徐 徹，楊 飏

(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧大連 116024)

為了給予設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)足夠的安全度，一般采用的作法就是在設(shè)計(jì)過程中將認(rèn)為結(jié)構(gòu)需要承受的強(qiáng)度提高，例如，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)載荷乘以一個(gè)安全系數(shù)，這樣就使得結(jié)構(gòu)構(gòu)件具備了一定的“安全儲(chǔ)備”?；谶@種思想，安全儲(chǔ)備的概念被提了出來［1］。而海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)作為一種海上重要結(jié)構(gòu)，暴露在復(fù)雜的海洋環(huán)境當(dāng)中，長(zhǎng)期受到惡劣的天氣環(huán)境以及諸多其它復(fù)雜因素的影響，有時(shí)還要承受極端的環(huán)境載荷、爆炸和地震等偶然載荷作用，因此海洋平臺(tái)的倒塌事故時(shí)有發(fā)生。英國(guó)北海Piper alpha平臺(tái)由于凝析油泄露的原因發(fā)生爆炸，如圖1所示，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失效并最終沉沒［2］。EI-322 A平臺(tái)事故如圖2所示。該平臺(tái)由于受到Lili風(fēng)暴作用影響，主體受到破壞而傾斜，并倚到相鄰平臺(tái)上。由于平臺(tái)受損過重而無法修理，最終被退役。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，自1970年以來，世界范圍內(nèi)造成海上人員傷亡的海上結(jié)構(gòu)物破壞事故近600起，其中固定式平臺(tái)破壞事故就達(dá)到總體的五分之二，并造成了數(shù)百人死亡［3］。為了降低此類事故發(fā)生的可能性，降低事故對(duì)海洋環(huán)境造成的危害，保證經(jīng)濟(jì)效益與人員安全，就需要平臺(tái)提供更高的整體安全儲(chǔ)備，因此海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備研究就顯得十分必要。

圖1 北海Piper alpha平臺(tái)事故Fig.1 Accident of Piper alpha oil production platform

圖2 EI-322 A平臺(tái)事故Fig.2 Accident of EI-322 A platform

近年來，海洋平臺(tái)的安全儲(chǔ)備在國(guó)際上受到了足夠的重視。API［4］、DNV［5］與 HSE［6］等部門在通過多次對(duì)于整體安全性評(píng)價(jià)方法的修正、安全完整性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的增補(bǔ)以及大量的實(shí)驗(yàn)與模擬分析等過程，不斷深入討論不同海域下固定平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體安全性，提高了平臺(tái)的抗倒塌能力與整體安全儲(chǔ)備。近年，我國(guó)對(duì)于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全性也逐漸開始重視起來。但由于發(fā)展較晚，與國(guó)外相比仍有一定的差距。這個(gè)差距體現(xiàn)在很多方面:1)老齡平臺(tái)服役期較長(zhǎng)，其剩余安全儲(chǔ)備的研究不夠深入;2)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)取自國(guó)外，常與我國(guó)海域不相符;3)遠(yuǎn)海平臺(tái)設(shè)計(jì)缺乏足夠的環(huán)境資料與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等。

擬對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備的相關(guān)研究進(jìn)行對(duì)比和總結(jié)，綜述目前對(duì)于安全儲(chǔ)備的概念、劃分策略及性能指標(biāo)的考慮，通過對(duì)比和總結(jié)，提出針對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備的研究方法、技術(shù)指標(biāo)及分析思路。

1 安全儲(chǔ)備的概念

1.1 基本概念

一般認(rèn)為，安全儲(chǔ)備是指結(jié)構(gòu)和構(gòu)件在遭受意外超載和意外事件時(shí)極限破壞狀態(tài)與設(shè)計(jì)目標(biāo)狀態(tài)的比值［7］。

