩陣奇異。當(dāng)剩余的結(jié)構(gòu)體系或其局部形成機(jī)構(gòu)時(shí)，結(jié)構(gòu)體系內(nèi)的總剛度矩陣奇異，即矩陣|K|=0［7］。

根據(jù)計(jì)算得出，若使用準(zhǔn)則（2）作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，圖6是非線性彈簧基礎(chǔ)模型下完好平臺(tái)和受損平臺(tái)在環(huán)境載荷作用下樁頂位移與基底剪力關(guān)系曲線，此時(shí)平臺(tái)樁腿相當(dāng)一部分單元已發(fā)生了屈服，而且樁頂位移很大，對(duì)平臺(tái)的安全操作已經(jīng)構(gòu)成很大威脅，這也不符合準(zhǔn)則（3），而且基于準(zhǔn)則（2）極限承載力的獲得也不精確，則認(rèn)為此時(shí)使用準(zhǔn)則（2）不符合自升式平臺(tái)的極限狀態(tài)判別標(biāo)準(zhǔn)。綜上，應(yīng)采用準(zhǔn)則（1）作為平臺(tái)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)判定準(zhǔn)則，此時(shí)平臺(tái)樁腿單元已經(jīng)接近屈服，平臺(tái)的上部模塊有些單元已經(jīng)超過(guò)屈服強(qiáng)度。

圖6　完好平臺(tái)和受損平臺(tái)在冰載荷作用下樁頂位移與基底剪力關(guān)系曲線

根據(jù)極限承載能力可以計(jì)算出平臺(tái)的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)：

式中：RU，SR為平臺(tái)分別在極限載荷、設(shè)計(jì)載荷下的基底剪力或傾覆力矩。完好平臺(tái)、受損平臺(tái)在極限載荷下的基底剪力、樁頂位移和強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)見(jiàn)表1。

表1　平臺(tái)在極限載荷下的基底剪力、樁頂位移和強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)

2.2各工況下計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

較之于完好平臺(tái)，受損平臺(tái)的強(qiáng)度儲(chǔ)備有所下降，平臺(tái)樁腿的腐蝕區(qū)域只考慮了飛濺區(qū)3 m的范圍，實(shí)際情況腐蝕區(qū)域要更大，腐蝕更嚴(yán)重，且很多部位為不均勻腐蝕，而海生物附著不會(huì)降低平臺(tái)的極限承載力，只會(huì)放大環(huán)境載荷的作用力。但是由于腐蝕和海生物附著，與完好平臺(tái)相比，使受損平臺(tái)達(dá)到極限狀態(tài)的極限流速或極限冰厚有明顯減小，受損平臺(tái)的極限冰厚比完好平臺(tái)小10 cm左右，即平臺(tái)抵抗環(huán)境載荷作用的能力降低了。從表1和圖6可以看出，相對(duì)于波浪、海流載荷，冰載荷對(duì)平臺(tái)的作用影響更大，在渤海海域，冰載荷應(yīng)該是平臺(tái)的控制載荷。載荷90°方向即縱向作用時(shí)，平臺(tái)的承載能力最差，相應(yīng)的強(qiáng)度儲(chǔ)備也較小。

3　平臺(tái)體系可靠性分析

基于極限承載能力分析，分析完好平臺(tái)與老齡平臺(tái)的結(jié)構(gòu)體系可靠性，并作對(duì)比研究。

環(huán)境荷載基底剪力同環(huán)境荷載要素之間近似滿足如下關(guān)系式：

式中：x為環(huán)境荷載要素，如風(fēng)速、波高、流速、冰厚等；Q為相應(yīng)的基底剪力，A，B是兩個(gè)參數(shù)，不同的環(huán)境要素類型以及不同的平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的A，B值是不一樣的，需要針對(duì)給定的平臺(tái)結(jié)構(gòu)通過(guò)海洋環(huán)境荷載分析擬合得到。

