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極端風(fēng)暴潮下近海導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全分析

文檔作者：張坤，陳國(guó)明，朱本瑞，劉紅兵，胡春友文檔來(lái)源：中國(guó)石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年02月21日
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第31卷第6期中國(guó)海洋平臺(tái)V01．3l No．6
2016年12月CHINA oFFSHoRE PLATF()RM Dec．，2016
文章編號(hào)：1001—4500(2016)06一0057—05
極端風(fēng)暴潮下近海導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全分析
張坤，陳國(guó)明，朱本瑞，劉紅兵，胡春友
(中國(guó)石油大學(xué)(華東)海洋油氣裝備與安全技術(shù)研究中心，山東青島266580)
摘要：基于導(dǎo)管架平臺(tái)極端環(huán)境作用下極限狀態(tài)的分析，研究了近海導(dǎo)管架平臺(tái)的結(jié)構(gòu)安全。由極端
風(fēng)暴潮載荷的模擬方法，確定適用于近海導(dǎo)管架平臺(tái)的安全評(píng)價(jià)方法。并以某近海導(dǎo)管架平臺(tái)為例，進(jìn)行甲板
上浪裁荷計(jì)算、靜力非線性分析、動(dòng)力響應(yīng)分析及極限承栽能力分析。結(jié)果表明：極端風(fēng)暴潮作用下的上浪栽
荷會(huì)減弱近海導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的極限承載能力，也會(huì)影響其抗力，須予以重視。
關(guān)鍵詞：極端風(fēng)暴潮；近海導(dǎo)管架平臺(tái)；上浪載荷；動(dòng)力響應(yīng)分析；極限承栽能力
中圖分類號(hào)：P75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
Safety Analysis of offshore Jacket Platform Structure under
Extreme Storm Surges
ZHANG Kun，CHEN Guo—ming，ZHU Ben—rui，LIU Hong_bing，HU Chun—you
(Centre for Offshore Engineering and Safety Techn0109y，China University of Petroleum，
Shandong Qingdao 266580，China)
Abstr舵t： Based on the ultimate limit states analysis against extreme environmentalload—
ing of jacket platform，the safety analysis of offshore jacket platform structure was carried out
to study the simulation method of extreme storm surges and determine the safety assessment
method which suitable for offshore jacket platform． Using an offshore jacket platform as an
example，calculation of wave—in deck(WID)load，the static nonlinear analysis，the dynamic
response analysis and the ultimate bearing capacity analysis was carried out respectively． The
results showed that the WID loads under extreme storm surges decreased the ultimate bearing
capacity of offshore jacket platform and influenced the resistance． When the safety analysis of
structure is applied to jacket platform in service， great importance must be attaches to the
WID loads in the case of extreme storm surges or sinking platform obviously．
Key words： extreme storm surges；offshore jacket platform；wave—in_deck；dynamic re—
sponse analysis；ultimate bearing capacity
