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(中海石油(中國(guó))有限公司 惠州作業(yè)公司,深圳 518000)

0 引 言

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，我國(guó)海上石油工業(yè)飛速發(fā)展，在渤海、東海和南海海域約有近200座固定式導(dǎo)管架平臺(tái)。在平臺(tái)的設(shè)計(jì)階段，通?？紤]100年一遇(對(duì)于渤海海域也可采用50年一遇)的環(huán)境載荷與相應(yīng)的功能載荷疊加，校核結(jié)構(gòu)的完整性。該設(shè)計(jì)方法屬于線形響應(yīng)分析方法。但是，隨著近年來(lái)異常環(huán)境事件的頻繁出現(xiàn)和服役年限的增加、平臺(tái)水下構(gòu)件的腐蝕、地基總體或局部的沖刷、平臺(tái)構(gòu)件的機(jī)械損傷、節(jié)點(diǎn)疲勞損傷等結(jié)構(gòu)退化帶來(lái)的不利影響使平臺(tái)結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)大大增加。因此，需要對(duì)老舊平臺(tái)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限強(qiáng)度評(píng)估，極限強(qiáng)度評(píng)估的主要目的在于確認(rèn)平臺(tái)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度，這與結(jié)構(gòu)固有的魯棒特性密切相關(guān)。通常，這種極限強(qiáng)度分析稱為非線性倒塌分析。基于研究成果，工業(yè)界結(jié)合長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)編制了非線性倒塌分析的設(shè)計(jì)規(guī)范/指南，例如：ISO 19902，API 2A WSD，NORSOK N-006等。目前，國(guó)內(nèi)的固定式導(dǎo)管架設(shè)計(jì)主要采用API 2A WSD作為主要設(shè)計(jì)規(guī)范，該規(guī)范中提出強(qiáng)度儲(chǔ)備系數(shù)(Ration of Reserve Strength,RSR)的概念。RSR的基本定義是平臺(tái)極限側(cè)向載荷能力與100年環(huán)境載荷的比值。根據(jù)API RP 2A規(guī)范，如果結(jié)構(gòu)不能通過(guò)設(shè)計(jì)水平結(jié)構(gòu)分析(即線性分析)，則可采用非線性倒塌分析評(píng)估結(jié)構(gòu)的承載能力和安全裕度。 相比線性分析，非線性分析更復(fù)雜，這對(duì)分析工程師和采用分析結(jié)論作工程判斷的關(guān)鍵技術(shù)人員提出了更高的技術(shù)要求。

本文基于非線性倒塌分析的要點(diǎn)和注意事項(xiàng)進(jìn)行定性討論，為采用非線性分析評(píng)估老舊平臺(tái)提供參考，并以中國(guó)南海的某典型的導(dǎo)管架平臺(tái)為例，研究采用SACS軟件進(jìn)行非線性倒塌分析的基本流程和注意事項(xiàng)。

1 非線性倒塌分析中考慮的非線性

非線性倒塌分析中的非線性一般指結(jié)構(gòu)材料非線性和大變形致結(jié)構(gòu)響應(yīng)非線性。

圖1 材料非線性

1.1 結(jié)構(gòu)材料非線性

非線性結(jié)構(gòu)分析需要根據(jù)結(jié)構(gòu)最終失效的情況評(píng)價(jià)當(dāng)前結(jié)構(gòu)的完整性狀態(tài)，故其分析中主要結(jié)構(gòu)的應(yīng)力一般會(huì)超過(guò)材料屈服限而進(jìn)入塑性應(yīng)變區(qū)間。在這種情況下，需要在分析中保守且合理地設(shè)置材料的彈塑性屬性。復(fù)雜的非線性分析須相對(duì)準(zhǔn)確地模擬材料屬性，定義如圖1實(shí)線所示的材料模型。在一般的靜態(tài)結(jié)構(gòu)非線性分析中，基于算法簡(jiǎn)化和保守起見(jiàn)，忽略材料硬化過(guò)程而直接采用如圖1中虛線所示的簡(jiǎn)化模型。

