導(dǎo)管架平臺在隨機波浪載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

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(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2. 上海外高橋造船有限公司， 上海 200137 )

0 引 言

導(dǎo)管架平臺是近些年來被廣泛應(yīng)用于近海海洋石油開采活動的一種固定式平臺，具有適應(yīng)性較強、結(jié)構(gòu)安全可靠、結(jié)構(gòu)簡單等特點。但是，導(dǎo)管架平臺長期處于惡劣的海洋環(huán)境中，不斷承受風、浪、流的交替作用或聯(lián)合作用，有時還承受冰載荷、腐蝕、沖刷、疲勞和低溫的影響，在這些載荷長期作用下，局部或整體結(jié)構(gòu)的強度或抵抗能力會下降。導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)如果強度不足，導(dǎo)致平臺倒塌，會帶來嚴重的安全威脅及經(jīng)濟損失。因此，對在波浪載荷作用下的導(dǎo)管架平臺的研究具有重要的意義。

嵇春艷等[1]利用ANSYS分析導(dǎo)管架平臺在波浪和海流作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力響應(yīng)，獲得平臺的頻率特性和動力特性。吳家鳴等[2]通過數(shù)值分析平臺所有構(gòu)件的最大應(yīng)力分布以及樁基的位移特征，得出主樁的最大應(yīng)力區(qū)域主要發(fā)生在主樁與海底泥面相接的節(jié)點附近，然后對平臺結(jié)構(gòu)在特性海況下的安全性進行觀測及研究。黃懷州等[3]研究導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)在波浪載荷作用下的疲勞可靠性，發(fā)現(xiàn)一階模態(tài)對深水導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)響應(yīng)起主要作用，并求得結(jié)構(gòu)在隨機應(yīng)力譜下給定疲勞壽命時的疲勞可靠性指標。GAIDAI等[4]和NAESS等[5]基于蒙特卡羅的方法研究隨機波浪載荷作用下近海固定結(jié)構(gòu)物的極限響應(yīng)問題，該方法可以快速、簡單、有效地預(yù)報短期及長期平臺的極限響應(yīng)歷程，對于近海平臺結(jié)構(gòu)的安全性預(yù)測具有重要作用。

目前對于導(dǎo)管架平臺的結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究都偏向規(guī)則波，而對隨機波的研究則較少。因此，本文選取渤海灣塘沽地區(qū)某導(dǎo)管架平臺，結(jié)合隨機波浪理論及Morison方程，研究導(dǎo)管架平臺在無流狀態(tài)時8個不同浪向的隨機波浪載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，對于今后平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計及加強具有重要的意義。

1 波浪頻譜及非線性波浪載荷計算

1.1 JONSWAP譜

通過給定的有義波高和峰值周期，利用MATLAB得到JONSWAP譜[6]，即譜密度與圓頻率的關(guān)系為

(1)

1.2 導(dǎo)管架運動方程

利用有限元法建立導(dǎo)管架平臺動力響應(yīng)模型，該模型假設(shè)水動力作用在離散成節(jié)點的平臺上，作用區(qū)間為甲板到海床之間，該運動方程為

(2)

1.3 Morison方程

Morison方程是工程上常用的計算小尺度樁柱上波浪力的計算方法，具體形式為

(3)

2 導(dǎo)管架平臺響應(yīng)分析

2.1 導(dǎo)管架平臺模型概況

本文選取渤海灣塘沽地區(qū)實際運營導(dǎo)管架平臺，該平臺已經(jīng)運營數(shù)十年，考慮到運營安全性和可靠性，有必要對其進行結(jié)構(gòu)分析。

圖1 導(dǎo)管架平臺有限元模型

利用ANSYS有限元軟件建立多自由度三維導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)模型。該平臺由4根樁腿和主甲板組成，不考慮波浪對甲板結(jié)構(gòu)的影響，對導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)進行一定的簡化，甲板結(jié)構(gòu)利用超單元建模。導(dǎo)管架平臺如圖1所示。該海域平均水深為17 m，導(dǎo)管架平臺海底泥線下的樁腿長度是90 m，平均水位(Mean Water Level,MWL)距底甲板的距離為12 m。本文導(dǎo)管架圓管的許用應(yīng)力為355 MPa。

2.2 不同方向的波浪工況

由于平臺的截面為矩形，本文考慮8個不同方向隨機波浪對導(dǎo)管架平臺的作用。查閱相關(guān)資料得到渤海地區(qū)全年不同浪向的隨機波浪概率分布見表1。

表1 不同浪向的隨機波浪概率分布

為對導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)強度進行分析，根據(jù)渤海灣地區(qū)波浪的分布情況，分別從每個浪向中選取1個經(jīng)典海況，并且該海況中的隨機波浪為出現(xiàn)次數(shù)最多的工況。 不同工況的波浪參數(shù)具體數(shù)值見表2。

表2 不同工況的波浪參數(shù)

圖2 JONSWAP譜

2.3 數(shù)值仿真及分析

2.3.1 敏感性測點的選取

根據(jù)渤海灣海域的具體情況，海浪譜選取JONSWAP譜，由表2所示的波浪基本參數(shù)，首先選擇工況8在無流狀態(tài)下進行分析，利用MATLAB軟件對表2中的8種工況進行編程運算，輸入有義波高和譜峰周期生成JONSWAP譜，然后分離出多個規(guī)則波，用來模擬不規(guī)則的海況。JONSWAP譜如圖2所示。

