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極端風暴潮下近海導管架平臺結(jié)構(gòu)安全分析

文檔作者：張坤，陳國明，朱本瑞，劉紅兵，胡春友文檔來源：中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術研究中心		點擊數(shù)： 12 1	更新時間： 2025年02月21日
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第31卷第6期中國海洋平臺V01．3l No．6
2016年12月CHINA oFFSHoRE PLATF()RM Dec．，2016
文章編號：1001—4500(2016)06一0057—05
極端風暴潮下近海導管架平臺結(jié)構(gòu)安全分析
張坤，陳國明，朱本瑞，劉紅兵，胡春友
(中國石油大學(華東)海洋油氣裝備與安全技術研究中心，山東青島266580)
摘要：基于導管架平臺極端環(huán)境作用下極限狀態(tài)的分析，研究了近海導管架平臺的結(jié)構(gòu)安全。由極端
風暴潮載荷的模擬方法，確定適用于近海導管架平臺的安全評價方法。并以某近海導管架平臺為例，進行甲板
上浪裁荷計算、靜力非線性分析、動力響應分析及極限承栽能力分析。結(jié)果表明：極端風暴潮作用下的上浪栽
荷會減弱近海導管架結(jié)構(gòu)的極限承載能力，也會影響其抗力，須予以重視。
關鍵詞：極端風暴潮；近海導管架平臺；上浪載荷；動力響應分析；極限承栽能力
中圖分類號：P75 文獻標識碼：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
我國海域的平臺除受常規(guī)環(huán)境影響外，還會受風暴潮的影響。風暴潮是海水受到劇烈的大氣擾動，包括
強風和氣壓驟變等，導致海水異常升降，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。渤海海域一般風暴潮受氣壓影響不大，對該區(qū)域風暴潮的數(shù)值模
收稿日期：2015一07-24
作者簡介：張坤(1978一)，男，碩士研究生。
萬方數(shù)據(jù)
中國海洋平臺第31卷第6期
擬通常只考慮設計條件下的風應力場和波浪的非線性耦合效應[2]。
通常在高水位時設計波浪的波峰頂點要低于海洋平臺的上部組塊一定值，上部組塊受波浪的作用力可以
不考慮。但是，在極端風暴潮發(fā)生移動的過程中，氣壓場與風場的同時存在會對上部組塊造成不可忽略的影
響。故研究近海導管架平臺受風暴潮的作用機理，一方面需要考慮樁柱直接受波浪水平力和風力的作用，也要
考慮極端風暴潮對上部組塊產(chǎn)生的波浪力作用[3]。為此，該文通過對極端風暴潮載荷的模擬，確定適用于導管
架平臺極限承載能力的評估方法，并應用此方法對極端風暴潮下平臺的極限承載能力進行分析。
1 極端風暴潮載荷分析
1．1風載荷的模擬
導管架平臺所受的風載荷包括靜風載與脈動風載。結(jié)構(gòu)受到風載荷的作用力為
F一(∞／29)驢C4 (1)
式中：F為風載荷大小；叫為空氣比重；g為重力加速度；V為風速；C；為形狀系數(shù)；A為物體面積。
脈動風載荷一般使用疊加的形式模擬風譜，脈動風載荷譜表示為
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為與風垂直的受風面積；s。(廠)為脈動風速功率譜。
設風速為渤海海域百年一遇l rnjn平均風速，取采樣頻率N一1 024，地面粗糙系數(shù)K—o．003，時間￡一
200 s，時間間隔為0．1 s。由此模擬導管架所受風載荷的時
程曲線，如圖1所示[4]。
1．2 甲板上浪載荷分析
甲板上浪載荷還沒有普遍的計算方法，目前使用最
廣泛的簡化上浪載荷時程是三線性模型，主要是通過實
驗和流體的仿真模擬求得。三線性上浪載荷簡化時間歷
程如圖2所示，該時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對應的載荷，可根據(jù)不同的上
浪模型計算得到；￡。。為上浪載荷作用總時間，定義為從
波浪前沿接觸平臺底層甲板至最終與甲板完全分離的時
間；f，、f：、￡。為不同上浪階段對應的作用時間，其比值為
0．5：O．5：2．1[5|。
)0 2()O 300 400 500
時間如
圖1風載荷時程曲線圖
時f·j
圖2 甲板上浪載荷時間歷程簡化模型
8
7
6
5
4
3
2
，
0
∞
∞
甜
礬
舛
舛
甜
舛
¨
z齷罐基
萬方數(shù)據(jù)
第6期張坤。等極端風暴潮下近海導管架平臺結(jié)構(gòu)安全分析·59·
2 結(jié)構(gòu)有限元模型與基礎數(shù)據(jù)
2．1平臺有限元模型
某近海導管架由基礎部分和上部組塊組成，基礎部分由導管架和樁腿構(gòu)成，導管架主要是四腿式；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)。平臺甲板共兩層，上層為主甲板，下層為井口平
臺‘引，平臺尺寸為19．5 m×19．o m，重約530 t。導管架與樁柱部分采用彈塑性單元PIPE288和PIPE20，
PIPE288單元能夠使用相應的模塊自主模擬和求得波浪載荷。上部結(jié)構(gòu)則應用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]，平臺有
限元模型如圖3所示。
圖3導管架平臺的有限元模型
2．2環(huán)境載荷計算
