海上固定式導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)Pushover分析

馬東

摘 要：本文介紹了海上導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的倒塌原理，闡述了Pushover分析方法。利用海工建模軟件建立海上導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)并施加基本載荷和環(huán)境載荷，計算出結(jié)構(gòu)構(gòu)件所受波浪力，在非線性分析軟件中，逐級增加該波浪力，直至結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌破壞，得到其極限承載力，并得出了結(jié)構(gòu)的安全儲備系數(shù)及薄弱位置，為將來固定式海工結(jié)構(gòu)物及海上風(fēng)電基礎(chǔ)的安全性計算和延壽分析提供了參考。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)管架；Pushover；波浪載荷；儲備系數(shù)

引言

導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)整體性好，承載能力較高，對打樁設(shè)備要求較低，且其整體結(jié)構(gòu)是在陸上預(yù)制而成，施工相對方便，在海上采油平臺及風(fēng)電基礎(chǔ)中得到了廣泛的應(yīng)用。

當(dāng)結(jié)構(gòu)超過其設(shè)計使用壽命時，可以做報廢處理，也可通過不斷升級改造和加固，延長其使用壽命。由于海洋環(huán)境的影響和意外情況的發(fā)生，結(jié)構(gòu)在長期使用中勢必會受到一些損傷破壞，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強度下降，影響平臺的安全性能。因此，對該類結(jié)構(gòu)尤其是老齡結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限承載力研究則十分重要。極限承載力研究平臺結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險評估的最重要的手段和方法。

1 基本理論

海上平臺結(jié)構(gòu)或風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，冗余度較高，屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，冗余桿件的存在為整體結(jié)構(gòu)提供了較大的強度保障，但結(jié)構(gòu)構(gòu)件在制作、安裝及服役期間都有可能受到碰撞損傷、腐蝕、變形和疲勞破壞等，部分桿件的失效會引起整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重新分布，從而使結(jié)構(gòu)的非線性表現(xiàn)突出直至結(jié)構(gòu)達(dá)到極限受損失效，極限承載力下降。因此該類結(jié)構(gòu)物的安全風(fēng)險評估必須研究結(jié)構(gòu)體系的極限承載力。

基于非線性結(jié)構(gòu)分析軟件對導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限承載能力分析，對結(jié)構(gòu)施加環(huán)境載荷，采用增量方式對環(huán)境載荷進(jìn)行逐級放大，直至其發(fā)生倒塌其間主要經(jīng)歷屈服、塑性鉸、桿件失穩(wěn)、應(yīng)力重分布、承載極限、結(jié)構(gòu)倒塌等過程。

首先利用建模軟件建立有限元結(jié)構(gòu)模型，并利用水動力分析模塊進(jìn)行波浪載荷的計算，得到結(jié)構(gòu)T.FEM文件及載荷L.FEM文件，將T文件及L文件合并為新的FEM文件。將該新文件導(dǎo)入非線性分析軟件中，定義合理的工況組合及載荷步控制參數(shù)并進(jìn)行計算，通過逐步加載的方式得到計算結(jié)果。

2 Pushover分析計算

2.1 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系：采用笛卡爾坐標(biāo)系，北向為X軸正向，西向為Y軸正向，垂直水面向上為Z軸正向，并取泥面處為Z=0，力和長度單位分別采用kN和m。

選取的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)共有5個水平層，外部4根弦桿均為雙傾設(shè)計，其中75m高度以上部分直徑為2.2m，75m高度以下部分直徑為3.2m。分別在高度為5m、40m、75m、105m及135m處設(shè)置水平X型支撐，并在各高度之間設(shè)置垂向X型支撐。另外，在高度為5m、105m、135處設(shè)置水平橫向支撐，4個弦桿頂部分別設(shè)置4個NODEMASS，模擬甲板載荷，每個NODEMASS的值為5000t，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為25491.5t。整個結(jié)構(gòu)包含53個節(jié)點，共劃分128個單元。計算中每個桿件作為一個單元，因此模型所劃分的單元數(shù)比其他軟件大大減少，縮短了計算時間。本次分析暫不考慮樁土作用，因此可在每個導(dǎo)管腿底部設(shè)置6個自由度的彈簧約束模擬土壤對結(jié)構(gòu)的作用，圖1即為結(jié)構(gòu)的有限元模型.

2.2 載荷

（1）基本載荷：

作用在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上的基本載荷包括結(jié)構(gòu)的自重、甲板上的設(shè)備重力（已用NODEMASS模擬）及其所受到的浮力。

（2）環(huán)境載荷

本次模擬僅考慮Y方向正向的波浪載荷及流載荷。波浪周期為T=15s，波高H=28m，方向為Head=90°。波浪載荷的計算采用Stokes五階波理論，由于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件均為細(xì)長結(jié)構(gòu)，因此采用Morison公式計算載荷。

2.3 計算結(jié)果

本報告中，首先在結(jié)構(gòu)上陸續(xù)加載結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備載荷和浮力作用，在這三個載荷作用之后，再繼續(xù)加載波浪載荷及流載荷，對于波浪載荷程序可以自動搜索得出所有相位角對應(yīng)的作用力最大的波浪載荷，并以此確定環(huán)境載荷作用下導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)所受的最大基礎(chǔ)剪力，即參考載荷，此后，逐漸加載參考載荷直至結(jié)構(gòu)倒塌，結(jié)構(gòu)倒塌的標(biāo)志是其所受的基地剪力趨于平緩或開始下降，倒塌時的基底剪力決定了結(jié)構(gòu)的強度儲備系數(shù)。

分析過程中，當(dāng)結(jié)構(gòu)加載至參考載荷的5.74倍時，結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)倒塌，此后控制點的位移在增大，結(jié)構(gòu)的基地剪力卻在逐漸減小，即該結(jié)構(gòu)的強度儲備系數(shù)為5.74。

圖2所示為結(jié)構(gòu)Pushover分析結(jié)束時的變形圖，由圖中可以看出，結(jié)構(gòu)破壞的位置是75m高度處至105m高度處的X型支撐，最后發(fā)生斷裂，即該處的桿件強度較為薄弱。

結(jié)論

（1）本文所分析導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的安全儲備系數(shù)為5.74；

（2）該結(jié)構(gòu)的薄弱位置為75-105m高度處的垂向X支撐，在類似結(jié)構(gòu)的實際設(shè)計中可以作為參考；

（3）本文的研究方法可以推廣到其他固定式海洋結(jié)構(gòu)物的安全和風(fēng)險分析中，對導(dǎo)管架平臺類結(jié)構(gòu)物在服役期間的安全評估及維修加固具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

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[3]張兆德，韓曉風(fēng)等.后服役期導(dǎo)管架式海洋平臺的極限承載力分析 [J].石油機械，2007，35（10）：1-4，32

（作者單位：明陽智慧能源集團(tuán)股份公司）