將MATLAB生成的數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS進行計算，得到工況8的數(shù)值仿真結(jié)果。圖3為工況8某一時刻導(dǎo)管架平臺整體應(yīng)力和位移變形特征，可以看出：該時刻導(dǎo)管架平臺的最大應(yīng)力值達到54 MPa，最大位移0.49 mm；應(yīng)力的集中區(qū)域主要在樁腿與泥面的交匯處。選取該危險區(qū)域的2個敏感性單元以及1個節(jié)點進行詳細分析，測點的分布如圖4所示，編號1～3分別表示Node 2953、Elem 44173、Elem 77150。

圖3 工況8整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形云圖

圖4 測點分布圖

2.3.2 不同浪向的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

通過對工況8的計算，確定了危險區(qū)域，為研究該危險區(qū)域在不同浪向的隨機波浪作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，在該危險區(qū)域選擇2個敏感單元進行詳細分析。利用ANSYS進行數(shù)值仿真瞬態(tài)分析，得到工況8下測點2和測點3的應(yīng)力隨時間的變化情況，如圖5所示。測點1的x方向和y方向的位移如圖6所示。

根據(jù)工況8仿真結(jié)果，可以得到測點2的最大應(yīng)力值為45.029 MPa，最小應(yīng)力值為39.723 MPa，應(yīng)力均值為42.480 MPa。該測點的應(yīng)力在許用范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)滿足強度要求，但是該組應(yīng)力的標準差卻達到了0.86 MPa，由此可見該工況對于結(jié)構(gòu)的應(yīng)力響應(yīng)具有較大的影響，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力具有較大的波動性，較不穩(wěn)定。同樣的情況，測點3的應(yīng)力也在許用范圍內(nèi)，但是應(yīng)力值變化幅度較大。在該工況下，測點1的x方向最大變形為0.33 mm，y方向最大變形為2.52 mm。因此，在工況8即浪向為北、無流狀態(tài)下，導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化幅度較大，應(yīng)是重點關(guān)注的海況。導(dǎo)管架平臺在不同工況下各測點的應(yīng)力統(tǒng)計見表3～表5。

圖5 應(yīng)力時歷圖

圖6 測點1位移

表3 在不同工況下測點2的應(yīng)力統(tǒng)計 MPa

表4 在不同工況下測點3的應(yīng)力統(tǒng)計 MPa

表5 在不同工況下測點1的位移統(tǒng)計 mm

從表3～表5可以看出：在8種不同工況下，測點2的應(yīng)力值均達到40 MPa，應(yīng)力平均值約為42 MPa，所以測點2的應(yīng)力值均在許用應(yīng)力范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)的強度滿足要求；測點2在工況1中應(yīng)力最大，但應(yīng)力隨時間的變化卻十分地平緩，此外工況4、5、7、8的應(yīng)力也相對較高；測點3的應(yīng)力均值都在37 MPa左右，也滿足強度要求；在工況7即浪向為西北方向時，應(yīng)力達到最大值40.381 MPa，且應(yīng)力標準差也達到最大值0.858，雖然測點3在工況8下，應(yīng)力不是最大的，但是應(yīng)力標準差也達到0.781，說明工況7和工況8對測點3的應(yīng)力影響較大。

導(dǎo)管架平臺在8個不同工況作用下，位移變化不大，x方向位移最大值為1.44 mm，y方向最大位移為2.52 mm。從圖中可以看出工況4和工況8，測點3的y方向位移較大，因為波浪的方向正好沿y軸；同樣地，工況2和工況6下x方向位移較大，說明這是由于浪向角的變化，引起x和y方向分量的變化。另外，由于本文選取的海況波高不大，所以結(jié)構(gòu)的位移不明顯。

綜合各種工況，導(dǎo)管架平臺在給定工況的隨機波浪載荷作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)比較大，在有義波高為1.51 m，周期為6.9 s(即工況8)時，敏感性測點的應(yīng)力變化幅度最大，應(yīng)力值也較大，因此該工況為最危險的工況。為進一步研究該危險工況對導(dǎo)管架平臺的影響，本文還考慮了流速的影響。

2.3.3 波流聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

本節(jié)考慮流速分別為0 m/s、0.5 m/s和1 m/s 的情況，流速的方向為東南方向，在有義波高為1.51 m，周期為6.9 s(即工況8)時，針對危險區(qū)的敏感性測點2和3進行響應(yīng)分析，并測得測點1的位移變化情況，具體數(shù)值如表6～表8所示。

表6 測點2在不同流速下應(yīng)力統(tǒng)計

表7 測點3在不同流速下應(yīng)力統(tǒng)計

表8 測點1在不同流速下位移統(tǒng)計

由表6～表8可以看出：隨著流速的增加，結(jié)構(gòu)的位移量逐漸減小，這是因為流速的方向與波浪的方向相反，使得x和y方向的分量逐漸變??；導(dǎo)管架平臺在波流聯(lián)合作用下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力明顯增大，隨著流速的不斷增加，應(yīng)力也逐漸增加，且應(yīng)力標準差也不斷增大，表明結(jié)構(gòu)的應(yīng)力幅值增大，波流聯(lián)合作用對導(dǎo)管架平臺的結(jié)構(gòu)響應(yīng)具有很大的影響。

3 結(jié) 論

(1) 導(dǎo)管架平臺的危險區(qū)域主要在樁腿與泥面的交匯處。

(2) 平臺有義波高為1.51 m，周期為6.9 s，浪向為90°時，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化幅度較大，屬于危險工況，值得重點關(guān)注。

(3) 導(dǎo)管架平臺在波流聯(lián)合作用下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力明顯增大，隨著流速的不斷增加，應(yīng)力也逐漸增加，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化幅度也增大，因此波流聯(lián)合作用對導(dǎo)管架平臺的結(jié)構(gòu)響應(yīng)具有很大的影響。

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