1.2 大變形非線性

在平臺(tái)結(jié)構(gòu)的極限能力分析中，由于平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體側(cè)向變形而引起的二次載荷非常明顯，由于平臺(tái)重力的影響，表現(xiàn)為基底傾覆彎矩隨變形顯著增加；而這種結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致的附加載荷在線性分析中可忽略。另外在計(jì)算結(jié)構(gòu)桿件抗屈曲能力時(shí)，其計(jì)算一般不是根據(jù)經(jīng)典的歐拉臨界原理，而是直接模擬結(jié)構(gòu)可能的初始缺陷，這也為結(jié)構(gòu)分析帶來(lái)挑戰(zhàn)，需要在分析中予以正確地模擬和處理。

2 非線性倒塌分析的結(jié)構(gòu)模擬

非線性倒塌分析的模型一般可以由在位分析模型轉(zhuǎn)化得到，但是由于結(jié)構(gòu)非線性分析的特殊要求，須對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)簡(jiǎn)化和特殊處理。

首先，為減少非線性分析的復(fù)雜性，提高分析效率，減少二級(jí)構(gòu)件對(duì)非線性迭代計(jì)算的影響，一般不把整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)作為非線性結(jié)構(gòu)的分析對(duì)象。根據(jù)分析的主要目的，整體倒塌分析主要關(guān)注導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的能力，而是將上部相關(guān)結(jié)構(gòu)直接模擬為線性結(jié)構(gòu)，同理導(dǎo)管架附件以及次要結(jié)構(gòu)也須模擬為線性結(jié)構(gòu)。綜合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，建議結(jié)構(gòu)材料非線性模擬的要求為：上部組塊結(jié)構(gòu)為線性材料；導(dǎo)管架附件為線性材料或從模型中剔除；導(dǎo)管架樁腿為非線性材料；導(dǎo)管架水平撐和斜撐為非線性+屈曲初始缺陷；樁土作用為非線性彈簧；鋼樁為非線性材料。

模型簡(jiǎn)化的另一個(gè)基本原則是不影響結(jié)構(gòu)總體剛度、載荷和傳遞路徑。簡(jiǎn)化后需要重新確認(rèn)載荷，與線性分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并作相應(yīng)調(diào)整。此外，非線性分析的結(jié)果與結(jié)構(gòu)的模擬有直接關(guān)系，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬的同時(shí)，必須對(duì)可能的失效模式有清晰的認(rèn)識(shí)并根據(jù)其失效模式特點(diǎn)調(diào)整結(jié)構(gòu)模擬。

3 非線性結(jié)構(gòu)分析要點(diǎn)

3.1 圓管截面承載能力

考慮到導(dǎo)管架主要結(jié)構(gòu)均為圓管結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)分析時(shí)必須對(duì)圓管結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和失效模式進(jìn)行分析，不僅需要考慮其最大承載能力，還要注意其不同失效模式之間的相互影響，如結(jié)構(gòu)屈服后的截面穩(wěn)定性、薄壁管截面局部屈曲、非充水桿件的靜水壓力。

3.2 結(jié)構(gòu)屈曲能力

導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)體系的水平撐和斜撐結(jié)構(gòu)一般應(yīng)用其截面拉壓能力，故其截面屈曲一般在非線性倒塌分析中是最典型的失效模式。為準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)的屈曲，需要對(duì)結(jié)構(gòu)件的屈曲計(jì)算長(zhǎng)度和在最不利受力平面內(nèi)的初始缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確的分析。

3.3 管節(jié)點(diǎn)能力

在非線性倒塌分析中，必須分析管節(jié)點(diǎn)的能力，由于API規(guī)范設(shè)計(jì)的鋼結(jié)構(gòu)沒(méi)有強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要求，故有可能節(jié)點(diǎn)先于結(jié)構(gòu)失效進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

3.4 載荷步設(shè)置

載荷步的設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)有較大影響，過(guò)小的載荷步會(huì)影響分析效率，而過(guò)大的載荷步會(huì)跳過(guò)個(gè)別失效模式，過(guò)高地估計(jì)結(jié)構(gòu)的能力。應(yīng)該依據(jù)結(jié)構(gòu)可能的失效模式進(jìn)行敏感性分析，確定合理的載荷步設(shè)置。

3.5 可能的甲板上浪

在設(shè)計(jì)時(shí)，如果下甲板高度過(guò)低或者平臺(tái)運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，平臺(tái)可能產(chǎn)生下沉。在風(fēng)暴工況時(shí)，波浪波峰會(huì)高于下甲板標(biāo)高，產(chǎn)生波浪拍擊甲板荷載，API RP 2A和API RP 2SIM規(guī)范中都給出了簡(jiǎn)單預(yù)測(cè)作用在平臺(tái)甲板上的整體波浪力的方法[1]。如果可能出現(xiàn)甲板上浪，波浪載荷增加非常大，直接影響導(dǎo)管架的整體能力。