0 引言
我國(guó)海域的平臺(tái)除受常規(guī)環(huán)境影響外，還會(huì)受風(fēng)暴潮的影響。風(fēng)暴潮是海水受到劇烈的大氣擾動(dòng)，包括
強(qiáng)風(fēng)和氣壓驟變等，導(dǎo)致海水異常升降，使海域內(nèi)潮位大大超出平常潮位的現(xiàn)象‘1I。渤海海域處于高緯度地
區(qū)，一般水位較低，海底的地形樣貌多樣。渤海海域一般風(fēng)暴潮受氣壓影響不大，對(duì)該區(qū)域風(fēng)暴潮的數(shù)值模
收稿日期：2015一07-24
作者簡(jiǎn)介：張坤(1978一)，男，碩士研究生。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
中國(guó)海洋平臺(tái)第31卷第6期
擬通常只考慮設(shè)計(jì)條件下的風(fēng)應(yīng)力場(chǎng)和波浪的非線性耦合效應(yīng)[2]。
通常在高水位時(shí)設(shè)計(jì)波浪的波峰頂點(diǎn)要低于海洋平臺(tái)的上部組塊一定值，上部組塊受波浪的作用力可以
不考慮。但是，在極端風(fēng)暴潮發(fā)生移動(dòng)的過(guò)程中，氣壓場(chǎng)與風(fēng)場(chǎng)的同時(shí)存在會(huì)對(duì)上部組塊造成不可忽略的影
響。故研究近海導(dǎo)管架平臺(tái)受風(fēng)暴潮的作用機(jī)理，一方面需要考慮樁柱直接受波浪水平力和風(fēng)力的作用，也要
考慮極端風(fēng)暴潮對(duì)上部組塊產(chǎn)生的波浪力作用[3]。為此，該文通過(guò)對(duì)極端風(fēng)暴潮載荷的模擬，確定適用于導(dǎo)管
架平臺(tái)極限承載能力的評(píng)估方法，并應(yīng)用此方法對(duì)極端風(fēng)暴潮下平臺(tái)的極限承載能力進(jìn)行分析。
1 極端風(fēng)暴潮載荷分析
1．1風(fēng)載荷的模擬
導(dǎo)管架平臺(tái)所受的風(fēng)載荷包括靜風(fēng)載與脈動(dòng)風(fēng)載。結(jié)構(gòu)受到風(fēng)載荷的作用力為
F一(∞／29)驢C4 (1)
式中：F為風(fēng)載荷大??；叫為空氣比重；g為重力加速度；V為風(fēng)速；C；為形狀系數(shù)；A為物體面積。
脈動(dòng)風(fēng)載荷一般使用疊加的形式模擬風(fēng)譜，脈動(dòng)風(fēng)載荷譜表示為
SF(廠)一lD2CDA 2曠2S。(廠) (2)
式中：lD為空氣密度；CD為阻力系數(shù)；A為與風(fēng)垂直的受風(fēng)面積；s。(廠)為脈動(dòng)風(fēng)速功率譜。
設(shè)風(fēng)速為渤海海域百年一遇l rnjn平均風(fēng)速，取采樣頻率N一1 024，地面粗糙系數(shù)K—o．003，時(shí)間￡一
200 s，時(shí)間間隔為0．1 s。由此模擬導(dǎo)管架所受風(fēng)載荷的時(shí)
程曲線，如圖1所示[4]。
1．2 甲板上浪載荷分析
甲板上浪載荷還沒(méi)有普遍的計(jì)算方法，目前使用最
廣泛的簡(jiǎn)化上浪載荷時(shí)程是三線性模型，主要是通過(guò)實(shí)
驗(yàn)和流體的仿真模擬求得。三線性上浪載荷簡(jiǎn)化時(shí)間歷
程如圖2所示，該時(shí)間歷程由一段載荷增加段和兩段不
同斜率的降低段組成。其中：Fd。。。為甲板上浪載荷極大
值，定義為上浪高度最大時(shí)對(duì)應(yīng)的載荷，可根據(jù)不同的上
浪模型計(jì)算得到；￡。。為上浪載荷作用總時(shí)間，定義為從
波浪前沿接觸平臺(tái)底層甲板至最終與甲板完全分離的時(shí)
間；f，、f：、￡。為不同上浪階段對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間，其比值為
0．5：O．5：2．1[5|。
)0 2()O 300 400 500
時(shí)間如
圖1風(fēng)載荷時(shí)程曲線圖
時(shí)f·j
圖2 甲板上浪載荷時(shí)間歷程簡(jiǎn)化模型
8
7
6
5
4
3
2
，
0
∞
∞
甜
礬
舛
舛
甜
舛
¨
z齷罐基
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第6期張坤。等極端風(fēng)暴潮下近海導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全分析·59·
2 結(jié)構(gòu)有限元模型與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)
2．1平臺(tái)有限元模型
某近海導(dǎo)管架由基礎(chǔ)部分和上部組塊組成，基礎(chǔ)部分由導(dǎo)管架和樁腿構(gòu)成，導(dǎo)管架主要是四腿式；上部
模塊主要是由樁柱、甲板、梁結(jié)構(gòu)和斜撐組成的帽式結(jié)構(gòu)。平臺(tái)甲板共兩層，上層為主甲板，下層為井口平