1.2 安全儲(chǔ)備的分類

由于結(jié)構(gòu)的安全性與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的狀態(tài)是時(shí)刻對(duì)應(yīng)的，且對(duì)應(yīng)于不同類型的結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)狀態(tài)，其安全儲(chǔ)備也不盡相同。因此，安全儲(chǔ)備的概念，應(yīng)該根據(jù)不同的前提予以不同考慮。目前，對(duì)于安全儲(chǔ)備的分類如圖3［8-10］所示。

1.3 安全儲(chǔ)備的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

圖3 安全儲(chǔ)備的分類Fig 3 . Categorization of safety reserve

安全儲(chǔ)備的表達(dá)一般是通過性能指標(biāo)來描述的。從定義來看，其指標(biāo)應(yīng)為極限變量與設(shè)計(jì)變量之間的比值。對(duì)應(yīng)于不同的性能，其極限變量的表示方法不盡相同?；诓煌牟牧咸匦浴⑤d荷形式與失效模式，如何更準(zhǔn)確地描述結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限狀態(tài)，以及確定合理的極限變量指標(biāo)，是目前安全儲(chǔ)備的主要研究方向之一。

安全儲(chǔ)備指標(biāo)的大小可直接用于體現(xiàn)安全儲(chǔ)備量的大小，并可直接用于比較，具有較為明確的意義。對(duì)于不同分類方法下的安全儲(chǔ)備，也是通過不同類型的性能指標(biāo)或其結(jié)合來綜合描述的。對(duì)于目前無法利用指標(biāo)描述的部分安全儲(chǔ)備，現(xiàn)有的方法是通過研究其特性，并找到其相關(guān)的影響因素，對(duì)這些影響因素進(jìn)行調(diào)控以達(dá)到提高該部分安全儲(chǔ)備的目的。目前，對(duì)于性能安全指標(biāo)與部分安全儲(chǔ)備指標(biāo)，已有學(xué)者進(jìn)行了一些研究，并提出了一些相關(guān)參考值，用以對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的安全度進(jìn)行判斷。

1.4 安全儲(chǔ)備的性能指標(biāo)

從性能上看，承載力安全儲(chǔ)備主要由承載力系數(shù)描述，定義為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件最大承載力與設(shè)計(jì)目標(biāo)實(shí)際受力之比，目前整體結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備的研究也主要集中于承載力安全儲(chǔ)備的研究范疇;而變形能力的安全儲(chǔ)備主要由延性系數(shù)來描述，定義為結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的極限變形與屈服變形之比。傳統(tǒng)海工結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件設(shè)計(jì)由于仍主要采用鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此在目前的研究中仍以延性系數(shù)作為變形能力的安全儲(chǔ)備指標(biāo)進(jìn)行性能研究。

近年來，一些新型材料(例如:FRP材料)的使用，其性能與傳統(tǒng)鋼構(gòu)件不同，當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服后，仍主要體現(xiàn)為彈性變形。為了能夠描述新型材料的變形能力安全儲(chǔ)備，變形性系數(shù)的概念被提出，定義為極限曲率與混凝土梁受壓邊緣應(yīng)變?chǔ)與=0.001時(shí)的曲率的比值［11］。而這個(gè)定義由于僅適用于FRP配筋混凝土梁，因此有很大的局限性。為了擴(kuò)充該指標(biāo)的描述范圍，該指標(biāo)又被定義為結(jié)構(gòu)構(gòu)件的極限變形與設(shè)計(jì)變形之間的比值［12］，以完成對(duì)于不同類型結(jié)構(gòu)構(gòu)件的綜合性描述。

另外，為了對(duì)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的綜合性能安全儲(chǔ)備進(jìn)行全面的描述，采用將承載力系數(shù)與變形性系數(shù)等性能指標(biāo)的合理結(jié)合成為了目前研究的重點(diǎn)。目前，這類考慮了構(gòu)件屈服后的延性儲(chǔ)備以及考慮結(jié)構(gòu)在動(dòng)力載荷作用下的變形能力儲(chǔ)備的綜合安全儲(chǔ)備評(píng)價(jià)思想才剛剛發(fā)展起來，因此在海洋結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用較少。表1中回顧了現(xiàn)有的一些綜合性指標(biāo)及其含義。