4 計(jì)算實(shí)例

4.1 接受標(biāo)準(zhǔn)

由于所分析平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要依據(jù)的是API RP 2A WSD規(guī)范，本文算例得到的RSR必須滿足該規(guī)范的要求。

4.2 極限強(qiáng)度分析的載荷

極限強(qiáng)度分析有：

圖2 P-Delta效應(yīng)示意圖

(1) 自重荷載。自重荷載包括導(dǎo)管架和組塊結(jié)構(gòu)重量荷載、 導(dǎo)管架附屬構(gòu)件荷載、組塊設(shè)備荷載和導(dǎo)管架所受浮力。

(2) 風(fēng)、波、流荷載。風(fēng)、波、流荷載在極限強(qiáng)度分析中為控制荷載，波浪又為三者中的主導(dǎo)荷載。在一般情況下，應(yīng)選擇風(fēng)暴條件中的特定波高以及相應(yīng)的流、風(fēng)荷載。在分析中的波浪運(yùn)動(dòng)系數(shù)、波流阻擋系數(shù)、拖曳力系數(shù)及慣性力系數(shù)選擇與API RP 2A中相同[1]。但是，波浪參數(shù)在各個(gè)方向可能不同，在極限強(qiáng)度分析中也應(yīng)考慮，這樣可以更加精確地計(jì)算平臺(tái)的承載能力。

(3) P-Delta效應(yīng)荷載。P-Delta(P指豎向荷載；Delta為水平位移)效果是指平臺(tái)在同時(shí)受到水平力和軸力作用時(shí)，在水平力作用下產(chǎn)生的位移和軸力組合產(chǎn)生附加彎矩的效果[2-3]。固定平臺(tái)在達(dá)到極限狀態(tài)下的水平位移較大，產(chǎn)生的附加彎矩也較大、P-Delta效應(yīng)對(duì)平臺(tái)的極限承載能力也會(huì)產(chǎn)生影響，在極限強(qiáng)度分析中應(yīng)重點(diǎn)考慮[4]。圖2為P-Delta效應(yīng)示意圖。

4.3 主要的分析過(guò)程

非線性分析的主要步驟為：(1)建立導(dǎo)管架模型和組塊模型，組塊上施加設(shè)備荷載；(2)施加重力荷載、活荷載、浮力荷載，這些與重力相關(guān)的荷載在極限強(qiáng)度分析時(shí)是恒定的；(3)為極限強(qiáng)度分析選擇海洋環(huán)境條件，一般波浪條件為控制工況，風(fēng)、流與其統(tǒng)一(風(fēng)一般在小于15 m水深時(shí)作為控制工況)，通常在極限強(qiáng)度分析中選擇100年一遇環(huán)境條件；(4)確定是否有甲板上浪問(wèn)題，如存在，則按照API 2A WSD規(guī)范的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算；(5)在程序中設(shè)定P-Delta效應(yīng)荷載，隨著結(jié)構(gòu)位移的增大，荷載效應(yīng)逐步增大；(6)施加最初荷載，即將前4步的荷載施加到模型上，以上所提到的載荷都施加1倍力，作為極限強(qiáng)度分析的最初荷載；(7)垂向荷載保持恒定，水平荷載以逐漸遞增的方式施加至結(jié)構(gòu)上，直至結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌。

圖3 結(jié)構(gòu)模型

結(jié)構(gòu)進(jìn)入倒塌狀態(tài)的判斷準(zhǔn)則為：導(dǎo)管架樁腿和樁進(jìn)入塑性狀態(tài)，基礎(chǔ)土壤發(fā)生破壞，結(jié)構(gòu)桿件發(fā)生大變形。分別對(duì)不同方向進(jìn)行分析，分析完成后統(tǒng)計(jì)各個(gè)方向的RSR是否滿足規(guī)范要求，一般須大于1.6。