臺(tái)‘引，平臺(tái)尺寸為19．5 m×19．o m，重約530 t。導(dǎo)管架與樁柱部分采用彈塑性單元PIPE288和PIPE20，
PIPE288單元能夠使用相應(yīng)的模塊自主模擬和求得波浪載荷。上部結(jié)構(gòu)則應(yīng)用PIPEl6和BEAMl88單
元，質(zhì)量使用MASS21單元模擬，土壤作用用COMBIN39模擬，上部結(jié)構(gòu)可以看成是線性的材料[7]，平臺(tái)有
限元模型如圖3所示。
圖3導(dǎo)管架平臺(tái)的有限元模型
2．2環(huán)境載荷計(jì)算
考慮到淺海發(fā)生上浪的幾率較低，為分析極端自然條件載荷以及不同高度的上浪載荷對(duì)平臺(tái)的影響，評(píng)
估時(shí)環(huán)境載荷重現(xiàn)期取一萬(wàn)年。假設(shè)不同工況對(duì)應(yīng)的平臺(tái)水深為17 m～19 m，以反映由沉降或風(fēng)暴增水引
起的平臺(tái)水深增加。根據(jù)API規(guī)范，側(cè)向時(shí)導(dǎo)管架海流阻擋系數(shù)n擊，取0．8；甲板類型為無(wú)設(shè)備時(shí)，拖曳力
系數(shù)G取1．6。根據(jù)API推薦算法，求出最大的甲板上浪載荷F如。；，見表1。計(jì)算過(guò)程中，由水深變化引起
海流流速的增加根據(jù)波剖面的線性延伸獲得，波浪載荷用有限元軟件ANSYS求得，相應(yīng)的最大相位角通過(guò)
APDL編程搜索得到[7]。
由表1可知，水深值加大，波高和水平速度值變化不大，但上浪的高度值一直在增加，引起上浪載荷增
大。
裘1 三種工況下E浪載荷數(shù)據(jù)表
工況
水深
／m
甲板氣隙
／m
波面高度
叩m“／m
上浪高度水平速度上浪載荷最大相位角
z。d／m ‰／(m·s一1) F wd／kN ／(。)
17
18
19
6．0
5．O
4．O
6．815 5
6．699 9
6．595 4
O．815 5
1．699 9
2．595 4
7．653 7
7．287 2
6．962 0
473．56
896．85
l 296．99
107
108
109
3 極端風(fēng)暴潮下平臺(tái)的結(jié)構(gòu)分析
3．1動(dòng)力響應(yīng)分析
依據(jù)上浪載荷的簡(jiǎn)化時(shí)間歷程模型并結(jié)合表1得到作用于平臺(tái)的上浪載荷時(shí)間歷程，將該歷程和波浪
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
中國(guó)海洋平臺(tái)第31卷第6期
荷載相迭加，求得總波浪載荷作用下的時(shí)間歷程曲線，如
圖4所示。由圖4可以看出：2 s左右出現(xiàn)上浪載荷的最
大值；水深為19 m時(shí)，上浪高度較大，上浪載荷也最大；
總波浪載荷時(shí)間歷程只在有上浪影響時(shí)才會(huì)有較大的變
化，除此以外載荷歷程載荷值基本沒(méi)有變化。
對(duì)平臺(tái)施加如圖4所示的波浪載荷作非線性瞬態(tài)響
應(yīng)計(jì)算。應(yīng)用HHT—d理論，取一階瞬態(tài)積分參數(shù)
口一1．o，二階瞬態(tài)積分參數(shù)a—o．152 4，占一O．016 4，同
時(shí)給出最優(yōu)化的選項(xiàng)；阻尼比}一o．05，分析過(guò)程中計(jì)算
時(shí)間設(shè)定為波浪周期T一9 s，并指定初始速度為零，通過(guò)
階躍方式進(jìn)行加載，計(jì)算得到平臺(tái)導(dǎo)管架頂點(diǎn)某節(jié)點(diǎn)在
不同工況下的頂點(diǎn)位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)，如圖5所示。
剛問(wèn)≮
圖4不同工況下作用于平臺(tái)上的總波浪載荷
圖5 不同工況下導(dǎo)管架頂點(diǎn)水平位移和甲板頂部加速度響應(yīng)
由圖5可知，導(dǎo)管架頂點(diǎn)位移響應(yīng)最大峰值在2 s左右，在一個(gè)周期波浪載荷作用下，位移響應(yīng)呈周期
性振動(dòng)，且上浪高度增加時(shí)位移也不斷增大，這是由上浪載荷逐漸增大引起的。但是，三種上浪高度下，平臺(tái)
位移響應(yīng)從第二個(gè)峰值以后圍繞平衡點(diǎn)往復(fù)振動(dòng)，而平臺(tái)在5 s之后受到的波浪載荷幾乎相同，這說(shuō)明平臺(tái)
發(fā)生塑性形變，從而加劇結(jié)構(gòu)的響應(yīng)幅值。對(duì)于加速度響應(yīng)，水深為17 m(上浪高度為o．815 5 m)時(shí)，平臺(tái)
振動(dòng)加速度最小，最大值僅為1．100 1 m／s2，發(fā)生在2．275 s；另外兩個(gè)上浪高度情況下的加速度響應(yīng)極大值
都是出現(xiàn)在2 s左右，且與上浪高度成正比，但第一次峰值以后都產(chǎn)生程度不同地衰減。
分別提取三種上浪高度下平臺(tái)最大動(dòng)力響應(yīng)載荷步的應(yīng)力與應(yīng)變分布云圖，如圖6所示?？梢钥闯觯涸?