表1 綜合性能指標(biāo)及含義Tab.1 Synthetic indices and index significance

2 基于確定性研究方法的平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備

系統(tǒng)的安全性評(píng)估方法主要有確定性評(píng)估方法與可靠度分析和定量風(fēng)險(xiǎn)分析的概率方法兩類。兩種方法在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全評(píng)估研究過程中都具有一定的意義。確定性評(píng)估方法主要基于對(duì)結(jié)構(gòu)在載荷作用下失效過程的模擬，記錄結(jié)構(gòu)的整體響應(yīng)過程，并通過極限狀態(tài)與設(shè)計(jì)狀態(tài)下某變量的比值來進(jìn)行安全儲(chǔ)備的定量分析。整體結(jié)構(gòu)的確定性安全儲(chǔ)備研究主要基于靜力非線性分析(Pushover)方法。

2.1 構(gòu)件層次的安全儲(chǔ)備

基于確定性方法的構(gòu)件設(shè)計(jì)主要依照工作應(yīng)力設(shè)計(jì)(WSD，working stress design)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)于構(gòu)件的安全性校核，一般是利用安全系數(shù)K來體現(xiàn)構(gòu)件的綜合安全儲(chǔ)備:

式中:σu為屈服應(yīng)力，σ為載荷效應(yīng)。安全系數(shù)K是對(duì)于構(gòu)件安全性的綜合考慮，包括了很多的不確定因素。該指標(biāo)簡(jiǎn)潔實(shí)用，使構(gòu)件強(qiáng)度有了一定的安全儲(chǔ)備，我國(guó)和國(guó)外的海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)至今仍采用該設(shè)計(jì)方法。但對(duì)于具有塑性性質(zhì)的材料，這種方法無法考慮其塑性階段繼續(xù)承載的能力，且對(duì)于其包含的各類不確定因素對(duì)于K指標(biāo)的影響無法確定，因此K指標(biāo)的大小只有靠經(jīng)驗(yàn)給出，無法進(jìn)行定量的深入分析。

2.2 整體結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備

2.2.1 儲(chǔ)備強(qiáng)度比

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全性指標(biāo)為儲(chǔ)備強(qiáng)度比RSR［4］。一般地，RSR可表示為

儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)定義為平臺(tái)結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度與設(shè)計(jì)強(qiáng)度的比值。在API規(guī)范中，RSR指標(biāo)定義為平臺(tái)極限載荷與100年環(huán)境載荷的比值。RSR是固定式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全度評(píng)價(jià)中最為常用的安全儲(chǔ)備指標(biāo)，其定義明確，能夠得到較為直觀的結(jié)果，因此RSR指標(biāo)目前在對(duì)于冰載荷、波浪載荷或地震載荷等環(huán)境載荷作用下的確定性安全性評(píng)價(jià)中受到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于固定式平臺(tái)，當(dāng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)安裝水深大于30 m時(shí)，宜用結(jié)構(gòu)的傾覆力矩定義結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù);安裝水深小于30 m時(shí)，采用結(jié)構(gòu)基底橫向力定義強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)更為適合［15］。

