探析地震作用下的導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設計

宋廣然　殷琪芮（.海洋石油工程股份有限公司，天津　30045；.天津開發(fā)區(qū)海寧船舶工程技術(shù)有限公司，天津　300457）

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探析地震作用下的導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設計

宋廣然1殷琪芮2
（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.天津開發(fā)區(qū)海寧船舶工程技術(shù)有限公司，天津300457）

摘要：本文分析了在地震力的作用下，導管架海洋平臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，通過對比發(fā)現(xiàn)，設計人員采用動力優(yōu)化的方式，可以有效的提高導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，設計人員要提高該結(jié)構(gòu)的抗震能力，還保證導管架的剛度、強度以及穩(wěn)定性，這樣才能降低地震力對海洋平臺結(jié)構(gòu)的影響。

關(guān)鍵詞：地震；導管架；海洋平臺；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化

我國屬于地震多發(fā)國家，這主要是因為我國部分地區(qū)處于比較活躍的地震帶中，渤海灣就屬于地震活動帶，在這一地區(qū)進行海洋平臺建設，需要考慮地震對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。導管架海洋平臺是石油行業(yè)開采生產(chǎn)時采用的主要結(jié)構(gòu)類型，其主要是由三部分構(gòu)成，上部甲班、導管架以及樁基。一般上部甲板的剛度比較大，設計人員需要重點對導管架以及樁基進行優(yōu)化。本文采用動力優(yōu)化的方式，將導管架海洋平臺看做是鋼框架結(jié)構(gòu)，對地震作用下平臺結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法進行介紹，以供參考。

一、導管架平臺結(jié)構(gòu)地震破壞狀態(tài)分級與抗震安全裕度系數(shù)

對導管架平臺結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化時，需要提高其抗震能力，這樣可以降低地震力對海洋平臺造成的損失，可以避免地震災害對導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)造成破壞，降低了安全事故發(fā)生概率，還有效避免了人民的財產(chǎn)損失。在抗震設計時，要避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌，要保證海洋平臺工程的經(jīng)濟效益，一定要保證海洋工程的安全性。近年來，海洋工程出現(xiàn)的安全事故比較多，相關(guān)部門對該行業(yè)提出了更高的設防要求，設計人員需要提高導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)的抵抗力，還提高結(jié)構(gòu)的強度，還要具有良好的抗變形能力，要避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)倒塌現(xiàn)象。在導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，由于相關(guān)部門沒有設立統(tǒng)一的抗震標準，所以，設計人員采用了建筑結(jié)構(gòu)抗震標準。

1 導管架平臺地震破壞狀態(tài)

導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)在受到地震力的作用后，會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形現(xiàn)象，根據(jù)地震破壞狀態(tài)的特征，可以對地震破壞的狀態(tài)進行分級，地震破壞的階段主要有：定常反應階段、塑變反應階段、破壞階段，在分析的過程中，需要在不同的階段采用不同的分析方法。在進入破壞階段后，需要采用動力分析的方法對結(jié)構(gòu)特征進行研究。在破壞階段可以將平臺結(jié)構(gòu)分為中等破壞與局部倒塌狀態(tài)，采用地震破壞分析的方法，需要考慮導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特性。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度與剛度不同，所能承受的地震荷載也不同，當構(gòu)件出現(xiàn)損壞現(xiàn)象后，則說明導管架平臺結(jié)構(gòu)處于嚴重的破壞階段，所以，研究人員可以通過構(gòu)件受損級別對破壞狀態(tài)進行分級。中等破壞狀態(tài)是指導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件出現(xiàn)了損壞跡象，一般2類或3類構(gòu)件出現(xiàn)損壞，就可以判斷為中等破壞狀態(tài)，這一狀態(tài)說明結(jié)構(gòu)處于塑變反應極限，也處于破壞階段的初級階段，結(jié)構(gòu)的承載力會有所降低，出現(xiàn)的損壞可能是永久性的，這會影響海洋平臺的正常運作，技術(shù)人員必須對結(jié)構(gòu)進行加固處理，還要對構(gòu)件進行修復。局部倒塌狀態(tài)是指結(jié)構(gòu)中的主要構(gòu)件受到了破壞，一般是指導管架平臺中的1類構(gòu)件，這會影響結(jié)構(gòu)的承載能力，會造成較大的安全隱患。在平臺的頂部一般存在荷載比較集中的問題，所以，這一位置比較容易出現(xiàn)倒塌現(xiàn)象。局部倒塌會使整個結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴重的變形，在這種狀態(tài)下，導管架海洋平臺無法正常使用，而且無法進行修復，需要對平臺進行重建。