結(jié)構(gòu)體系可靠度的功能函數(shù)可以表達(dá)為：

式中：QR為體系抗力，可以統(tǒng)計(jì)得到其概率分布；QS為確定性的環(huán)境載荷和非環(huán)境載荷。若已知各環(huán)境荷載要素隨機(jī)變量的概率分布及其統(tǒng)計(jì)特性，采用JC法，可以計(jì)算海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系的可靠度指標(biāo)β和相應(yīng)的失效概率Pf。

有文獻(xiàn)研究指出［10］，海洋平臺(tái)的體系抗力比荷載效應(yīng)的變異性小得多，體系可靠度主要取決于荷載效應(yīng)的隨機(jī)性，當(dāng)忽略體系抗力的隨機(jī)性時(shí)計(jì)算可以得到大大簡(jiǎn)化。

這樣，就可以經(jīng)過(guò)有限元分析得到基底剪力及其與環(huán)境荷載要素的關(guān)系，從而可以得到體系抗力和環(huán)境荷載效應(yīng)。在有限元模型中可以充分考慮老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)的特征，計(jì)算分析其可靠性。

分析該平臺(tái)體系失效概率，該平臺(tái)處于渤海海域，由上述極限承載能力分析可知，以冰載荷作為其控制載荷?？紤]工況：冰+海流+風(fēng)，體系抗力采用定值?？紤]冰厚、流速環(huán)境荷載要素的隨機(jī)性，一般認(rèn)為其服從極值I型分布，考慮50 a重現(xiàn)期并得到其分布參數(shù)。根據(jù)環(huán)境荷載要素與基底剪力的關(guān)系，利用MATLAB軟件擬合得到參數(shù)A和B，從而確定環(huán)境荷載效應(yīng)。分別分析老齡受損平臺(tái)與完好平臺(tái)的可靠性，并作對(duì)比。表2是通過(guò)分析擬合得到的不同環(huán)境要素類型不同方向的參數(shù)A和B。表3是平臺(tái)體系可靠度指標(biāo)及相應(yīng)失效概率。

表2　式（3）參數(shù)A和B

采用驗(yàn)算點(diǎn)法（JC法）計(jì)算平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系可靠度指標(biāo)和相應(yīng)的失效概率，計(jì)算結(jié)果列于表3中。

表3　體系可靠度指標(biāo)及相應(yīng)失效概率

從計(jì)算結(jié)果中可知，在載荷90°方向作用時(shí)，平臺(tái)的可靠度最低，并且老齡平臺(tái)的可靠度比完好平臺(tái)小很多，但也具有較高的可靠度。計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮其它非環(huán)境載荷，并且老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)只考慮腐蝕和海生物附著，如果將構(gòu)件變形、疲勞、材料老化等原因考慮在內(nèi)，平臺(tái)的可靠性會(huì)更低。

4　結(jié)論

（1）通過(guò)算例分析表明，本文所提供的方法可以有效評(píng)估老齡自升式平臺(tái)的極限承載能力，并基于極限承載能力分析可以對(duì)平臺(tái)體系可靠性準(zhǔn)確分析評(píng)估，方法實(shí)用且較為科學(xué)。極限承載能力分析應(yīng)視具體情況選用合適的結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)判定準(zhǔn)則，即經(jīng)過(guò)對(duì)比選用較為保守的準(zhǔn)則，以正確分析平臺(tái)安全狀況，保證平臺(tái)安全服役，本文正是通過(guò)對(duì)比采用了位移準(zhǔn)則，為自升式平臺(tái)的極限分析提供借鑒與思路。

（2）因非線性模型在極限承載能力分析中的重要性，結(jié)合工程實(shí)踐中我國(guó)海域土壤資料特點(diǎn)及應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步研究土壤承載力曲線的計(jì)算方法，并通過(guò)樁基荷載-位移數(shù)據(jù)計(jì)算程序的編制，為工程實(shí)際應(yīng)用提供簡(jiǎn)便可靠的方法。該方法方便、準(zhǔn)確、實(shí)用，可為相關(guān)應(yīng)用提供借鑒。