圖4 Pushover法程序框圖Fig 4 . Program block diagram of Pushover analysis

對(duì)于RSR指標(biāo)極限承載力的判定是目前研究的重點(diǎn)。目前的判定方法主要是根據(jù)一系列的“推倒”過程，通過靜力非線性結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析來獲得結(jié)構(gòu)的倒塌極限，即Pushover方法。Pushover分析的大致步驟如圖4所示。Pushover分析在理論上并不完備，無法考慮波浪作用時(shí)甲板上浪情況等問題，無法考慮到海上環(huán)境載荷的動(dòng)力效應(yīng)，在進(jìn)行抗震研究時(shí)橫向載荷的加載方式也存在一定的爭(zhēng)議。但該方法過程簡(jiǎn)單，計(jì)算方便，得到了業(yè)界的廣泛認(rèn)可。美國(guó)ATC-40和FEMA273均將Pushover方法列入了抗震規(guī)范體系;美國(guó)API規(guī)范中也推薦Pushover方法作為平臺(tái)整體安全儲(chǔ)備的研究方法。近年來，英國(guó)HSE將原靜力載荷轉(zhuǎn)化為具有周期性的動(dòng)力載荷，利用Abaqus軟件對(duì)Kittiwake平臺(tái)進(jìn)行了一系列基于“動(dòng)力Pushover方法”研究［16］。動(dòng)力 Pushover方法符合目前確定性安全儲(chǔ)備研究的發(fā)展方向，但這種方法目前還尚不成熟，仍有待進(jìn)一步研究與推廣。

肖儀清等人［17］針對(duì)老化平臺(tái)和有損平臺(tái)，提出了剩余儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)指標(biāo)，該系數(shù)反映了在役平臺(tái)結(jié)構(gòu)在當(dāng)前有損狀態(tài)下的剩余儲(chǔ)備強(qiáng)度:

式中:Rs是平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系的儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù);Rr是剩余強(qiáng)度系數(shù)。結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度系數(shù)是指受損結(jié)構(gòu)倒塌載荷與設(shè)計(jì)載荷之比。剩余強(qiáng)度主要由結(jié)構(gòu)當(dāng)前損傷狀況、結(jié)構(gòu)冗余度、構(gòu)件利用率和構(gòu)件的重要性等因素決定。Fud與Fd分別為結(jié)構(gòu)在有損狀態(tài)極限載荷作用下和在設(shè)計(jì)載荷作用下的基底橫向力或傾覆力。當(dāng)系數(shù)Rsr＞1時(shí)，有損狀態(tài)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)遭遇原設(shè)計(jì)載荷時(shí)不會(huì)倒塌。通常要求在役平臺(tái)的剩余儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)大于1.5。

剩余儲(chǔ)備強(qiáng)度指標(biāo)的獲得方法與RSR類似，但由于考慮了缺陷、損傷和腐蝕等一系列因素的影響，因此需要在分析過程中對(duì)結(jié)構(gòu)中構(gòu)件節(jié)點(diǎn)的模型形式、尺寸與剛度等進(jìn)行修正與調(diào)整，以達(dá)到模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的目的。通過對(duì)調(diào)整后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行倒塌分析能夠得到在有損狀態(tài)下結(jié)構(gòu)性能，還可以進(jìn)行安全儲(chǔ)備的預(yù)測(cè)與評(píng)估、對(duì)平臺(tái)壽命進(jìn)行合理估計(jì)以及維修的需求與策略等研究。

3 基于概率研究方法的平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備

另一類評(píng)估方法是基于概率性評(píng)估方法的安全儲(chǔ)備分析，是目前研究的主要趨勢(shì)之一。Marshall P W和Bea G F［18-19］最先將結(jié)構(gòu)可靠性理論運(yùn)用到海洋平臺(tái)風(fēng)險(xiǎn)分析和環(huán)境載荷的標(biāo)準(zhǔn)選取中，為海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的可靠性研究奠定了基礎(chǔ)。其思想主要源于載荷的形式、分布與作用效應(yīng)等不確定性因素，通過大量的環(huán)境數(shù)據(jù)與結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的可靠性指標(biāo)和失效概率等安全性相關(guān)變量。另外，由于動(dòng)力方法下的倒塌分析僅通過一次或一條記錄下的作用分析無法體現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體的綜合安全性能，因此一般需要進(jìn)行大量的動(dòng)力載荷作用分析，并通過與概率方法的結(jié)合得到結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備性能，因此仍可視為一種概率性方法。

3.1 構(gòu)件層次的安全儲(chǔ)備

基于概率研究方法的構(gòu)件設(shè)計(jì)主要依照載荷與抗力系數(shù)(LRFD)方法進(jìn)行，其一般表達(dá)式為:

式中:Fi為由i載荷作用引起的名義載荷效應(yīng);γi為i載荷的作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù);R為名義強(qiáng)度函數(shù);φ為抗力系數(shù);M、F和P分別描述了材料的差異性、制造的差異性與專業(yè)人員或公式的差異性。γi、φ、M、F和P共同組成了構(gòu)件層次的安全儲(chǔ)備。LRFD方法是基于可靠度的設(shè)計(jì)方法，同時(shí)考慮了較多外界因素作用。因此這種方法對(duì)于構(gòu)件層次的安全儲(chǔ)備描述較為合理。但由于環(huán)境資料的缺乏，結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性分析不足，仍需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能夠制定出適宜中國(guó)海上環(huán)境的設(shè)計(jì)規(guī)范。

3.2 整體結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備

3.2.1 倒塌安全儲(chǔ)備CMR(collapse margin ratio)

小企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)靠產(chǎn)品，大企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)靠文化。文化就是生產(chǎn)力，文化就是競(jìng)爭(zhēng)力。廣汽研究院雖然建院才短短的十來年,但一直以來就提出和構(gòu)建了自身的企業(yè)文化。在秉承廣汽集團(tuán)的“人為本、信為道、創(chuàng)為先”、“至精.志廣”以及“創(chuàng)無止境 心有未來””的集團(tuán)企業(yè)理念下，提出了廣汽研究院自身的企業(yè)文化精髓：愛崗敬業(yè)，享受工作；操守垂范，厚德自強(qiáng)；業(yè)務(wù)精湛，勤勉創(chuàng)新；辦事干練，執(zhí)行得力；揮灑個(gè)性，團(tuán)隊(duì)共進(jìn)。

CMR是基于結(jié)構(gòu)地震作用而提出的一個(gè)倒塌安全儲(chǔ)備指標(biāo)。近年來，美國(guó)ATC委員會(huì)組織了一系列有關(guān)倒塌儲(chǔ)備系數(shù)的研究［20］。所謂倒塌儲(chǔ)備系數(shù)，就是比較結(jié)構(gòu)的實(shí)際抗地震倒塌能力和設(shè)防需求之間的儲(chǔ)備關(guān)系［8］，表達(dá)方式如下:

式中:IM50%collapse為對(duì)應(yīng)50%倒塌概率的地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo);IMMCE為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大震對(duì)應(yīng)的地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)。對(duì)于強(qiáng)度指標(biāo)的選擇，除了傳統(tǒng)運(yùn)用的PGA和PGV指標(biāo)外，ATC-63建議利用結(jié)構(gòu)第一周期地震影響系數(shù)Sa(T1)作為地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)。關(guān)于CMR指標(biāo)的研究目前仍主要集中于土木結(jié)構(gòu)中，海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)關(guān)于地震載荷的設(shè)防要求較為不足，平臺(tái)結(jié)構(gòu)與載荷作用方式也可能與地上不同。因此，對(duì)于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)，相關(guān)指標(biāo)是否可以直接照搬使用還有待進(jìn)一步的討論。但由于目前由靜力分析下的安全儲(chǔ)備向動(dòng)力發(fā)展的必然趨勢(shì)，相關(guān)的動(dòng)力載荷下的安全儲(chǔ)備指標(biāo)會(huì)在方法與描述范圍的深入研究與討論中逐漸明確。

CMR指標(biāo)的獲得主要依靠增量動(dòng)力分析方法 (IDA方法，incremental dynamic analysis)。目前，國(guó)際上對(duì)于平臺(tái)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)已經(jīng)開展了一些關(guān)于IDA方法的研究［21-22］。IDA方法主要針對(duì)于結(jié)構(gòu)地震動(dòng)力分析，其思想在1977年由Bertero提出，并在近十年間得到研究者的廣泛重視，成為抗震結(jié)構(gòu)安全性能評(píng)估的一種有效手段［23］和結(jié)構(gòu)整體抗倒塌能力的一種評(píng)估方法［24］。其主要思想是:對(duì)于多個(gè)記錄地震載荷進(jìn)行不斷增幅，進(jìn)行一系列的非線性時(shí)程分析，直到達(dá)到結(jié)構(gòu)無法承受的最大動(dòng)載荷為止，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，直到形成一條結(jié)構(gòu)響應(yīng)值與強(qiáng)度指標(biāo)值形成的IDA曲線，用來判定結(jié)構(gòu)在地震載荷下的結(jié)構(gòu)性能。

