基于USFOS程序的導(dǎo)管架固定平臺倒塌分析

劉東亮

(海洋石油工程股份有限公司 天津300452)

0 引 言

固定平臺倒塌分析是評估固定平臺極限強度的分析手段，對平臺進行倒塌分析的關(guān)鍵是，平臺的整體承載能力在超過規(guī)范給出的最大允許工況的基礎(chǔ)上進一步提高而不發(fā)生災(zāi)難性后果。因此通過對導(dǎo)管架平臺進行倒塌分析計算可以準(zhǔn)確評估導(dǎo)管架平臺的結(jié)構(gòu)極限強度[1]。韓曉風(fēng)[2]借助 ANSYS軟件來建立無初始缺陷平臺的數(shù)值模型，對平臺進行了極端波浪荷載下的靜力動力極限強度分析。夏凡[3]研究了SACS軟件的倒塌分析基本原理并使用 SACS軟件進行了一次導(dǎo)管架平臺的倒塌分析，最后得出了 0°角時導(dǎo)管的儲備能力最小的結(jié)論。唐友剛等[4]使用SACS對南海某導(dǎo)管架平臺進行了一次倒塌分析，結(jié)果表明平臺的安全裕度很大，并給出了平臺發(fā)生倒塌的過程，給出了SACS倒塌分析方法及其步驟。

上述倒塌分析方法 ANSYS分析工具建模和非線性參數(shù)指定過于復(fù)雜，需要較強的理論基礎(chǔ)才能準(zhǔn)確地進行有限元非線性分析。SACS軟件開發(fā)初期主要側(cè)重于線彈性分析，其后期開發(fā)的 collapse模塊因偏于保守而不利于發(fā)現(xiàn)平臺結(jié)構(gòu)的真實儲備能力。

USFOS軟件是一款國際廣泛應(yīng)用的專業(yè)海洋工程非線性分析工具，能夠全面考慮非線性分析中的各種機制。劉旭等[4]借助 USFOS工具對一艘自升式鉆井船進行了極限承載力分析，認(rèn)為對于自升式鉆井船的極限能力分析，USFOS是一種比較先進而且精確的方法。本文使用 USFOS非線性分析程序進行導(dǎo)管架固定平臺的倒塌分析。

1 分析原理

導(dǎo)管架固定平臺的倒塌分析基于如下公式：

式中：R為固定平臺整個系統(tǒng)的抵抗能力；Rs、Rf為上部結(jié)構(gòu)或樁基的抵抗能力；D為結(jié)構(gòu)自重；E為環(huán)境力(100年一遇的環(huán)境條件)；λ為環(huán)境力系。

基于上述公式，倒塌分析時首先加載結(jié)構(gòu)自重，然后逐步增大環(huán)境力系數(shù)，直至平臺關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的破壞導(dǎo)致整體不穩(wěn)定或直接發(fā)生倒塌，此時λ即為平臺倒塌抵抗力系數(shù)RSR。

如圖1所示，由風(fēng)、波、流組合而成的環(huán)境力首先作用在導(dǎo)管架平臺上。如圖2所示，隨著該環(huán)境力載荷逐步加大開始出現(xiàn)第一根屈服桿件，外力繼續(xù)增大，該桿件產(chǎn)生第一個塑性鉸，塑性鉸貫穿桿件橫截面后桿件發(fā)生失穩(wěn)，進而結(jié)構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)力發(fā)生臨時卸載現(xiàn)象，隨著外力載荷的進一步加大，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)載荷重新分布直至達到平臺的極限承載力，隨后再繼續(xù)加載，整個結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)而倒塌。

圖1 導(dǎo)管架平臺倒塌分析模型Fig.1 Analysis model of jacket platform collapse

圖2 倒塌分析力-位移關(guān)系機理Fig.2 Mechanism of force-displacement relationship in collapse analysis

按照步步累積法對結(jié)構(gòu)施加載荷，每一次載荷步施加后節(jié)點的坐標(biāo)隨之更新；每一次載荷步施加后，伴隨著桿件材料和幾何參數(shù)的變化，桿件本身的剛度不斷調(diào)整，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的剛度更新；每一步載荷施加后，將會校核桿件的受力是否超過其相應(yīng)截面的塑性能力，一旦發(fā)現(xiàn)超過塑性能力，程序自動調(diào)整加載步長以便始終匹配桿件的屈服狀態(tài)；當(dāng)桿件受力值達到其屈服面時，塑性較將自動插入，一旦隨后桿件受力變小，低于塑性面桿件的塑性鉸將被移走而重現(xiàn)彈性狀態(tài)。

