王西召，顧學(xué)康，湯明剛，張現(xiàn)峰

(中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214000)

0 引 言

超大型浮體（VLFS）尺度巨大，由多個(gè)結(jié)構(gòu)形式相同的單一模塊構(gòu)成，單一模塊長度可達(dá)300～400 m，可作為海洋開發(fā)研究基地、海上中轉(zhuǎn)基地以及海上機(jī)場等，是我國海洋權(quán)益保障的重要依靠。對超大型浮體研究較早的國家包括日本和美國，日本于20世紀(jì)90年代對超大型浮式機(jī)場進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，研究內(nèi)容包括浮式機(jī)場構(gòu)型、水彈性響應(yīng)基本特征、結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析、功能性要求、綜合安全評估（FSA）以及維護(hù)管理等，并于1999年建立了海上浮式機(jī)場，進(jìn)行飛機(jī)起降試驗(yàn)后拆除。美國90年代也開展了移動(dòng)式離岸基地（MOB）理論和試驗(yàn)研究，并于1991年和1999年在夏威夷召開了超大型浮式結(jié)構(gòu)國際會(huì)議[1]。近年來，我國對超大型浮體開展了大量理論和試驗(yàn)研究，包括浮體流固耦合響應(yīng)研究、極值載荷研究、系泊系統(tǒng)及多模塊連接器研究、風(fēng)險(xiǎn)評估與結(jié)構(gòu)安全可靠性研究等。

超大型浮體風(fēng)險(xiǎn)評估和安全可靠性研究是設(shè)計(jì)建造過程中的關(guān)鍵技術(shù)之一，可靠性研究首要解決的問題是確定可靠度的衡量標(biāo)準(zhǔn)，即確定結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度，其代表了結(jié)構(gòu)的最大可容許失效概率，既可用來校核結(jié)構(gòu)的實(shí)際安全水平是否符合相關(guān)要求，又可作為確定載荷和抗力因數(shù)設(shè)計(jì)（LRFD）方法中分項(xiàng)安全系數(shù)（PSF）的依據(jù)[2]。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)可靠性校核所依據(jù)的目標(biāo)可靠度一般是參考現(xiàn)行規(guī)范或相似結(jié)構(gòu)的相關(guān)要求，例如DNV[3]針對失效類型和后果嚴(yán)重程度的不同建議了不同的失效概率要求；不同規(guī)則通過對失效后果的定性描述來確定目標(biāo)失效概率，缺少針對失效后果嚴(yán)重程度的定量評估。一些學(xué)者考慮結(jié)構(gòu)壽命、結(jié)構(gòu)冗余度、結(jié)構(gòu)失效后果等指標(biāo)建議了計(jì)算目標(biāo)失效概率的經(jīng)驗(yàn)公式[4 - 5]，這些經(jīng)驗(yàn)公式對于確定現(xiàn)存同類結(jié)構(gòu)物的安全裕度具有一定的指導(dǎo)意義，但超大型浮體是一種新穎結(jié)構(gòu)，針對此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)衡準(zhǔn)未有直接經(jīng)驗(yàn)可借鑒，對于容納大量人員的超大型浮體空港或海港應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行目標(biāo)可靠度標(biāo)定的合理性和適用性有待商榷，因此需對浮體失效后果進(jìn)行理性評估后再確定目標(biāo)可靠度。

由于風(fēng)險(xiǎn)分析方法可對結(jié)構(gòu)失效后果進(jìn)行定性或定量分析，國際上一些學(xué)者開始采用風(fēng)險(xiǎn)分析方法確定超大型浮體的目標(biāo)可靠度，Suzuki[6]對超大型浮體致命失效模式進(jìn)行分析，采用日本鐵路致命事故發(fā)生率（FAR）標(biāo)定超大型浮體的目標(biāo)失效概率。Baidurya B.[7]對不同國際組織提出的目標(biāo)可靠度進(jìn)行匯總，探索將風(fēng)險(xiǎn)理論應(yīng)用于超大型浮體目標(biāo)可靠度的選取過程中，提出了應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析方法確定移動(dòng)式離岸基地目標(biāo)可靠度的流程。上述文獻(xiàn)從風(fēng)險(xiǎn)的角度對結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度進(jìn)行分析，但在確定目標(biāo)可靠度取值時(shí)，未考慮結(jié)構(gòu)失效概率占總體事故概率的比例。

本文首先根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析方法確定了適用于超大型浮體的結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度，應(yīng)用簡化逐步破壞分析方法確定了半潛式超大型浮體典型剖面的極限承載能力，基于三維線性勢流理論對處于我國南海海況下的超大型浮體波浪載荷進(jìn)行預(yù)報(bào)，最后根據(jù)選定的目標(biāo)可靠度對超大型浮體極限強(qiáng)度可靠性進(jìn)行分析。

1 浮體目標(biāo)可靠度的選取

1.1 風(fēng)險(xiǎn)理論基礎(chǔ)