2 導管架平臺抗震安全裕度系數(shù)

導管架平臺抗震設計是一項重要的工作，其可以保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可以避免構(gòu)件出現(xiàn)損壞。構(gòu)件失效包括屈曲、屈服、疲勞等，會影響其功能的正常發(fā)揮，到出現(xiàn)損壞的構(gòu)件超過一定數(shù)量，則會引起結(jié)構(gòu)局部倒塌。一般海洋平臺結(jié)構(gòu)構(gòu)件失效的模式有很多，這會影響結(jié)構(gòu)的安全度，必須采用有效的方法對其安全度進行評定。在導管架結(jié)構(gòu)設計時，設計人員一般采用的都是保守的設計理念，而且結(jié)構(gòu)安全裕度比較大，這很難控制結(jié)構(gòu)的安全性以及穩(wěn)定性。在對海洋平臺結(jié)構(gòu)進行動力優(yōu)化時，需要根據(jù)結(jié)構(gòu)破壞程度采用不同的優(yōu)化方法，設計人員需要考慮結(jié)構(gòu)的承載能力，還要衡量結(jié)構(gòu)的抗震能力。抗震安全裕度系數(shù)有著不同的標準，在中等破壞狀態(tài)與局部倒塌狀態(tài)下，設計人員要參考不同的安全裕度標準。地震倒塌極限與平臺抗震標準的差值，與平臺設防標準的比值就是該破壞狀態(tài)下形成的抗震安全裕度系數(shù)，根據(jù)這一系數(shù)可以對導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)進行動力優(yōu)化，通過變量設計，可以保證結(jié)構(gòu)的抗震效果。

二、結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型與分析過程

1 結(jié)構(gòu)分析模型

以渤海BZ28-1儲油平臺為例，計算結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。平臺構(gòu)件容許正應力[σ]＝192MPa，容許剪應力[τ]＝128MPa，導管架頂部節(jié)點容許側(cè)位移u＝12.5cm，樁頂容許側(cè)位移y＝3.5cm。這里，樁的處理按等效樁計算，在泥面下10m處固支。分析模型共有32個節(jié)點，68個管單元。平臺構(gòu)件分為四組：樁、導管腿、弦管和斜撐，截面設計變量8個。

2 分析過程

計算質(zhì)量有自重和設備荷載確定，同時在動力計算中考慮了附連水質(zhì)量和海生物厚度的影響。通過結(jié)構(gòu)動力分析可獲得結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力，以建立優(yōu)化模型中的約束方程。優(yōu)化計算以優(yōu)化算法軟件OPB-2為基礎，采用成熟的約束變尺度法（CVM01）。W（j）和W（j-1）分別為第j-1次和第j次迭代目標函數(shù)值，ε為目標函數(shù)收斂精度。

結(jié)語

在對海洋平臺結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化時，需要應用多種技術(shù)，在分析的過程中，相關(guān)技術(shù)日趨完善，工作效率提高了，而且受外界因素的影響也比較小。本文對地震作用下，導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設計進行了分析，采用動力分析方法，有著較大的難度，研究人員將導管架海洋平臺看做是鋼框架結(jié)構(gòu)，然后對地震荷載作用下，結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法進行了介紹，設計人員要提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，還要增強構(gòu)件的強度以及剛度，保證樁基的承載能力，這樣才能保證海洋平臺工程效益的最大化。

參考文獻

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中圖分類號：P725

文獻標識碼：A