4.4 平臺(tái)概述

HZ26-1導(dǎo)管架平臺(tái)主要由組塊、導(dǎo)管架和樁3部分組成，平臺(tái)作業(yè)水深為112 m。平臺(tái)導(dǎo)管架為8腿12裙樁結(jié)構(gòu)型式，樁通過(guò)導(dǎo)管架打入海底土壤中。導(dǎo)管架頂部標(biāo)高為EL+6.5 m，在此標(biāo)高處通過(guò)8個(gè)工作點(diǎn)支撐平臺(tái)甲板結(jié)構(gòu)。平臺(tái)組塊包括2層甲板式結(jié)構(gòu)，即上甲板和下甲板，各層甲板標(biāo)高分別為EL+27.09 m和EL+19.47 m。甲板上有吊機(jī)結(jié)構(gòu)、火炬臂結(jié)構(gòu)等。整體結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。

4.5 環(huán)境參數(shù)

HZ26-1平臺(tái)選用環(huán)境條件為百年一遇條件，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 不同材質(zhì)管線沖洗和試壓過(guò)程中的水質(zhì)情況

4.6 荷載描述

在HZ26-1導(dǎo)管架平臺(tái)極限強(qiáng)度分析中，荷載可分為2部分，即固定荷載和可變荷載。固定荷載包括：導(dǎo)管架自重、導(dǎo)管架附屬結(jié)構(gòu)重量、組塊重量、組塊設(shè)備荷載、活荷載。可變荷載包括：風(fēng)、波、流環(huán)境荷載。固定荷載在計(jì)算中是恒定不變的，可變荷載以逐漸遞增的方式施加到結(jié)構(gòu)上。

倒塌分析采用的環(huán)境條件為百年一遇最大波浪+對(duì)應(yīng)流和風(fēng)，共考慮8個(gè)方向：0°，63°，90°，135°，180°，225°，270°，315°。在倒塌分析過(guò)程中，對(duì)結(jié)構(gòu)作如下假定：組塊次梁、火炬臂、隔水套管、立管靠船件為彈性構(gòu)件，即在整個(gè)分析過(guò)程中都在彈性范圍內(nèi)；應(yīng)變率為0.5%。

4.7 分析結(jié)果

當(dāng)環(huán)境荷載加載到一定程度時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)達(dá)到倒塌原則，以90°方向?yàn)槔?dāng)環(huán)境荷載加載至2.17倍時(shí)，x向位移驟然增大，樁基發(fā)生塑性破壞，發(fā)生倒塌。倒塌數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 倒塌數(shù)據(jù)

續(xù)表2 倒塌數(shù)據(jù)

圖5 載荷系數(shù)與整體位移的關(guān)系曲線

極限強(qiáng)度分析RSR與位移關(guān)系如圖5所示，可以看出：當(dāng)RSR達(dá)到2.17后，位移持續(xù)變大，說(shuō)明平臺(tái)已經(jīng)倒塌。

由結(jié)構(gòu)變形失效結(jié)果可知：平臺(tái)樁腿與斜撐桿件逐漸達(dá)到塑性破壞，在RSR達(dá)到2.14時(shí)，平臺(tái)已經(jīng)達(dá)到極限強(qiáng)度，如果RSR再次增大，平臺(tái)倒塌。

5 結(jié) 語(yǔ)

非線性倒塌分析是評(píng)估固定式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性的有效工具，通過(guò)該分析可以得到所分析平臺(tái)導(dǎo)管架的RSR，可以定量地確認(rèn)平臺(tái)的安全余量，為結(jié)構(gòu)完整性的維護(hù)做理論支持。

非線性分析不同于線性分析，其分析結(jié)果在很大程度上取決于對(duì)材料和結(jié)構(gòu)失效模式特點(diǎn)的把握?？煽康姆蔷€性分析需要通過(guò)多次的分析計(jì)算并根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整分析輸入。采用SACS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，針對(duì)細(xì)長(zhǎng)桿件的屈曲能力的分析必須非常注意，如果結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置不合理，可能導(dǎo)致高估結(jié)構(gòu)的能力。

[1] Recommended Practice for Planning,Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms-Working Stress Design[M].2007.

[2] Ultimate Limit Strength (ULS) of Fixed Offshore Platforms[M].Chevron,2007.

[3] 李潤(rùn)培,王志農(nóng).海洋平臺(tái)強(qiáng)度分析[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1992.

[4] 陳新權(quán).導(dǎo)管架平臺(tái)環(huán)境荷載計(jì)算及強(qiáng)度分析[D].上海:上海交通大學(xué),2004.