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平臺的影響，評
估時環(huán)境載荷重現(xiàn)期取一萬年。假設不同工況對應的平臺水深為17 m～19 m，以反映由沉降或風暴增水引
起的平臺水深增加。根據(jù)API規(guī)范，側(cè)向時導管架海流阻擋系數(shù)n擊，取0．8；甲板類型為無設備時，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。計算過程中，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，相應的最大相位角通過
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 極端風暴潮下平臺的結(jié)構(gòu)分析
3．1動力響應分析
依據(jù)上浪載荷的簡化時間歷程模型并結(jié)合表1得到作用于平臺的上浪載荷時間歷程，將該歷程和波浪
萬方數(shù)據(jù)
中國海洋平臺第31卷第6期
荷載相迭加，求得總波浪載荷作用下的時間歷程曲線，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，上浪高度較大，上浪載荷也最大；
總波浪載荷時間歷程只在有上浪影響時才會有較大的變
化，除此以外載荷歷程載荷值基本沒有變化。
對平臺施加如圖4所示的波浪載荷作非線性瞬態(tài)響
應計算。應用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
時給出最優(yōu)化的選項；阻尼比}一o．05，分析過程中計算
時間設定為波浪周期T一9 s，并指定初始速度為零，通過
階躍方式進行加載，計算得到平臺導管架頂點某節(jié)點在
不同工況下的頂點位移響應和加速度響應，如圖5所示。
剛問≮
圖4不同工況下作用于平臺上的總波浪載荷
圖5 不同工況下導管架頂點水平位移和甲板頂部加速度響應
由圖5可知，導管架頂點位移響應最大峰值在2 s左右，在一個周期波浪載荷作用下，位移響應呈周期
性振動，且上浪高度增加時位移也不斷增大，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
位移響應從第二個峰值以后圍繞平衡點往復振動，而平臺在5 s之后受到的波浪載荷幾乎相同，這說明平臺
發(fā)生塑性形變，從而加劇結(jié)構(gòu)的響應幅值。對于加速度響應，水深為17 m(上浪高度為o．815 5 m)時，平臺
振動加速度最小，最大值僅為1．100 1 m／s2，發(fā)生在2．275 s；另外兩個上浪高度情況下的加速度響應極大值
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最大動力響應載荷步的應力與應變分布云圖，如圖6所示?？梢钥闯觯涸?
三種工況下，平臺的最大應力位置均出現(xiàn)在導管架下層斜撐處，這與其受到的風浪流載荷較大且結(jié)構(gòu)上較弱
的特點相符合。并且水深增加，平臺結(jié)構(gòu)所受到的應力越大。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，假定作用方向為o。，對平臺結(jié)構(gòu)進行極限承載能力評估。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的高度呈正比例關系，甲板上浪確實能夠
嚴重破壞上部模塊[7]。對各上浪高度下的平臺進行非線性靜力推覆分析，獲得相應的極限承載能力曲線圖，
如圖7所示。
由圖7可知，平臺倒塌的形式依然可以看作是延性倒塌，平臺的結(jié)構(gòu)位移與上浪高度的增加成正比例
關系，但是其極限承載能力反而下降，由此可得上浪載荷會對平臺的整體抗力產(chǎn)生影響，設計之初就應確保
甲板上部組塊與海平面間有著充足的氣體間隙[8]。
萬方數(shù)據(jù)
第6期張坤，等極端風暴潮下近海導管架平臺結(jié)構(gòu)安全分析· 61 ·
(a)上浪高度0．815 5 ln乎臺應力云圖
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平臺應力云圖(c)上浪高度2 595 4 m平臺應力云圖
d)上浪高度o 8l 5 5m平臺位移云圖(e)上浪高度1 699 9m平臺位移云圖(f)上浪高度2 595 4m平臺位移云圖
4 結(jié)論
圖6 動力響應不同工況下的平臺應力和位移云圖
該文的主要研究工作和結(jié)論如下：
(1)對導管架平臺整個上浪過程進行模擬，確定應用
波浪理論進行平臺甲板上浪載荷的計算方案和具體步驟。
(2)探討了風暴潮聯(lián)合作用下的動力響應特性，揭示
淺海固定式平臺在風暴潮等極端環(huán)境載荷下的結(jié)構(gòu)特性
與失效機理，為近海固定式導管架平臺系統(tǒng)的設計、在役
平臺設施安全與可靠性的評估提供參考。
(3)極端風暴潮作用下，近海導管架平臺受上浪載荷
作用，結(jié)構(gòu)的極限承載能力減弱，影響其抗力。對在役導
O O O．2 (1 4 O．6 O．8 l 0 1．2 1．4 1 6
導管架水平位移／ln
圖7不同上浪高度下的平臺承載能力曲線
管架平臺進行結(jié)構(gòu)評估時，若考慮極端風暴潮天氣或平臺下沉明顯的工況，必須對上浪載荷予以重視。
參考文獻
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