三種工況下，平臺(tái)的最大應(yīng)力位置均出現(xiàn)在導(dǎo)管架下層斜撐處，這與其受到的風(fēng)浪流載荷較大且結(jié)構(gòu)上較弱
的特點(diǎn)相符合。并且水深增加，平臺(tái)結(jié)構(gòu)所受到的應(yīng)力越大。從位移云圖可以看出，由于樁土的相互作用，
三種上浪高度下，平臺(tái)的最大位移均出現(xiàn)在上部甲板處，且位移大小與水深成正比。
3．2極限承載力分析
在上浪載荷作用時(shí)，假定作用方向?yàn)閛。，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限承載能力評(píng)估。由表1可知，最大波高
‰。與速度如受海水深度的變化影響不大，甲板的上浪載荷與相應(yīng)的高度呈正比例關(guān)系，甲板上浪確實(shí)能夠
嚴(yán)重破壞上部模塊[7]。對(duì)各上浪高度下的平臺(tái)進(jìn)行非線性靜力推覆分析，獲得相應(yīng)的極限承載能力曲線圖，
如圖7所示。
由圖7可知，平臺(tái)倒塌的形式依然可以看作是延性倒塌，平臺(tái)的結(jié)構(gòu)位移與上浪高度的增加成正比例
關(guān)系，但是其極限承載能力反而下降，由此可得上浪載荷會(huì)對(duì)平臺(tái)的整體抗力產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)之初就應(yīng)確保
甲板上部組塊與海平面間有著充足的氣體間隙[8]。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第6期張坤，等極端風(fēng)暴潮下近海導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全分析· 61 ·
(a)上浪高度0．815 5 ln乎臺(tái)應(yīng)力云圖
蘭三一+!}“j!冀：三，j黯H、j冀篡螄。啦!。!噸二瓢_$jjl譬!。撼#蜊
(b)上浪高度l 699 9 m平臺(tái)應(yīng)力云圖(c)上浪高度2 595 4 m平臺(tái)應(yīng)力云圖
d)上浪高度o 8l 5 5m平臺(tái)位移云圖(e)上浪高度1 699 9m平臺(tái)位移云圖(f)上浪高度2 595 4m平臺(tái)位移云圖
4 結(jié)論
圖6 動(dòng)力響應(yīng)不同工況下的平臺(tái)應(yīng)力和位移云圖
該文的主要研究工作和結(jié)論如下：
(1)對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)整個(gè)上浪過(guò)程進(jìn)行模擬，確定應(yīng)用
波浪理論進(jìn)行平臺(tái)甲板上浪載荷的計(jì)算方案和具體步驟。
(2)探討了風(fēng)暴潮聯(lián)合作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性，揭示
淺海固定式平臺(tái)在風(fēng)暴潮等極端環(huán)境載荷下的結(jié)構(gòu)特性
與失效機(jī)理，為近海固定式導(dǎo)管架平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、在役
平臺(tái)設(shè)施安全與可靠性的評(píng)估提供參考。
(3)極端風(fēng)暴潮作用下，近海導(dǎo)管架平臺(tái)受上浪載荷
作用，結(jié)構(gòu)的極限承載能力減弱，影響其抗力。對(duì)在役導(dǎo)
O O O．2 (1 4 O．6 O．8 l 0 1．2 1．4 1 6
導(dǎo)管架水平位移／ln
圖7不同上浪高度下的平臺(tái)承載能力曲線
管架平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)評(píng)估時(shí)，若考慮極端風(fēng)暴潮天氣或平臺(tái)下沉明顯的工況，必須對(duì)上浪載荷予以重視。
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