3.2.2 基于極限波浪載荷作用概率的強(qiáng)度儲(chǔ)備

其安全儲(chǔ)備指標(biāo)PRSR(probabilistic-based RSR)［25］可表示為:

式中:Vc為倒塌風(fēng)險(xiǎn)概率下的相關(guān)基底剪力。該指標(biāo)相對(duì)于傳統(tǒng)RSR指標(biāo)能夠得到與實(shí)際情況更為接近的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

為了得到PRSR值，Glafshani等人［25］提出了PIWA(probabilistic incremental wave analysis)方法。其主要思想是:利用不同波高下的波浪載荷對(duì)于多個(gè)平臺(tái)模型進(jìn)行橫向作用，對(duì)受到某一波高載荷作用下的平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性靜力或動(dòng)力分析(類似于Pushover方法或IDA方法)，產(chǎn)生一個(gè)針對(duì)不同波浪危險(xiǎn)級(jí)別與結(jié)構(gòu)響應(yīng)的特定曲線，并結(jié)合年超出頻率與波浪高度之間的關(guān)系，得到基于倒塌風(fēng)險(xiǎn)概率下的基底剪力曲線。該方法考慮了甲板上浪的情況，并在一定波高范圍內(nèi)對(duì)多個(gè)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了波浪載荷作用的結(jié)構(gòu)分析，因此更能反映平臺(tái)結(jié)構(gòu)的真實(shí)倒塌模式。

3.2.3 基于可靠度的強(qiáng)度儲(chǔ)備

可靠度方法下的安全儲(chǔ)備［26］考慮了動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)和安全指標(biāo)等參數(shù)對(duì)RSR值的影響。通過這種方法，Amari等人［27］對(duì)波斯灣海域環(huán)境的RSR指標(biāo)進(jìn)行了研究。其表達(dá)方法如下:

式中:Fe為動(dòng)載效應(yīng)系數(shù);BS為最大橫向承載力的中位數(shù)偏差;BR為最大橫向載荷的中位數(shù)偏差。這些偏差系數(shù)的運(yùn)用主要基于對(duì)實(shí)體的不確定性估計(jì)，體現(xiàn)為最好觀測(cè)值或?qū)嶋H值與預(yù)測(cè)值之間的比。β為安全指數(shù);S為百年一遇波的設(shè)計(jì)載荷;σlnS為橫向最大環(huán)境載荷的對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差;σlnSR為環(huán)境載荷與工作載荷之間的組合值。這種評(píng)估方法是基于對(duì)RSR相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。同時(shí)還考慮了財(cái)產(chǎn)、生產(chǎn)力、人員和環(huán)境等因素。此外，這種方法還考慮了結(jié)構(gòu)延性，以及平臺(tái)結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)。但是，由于該方法的RSR值是根據(jù)大量實(shí)際數(shù)據(jù)的綜合統(tǒng)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)得出的，因此詳細(xì)的RSR指標(biāo)值還有待總結(jié)。

3.2.4 基于模型修正系數(shù)法MCFM(model correction factor method)下的安全儲(chǔ)備

基于模型修正系數(shù)法的安全儲(chǔ)備［28］模型的極限方程可表示為:

式中:RSR0為初始的強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)，H100為百年一遇波高，Ws為某波高下的基底剪力或傾覆力矩，QS為波浪作用的負(fù)載效應(yīng)，QD為甲板上浪的負(fù)載效應(yīng)，XR為考慮了屈服強(qiáng)度下的抗力不確定性系數(shù)。這種方法首先建立一個(gè)簡(jiǎn)化模型，通過不斷進(jìn)行簡(jiǎn)化模型的修正，最終形成一個(gè)復(fù)雜而完整的非線性模型，通過迭代確定最優(yōu)的RSR值。其校準(zhǔn)過程確保了簡(jiǎn)化模型的相對(duì)準(zhǔn)確性。并且，由于考慮了甲板上浪的模型以及波浪作用下的氣隙影響，這種方法相對(duì)于傳統(tǒng)Pushover方法具有一定的優(yōu)勢(shì)。

4 海洋平臺(tái)安全儲(chǔ)備研究的思考

4.1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備的動(dòng)力分析

對(duì)于確定性方法中的RSR指標(biāo)以及基于概率方法的分析思路中，“推倒”都是必不可少的過程。目前實(shí)現(xiàn)推倒的方法主要是從結(jié)構(gòu)靜力非線性分析的Pushover思想發(fā)展起來。而實(shí)際上，諸如風(fēng)、浪、流和冰等海洋環(huán)境載荷都是動(dòng)力載荷，利用擬靜力分析方法有時(shí)無法準(zhǔn)確描述平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體抗倒塌能力，因此有必要采用動(dòng)力分析方法對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備進(jìn)行研究。另外，根據(jù)海域的不同，平臺(tái)的控制載荷條件發(fā)生變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效的主要破壞形式也可能不同。這就使得安全儲(chǔ)備的分析過程與分析方法在不同外界條件前提下有所差異。因此，在安全儲(chǔ)備的動(dòng)力分析中，還應(yīng)該考慮到這方面差異對(duì)分析結(jié)果與分析方法所造成的影響。

目前，作者所在的團(tuán)隊(duì)在采用動(dòng)力Pushover方法、IDA方法以及PIWA方法對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行平臺(tái)安全儲(chǔ)備的相關(guān)研究工作，已經(jīng)取得了初步進(jìn)展?，F(xiàn)有的IDA分析方法主要是針對(duì)結(jié)構(gòu)在地震載荷作用下的安全性能分析，而海洋平臺(tái)的動(dòng)力環(huán)境載荷形式多樣，借用地震載荷的分析思路，針對(duì)各種類型的載荷，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力增量分析，并選擇相應(yīng)的安全儲(chǔ)備指標(biāo)來判斷目標(biāo)結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備性能。例如，對(duì)于受到波浪載荷影響較大的平臺(tái)，可以基于隨機(jī)波浪譜，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行增量動(dòng)力分析，然后利用結(jié)構(gòu)體系的整體響應(yīng)特征參數(shù)計(jì)算整體結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù)及其它響應(yīng)指標(biāo)，以損傷指數(shù)的大小及響應(yīng)指標(biāo)的分布規(guī)律作為整體結(jié)構(gòu)的倒塌判定依據(jù);最終，利用極端載荷與設(shè)計(jì)載荷的比值作為安全儲(chǔ)備指標(biāo)，對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備進(jìn)行研究。

4.2 平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體倒塌的判定

在現(xiàn)有的安全儲(chǔ)備研究方法中，結(jié)構(gòu)極限承載能力的研究是其中重要的組成部分，而結(jié)構(gòu)倒塌模式的判定是結(jié)構(gòu)極限承載力研究的基礎(chǔ)。目前，對(duì)于平臺(tái)結(jié)構(gòu)倒塌的判定方法主要有:結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣奇異，結(jié)構(gòu)總體位移或局部位移超界，以及結(jié)構(gòu)喪失豎向承載能力等?？梢钥闯?，針對(duì)海洋平臺(tái)的倒塌判定存在以下幾個(gè)問題:1)倒塌模式的判定并不統(tǒng)一;2)倒塌的依據(jù)主要借鑒土木結(jié)構(gòu)的倒塌依據(jù);3)僅進(jìn)行了整體結(jié)構(gòu)的倒塌判定，沒有考慮局部倒塌或連續(xù)倒塌等結(jié)構(gòu)失效過程。為了解決上述問題，在接下來對(duì)于安全儲(chǔ)備的研究過程中，結(jié)構(gòu)倒塌的判定應(yīng)該與不同載荷可能會(huì)引起的局部破壞和整體破壞形式聯(lián)系起來，通過得到符合實(shí)際倒塌規(guī)律的倒塌模式才能進(jìn)行較為準(zhǔn)確的極限承載力研究。