（3）老齡自升式平臺(tái)達(dá)到極限狀態(tài)的極限流速或極限冰厚明顯減小，即平臺(tái)抵抗環(huán)境載荷作用的能力顯著降低。冰載荷的破壞作用大于波浪、海流載荷，應(yīng)該作為平臺(tái)的控制載荷。載荷90°方向即縱向作用時(shí)，平臺(tái)的極限承載能力最差，相應(yīng)的強(qiáng)度儲(chǔ)備也較小，平臺(tái)更容易發(fā)生危險(xiǎn)。

（4）在載荷90°方向作用時(shí)，平臺(tái)體系可靠度最低，并且老齡平臺(tái)的可靠度比完好平臺(tái)小很多。在計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮其它非環(huán)境載荷，并且老齡平臺(tái)結(jié)構(gòu)只考慮腐蝕和海生物附著，如果將構(gòu)件變形、疲勞、材料老化等原因考慮在內(nèi)，平臺(tái)的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)和體系可靠度會(huì)更低。

［1］徐長(zhǎng)航，陳國(guó)明，等.自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析及可靠性評(píng)估研究綜述［J］.中國(guó)海洋平臺(tái)，2003，18（4）:6-10.

［2］API.Recommended Practice for Planning，Designing，and Constructing Structures and Pipelines for Arctic Conditions［S］.API RP 2N，1995.

［3］中國(guó)海洋石油總公司.中國(guó)海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定［S］.2002.

［4］韓曉風(fēng).導(dǎo)管架平臺(tái)的極限承載力分析［D］.青島:中國(guó)海洋大學(xué)，2007.

［5］侯保榮.鋼鐵設(shè)施在海洋浪花飛濺區(qū)的腐蝕行為及其新型包覆防護(hù)技術(shù)［J］.腐蝕與防護(hù)，2007，28（4）:174-175，187.

［6］國(guó)家石油和化學(xué)工業(yè)局.海上固定式鋼質(zhì)石油生產(chǎn)平臺(tái)的腐蝕控制［S］.2001.

［7］歐進(jìn)萍，等.海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)定—理論、方法與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2003.

［8］張兆德，韓曉風(fēng)，馮永訓(xùn).后服役期導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)的極限承載能力分析［J］.石油機(jī)械，2007，35（10）:1-4，32.

［9］劉健.冰區(qū)海洋平臺(tái)疲勞評(píng)估及其虛擬安全系統(tǒng)研究［D］.東營(yíng):中國(guó)石油大學(xué)，2005.

［10］GSigurdsson，et al.Probabilistic Collapse Analysis ofJackets［C］//ProceedingofICOSSAR'93，Innsbruck，Austria，1993:535-543.

Analysis and Reliability Assessment on the Ultimate Load-Carrying Capacity of Aged Jack-up Platforms

LIU Hai-feng1，CHEN Guo-ming2，LIU Shi-xuan1，F(xiàn)AN Xiu-tao1，LIN Hong2，WANG Hua-jie1
1.Institute of Oceanographic Instrumentation，Shandong Academy of Sciences，Qingdao 266001，Shandong Province，China；
2.Center for Offshore Engineering and Safety Technology，China University of Petroleum，Qingdao 266580，Shandong Province，China

Through the research on the pile-soil nonlinear spring model of offshore platforms，this paper develops the program to calculate the load-displacement of the pile，so as to give a simple and reliable method for ultimate load-carrying capacity analysis for engineering application.The ultimate load-carrying capacity of the jack-up platform is compared under both the intact state and damaged state.By using incremental loading method，the nonlinear analysis is carried out on the detailed platform model.According to different types and directions of the loads，12 kinds of calculation conditions are applied to analyze the influence of the damaged state on the reserve strength.Considering the randomness and the uncertainty of the loads，and using the equivalent load method，the system reliability of both the intact and damaged jack-up platform is calculated through the JC method.

aged jack-up platforms；pile-soil nonlinear spring model；ultimate load-carrying capacity；system reliability

P752

A

1003-2029（2016）03-0115-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.03.022

2015-05-05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃子課題資助項(xiàng)目（2013BAB04B01）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51209218）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（15CX05003A）

劉海豐（1981-），男，工學(xué)碩士，助理研究員，研究方向?yàn)楹Ｑ蠊こ探Y(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)。E-mail:lhf_0822@163.com