2 分析實例

依據(jù)上述理論使用 USFOS軟件進行實例分析。如圖3所示，某平臺為8腿群樁結(jié)構(gòu)，套筒和樁之間灌漿固定，水深 52.7m。整個導(dǎo)管架有 5個水平層，分別為 EL.(+)6.50m、EL.(-)9.50m、EL.(-)25.50m、EL.(-)41.50m、EL.(-)52.7m，上部組塊操作重12000t，設(shè)計要求平臺的RSR值不低于1.6。

圖3 USFOS分析模型Fig.3 USFOS analysis model

2.1 載荷條件

USFOS分析模型由 SACS模型轉(zhuǎn)化，分析所用的基本荷載包括自重，8個方向的環(huán)境力(圖4)，自重和環(huán)境力的值見分別見表1和表2。

表1 平臺自重荷載Tab.1 Platform deadload

圖4 環(huán)境力加載示意圖Fig.4 Diagram of environmental loads

表2 平臺環(huán)境力荷載Tab.2 Environmental loads

首先加載重力，進而分別加載 0°、59°、90°、121°、180°、239°、270°、301°方向的環(huán)境力，重力和環(huán)境力的加載組合按照表3執(zhí)行，每個方向的環(huán)境力按照步步累積的方式逐步加載。當(dāng)平臺的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)破壞時，整個結(jié)構(gòu)系統(tǒng)將會失穩(wěn)，USFOS程序?qū)⑼Ｖ惯\行，此時讀取環(huán)境力的加載系數(shù)即為RSR值。

表3 工況組合Tab.3 Combination of working conditions

2.2 分析結(jié)果

依據(jù)上述分析流程將USFOS的分析結(jié)果匯總見表4，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)達到最大承載能力整體受力云圖見圖5。

由分析結(jié)果可以看出，平臺在 90°方向的儲備能力最差，RSR值為 2.01，仍滿足設(shè)計要求不低于 1.6的限制。

0°方向在 RSR值達到 2.75之前，ROWA 面上3根拉筋，ROWB面上1根拉筋已經(jīng)發(fā)生失穩(wěn)；立面拉筋中 16根桿件，水平拉筋有 4根桿件，已經(jīng)產(chǎn)生塑性鉸，桿件進入塑性狀態(tài)。

59°方向在RSR值達到2.18之前1根拉筋發(fā)生失穩(wěn)；立面拉筋有 5根拉筋產(chǎn)生塑性鉸，水平拉筋有7根產(chǎn)生塑性鉸；5個管節(jié)點發(fā)生屈服。

90°方向RSR值達到2.01之前1根拉筋發(fā)生失穩(wěn)；6根立面拉筋產(chǎn)生塑性鉸，2根水平拉筋產(chǎn)生塑性鉸。

121°方向 RSR值達到 2.19之前 1根桿件發(fā)生失穩(wěn)；4根立面拉筋產(chǎn)生塑性較，5根水平拉筋產(chǎn)生塑性較；8個管節(jié)點發(fā)生屈服。

180°方向 RSR值達到 2.91之前 6根桿件發(fā)生失穩(wěn)；15根立面拉筋產(chǎn)生塑性鉸，8根水平拉筋產(chǎn)生塑性鉸。

239°方向 RSR值達到 2.49之前 1根桿件發(fā)生失穩(wěn)；5根立面拉筋產(chǎn)生塑性鉸，7根水平拉筋產(chǎn)生塑性鉸；2個管節(jié)點發(fā)生屈服。

270°方向 RSR值達到 2.25之前 1根桿件發(fā)生失穩(wěn)；6根立面拉筋產(chǎn)生塑性鉸，8根水平拉筋產(chǎn)生塑性鉸；11個管節(jié)點發(fā)生屈服。

表4 分析結(jié)果(RSR)匯總表Tab.4 Summary of Researve Strength Ratio(RSR)

圖5 塑性利用率云圖Fig.5 Plastic utilization plots

301°方向 RSR值達到 2.49之前 1根桿件發(fā)生失穩(wěn)；6根立面拉筋產(chǎn)生塑性鉸，9根水平拉筋產(chǎn)生塑性鉸；10個管節(jié)點發(fā)生屈服。

3 結(jié) 論

由以上分析理論和分析實例容易看出USFOS分析軟件成功對某固定平臺進行了倒塌分析，分析結(jié)果顯示的最小抵抗力系數(shù) RSR為 2.01，滿足設(shè)計要求的 1.6，平臺具備充裕的儲備能力。USFOS分析程序作為專業(yè)的非線性分析工具，在導(dǎo)管架固定平臺倒塌分析應(yīng)用方面操作簡單，分析準(zhǔn)確，值得推廣應(yīng)用。