4.3 極限海況下的影響因素

在考慮環(huán)境載荷作用下的平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備研究中，通常只是將載荷數(shù)值提高，而當(dāng)極端環(huán)境載荷發(fā)生時(shí)，在常規(guī)安全儲(chǔ)備研究中所忽視的一些因素也會(huì)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體安全儲(chǔ)備造成重要的影響，如甲板上浪、波浪抨擊、風(fēng)浪聯(lián)合作用、流固耦合和樁-土結(jié)構(gòu)相互作用等。因此，在極端環(huán)境條件下，不僅需要考慮常規(guī)環(huán)境載荷作用，同時(shí)還需要考慮非常規(guī)環(huán)境因素的影響，使結(jié)構(gòu)的破壞方式與真實(shí)情況更相符。在目前的研究中，對(duì)于其中甲板上浪和樁-土結(jié)構(gòu)相互作用等已經(jīng)有了一定的考慮，而其它影響因素仍需在進(jìn)一步分析中深入研究。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備的相關(guān)研究進(jìn)行了介紹、對(duì)比和總結(jié)，首先從定義、分類、性能指標(biāo)等方面大體概括了安全儲(chǔ)備體系，并總結(jié)了海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備的研究現(xiàn)狀，得到以下主要結(jié)論:

1)由于海洋環(huán)境惡劣，平臺(tái)破壞甚至倒塌事故頻發(fā)。對(duì)于海洋平臺(tái)安全儲(chǔ)備的研究有助于對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在偶然載荷及極端載荷作用下的結(jié)構(gòu)安全度進(jìn)行合理的預(yù)測(cè)，使設(shè)計(jì)者合理地提高結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)，避免不必要的浪費(fèi)，因此具有重要的工程意義。

2)從概念上看，結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備的定義明確，涵蓋了結(jié)構(gòu)體系的各方面。從分類方法上看，一般將安全儲(chǔ)備從性能、需求、層次及抗倒塌能力等方面進(jìn)行劃分。從性能指標(biāo)上看，現(xiàn)有的承載力、延性、變形性以及綜合性能指標(biāo)可以對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力、變形能力以及綜合安全儲(chǔ)備進(jìn)行定量描述。

3)目前，基于海洋平臺(tái)的安全儲(chǔ)備主要從確定性研究方法與概率性研究方法兩方面進(jìn)行發(fā)展。構(gòu)件層次上，安全儲(chǔ)備研究已較為成熟，基于兩類分析方法均能夠利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)合理地進(jìn)行安全儲(chǔ)備的預(yù)測(cè)。而對(duì)于整體結(jié)構(gòu)，基于確定性的分析方法在模型分析、儲(chǔ)備指標(biāo)和實(shí)際應(yīng)用等方面均較為領(lǐng)先;基于概率性的整體結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備研究目前的方法較多，主要以RSR為安全儲(chǔ)備指標(biāo)進(jìn)行研究，在方法上主要考慮了結(jié)構(gòu)形式、載荷作用以及結(jié)構(gòu)抗力等不確定性因素。

4)針對(duì)海洋平臺(tái)安全儲(chǔ)備研究存在的問題進(jìn)行了討論。在對(duì)于安全儲(chǔ)備的進(jìn)一步研究中，平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備的動(dòng)力分析、平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體倒塌的判定以及極限海況下的影響因素等問題需要進(jìn)一步更深入的研究。

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