風(fēng)險(xiǎn)可表示為危害發(fā)生頻率與后果嚴(yán)重性的組合，用公式表示為：

結(jié)構(gòu)失效概率可作為風(fēng)險(xiǎn)理論中危害的發(fā)生頻率，結(jié)構(gòu)失效概率用可靠度指數(shù)表示為：

致命事故發(fā)生率（FAR）表達(dá)個(gè)體風(fēng)險(xiǎn)。FAR表示1個(gè)群體每1億小時(shí)的死亡數(shù)，其計(jì)算公式如下：

社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)是指能夠引起大于等于N人傷亡的事故累積頻率，也即單位時(shí)間內(nèi)（通常為年）的傷亡人數(shù)。通常用社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)曲線（F-N曲線）表示[8]：

1.2 浮體結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

選取碰撞（CN）、火災(zāi)/爆炸（FX）、擱淺（GR）、惡劣天氣導(dǎo)致的浮體破壞（包括沉沒）（HD）典型事故作為超大型浮體總體事故，分析惡劣天氣導(dǎo)致的浮體結(jié)構(gòu)失效概率占總體事故概率的比例。各事故造成的PLL表示如下：

建立了超大型浮體碰撞（CN）、火災(zāi)/爆炸（FX）、擱淺（GR）、惡劣天氣導(dǎo)致的浮體破壞（包括沉沒）（HD）事件樹模型，使用英國海洋平臺(tái)碰撞事故歷史數(shù)據(jù)[9]和全球客滾船火災(zāi)/爆炸、擱淺和船體破壞事故歷史數(shù)據(jù)[10]作為初始事故頻率，針對不同的事故序列后果進(jìn)行假設(shè)，得到典型事故類型的PLL，如表1所示，可以看出，浮體破壞導(dǎo)致的PLL約占總體PLL的14.5%，由此計(jì)算可接受的浮體破壞事故發(fā)生概率如下：

表1 典型事故的 PLLTab.1 Potential loss of lives for typical accidents

1.3 目標(biāo)可靠度選取

應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析方法確定結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度首先應(yīng)確定風(fēng)險(xiǎn)衡準(zhǔn)，即可接受風(fēng)險(xiǎn)水平。識(shí)別結(jié)構(gòu)失效模式，分析結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)占總體風(fēng)險(xiǎn)的比例，評估事故后果（人員傷亡、財(cái)產(chǎn)），根據(jù)事故后果嚴(yán)重程度選擇結(jié)構(gòu)的目標(biāo)可靠度。根據(jù)我國民用航空局的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2016年我國民用機(jī)場平均吞吐量約為1.3萬人次，因此本文設(shè)定超大型浮體空港平均吞吐量為1.3萬人次，機(jī)場服務(wù)人員1 000人，出發(fā)乘客和到達(dá)乘客各占一半，每個(gè)旅客離港時(shí)間為3 h，到港時(shí)間為2 h，則每年乘客暴露于風(fēng)險(xiǎn)的總小時(shí)數(shù)為1.19百萬小時(shí)，相當(dāng)于1 354乘客年（passenger-year）。同時(shí)，作為空港職員 1 000 人計(jì)，將 24 h 常留，為 1 000 職員年。

分別基于FAR和F-N曲線2種方法確定目標(biāo)可靠度，考慮船體破壞PLL占總體PLL的比例。選取Suzuki（2001）推薦的超大型浮體致命事故發(fā)生率FAR=2作為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算所得的失效概率為7.48E-06（= 4.33）：

選用世界航空運(yùn)輸業(yè)傷亡標(biāo)準(zhǔn)作為F-N曲線衡準(zhǔn)，2012年世界航空運(yùn)輸業(yè)傷亡人數(shù)414人，航空業(yè)總回報(bào)為5 610億美元，則r為0.73人/10億美元。根據(jù)2016年某航空公司年報(bào)統(tǒng)計(jì)，可計(jì)算得到每乘客年的收入為0.23百萬美元。傷亡1人及以上的頻率上邊界和下邊界為5.99E-02和5.99E-04，則可得到F-N曲線衡準(zhǔn)，如圖1所示。按照惡劣天氣條件下船體破壞導(dǎo)致66%的傷亡假設(shè)，選擇傷亡人數(shù)5 280對應(yīng)的上邊界作為允許的結(jié)構(gòu)失效概率，即為1.13E-05，目標(biāo)可靠度為4.24。此外，還可劃分出目標(biāo)失效概率的合理可行（ALARP）區(qū)域，為1.13E-05～1.13E-07。

超大型浮體的目標(biāo)可靠度隨不同的使用年限的變化而變化，對于不同使用年限的目標(biāo)可靠度可應(yīng)用下式進(jìn)行計(jì)算[11]：

對吞吐量13 000人的超大型浮式機(jī)場計(jì)算不同服役年限的總縱極限強(qiáng)度目標(biāo)可靠度，百年服役期內(nèi)目標(biāo)可靠度的變化情況如圖2所示，可以看出隨著服役期的不斷增加，目標(biāo)可靠度逐漸減小。

由于隨著傷亡人數(shù)的減少目標(biāo)可靠度也會(huì)變小，但結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度不能無限制變小，結(jié)構(gòu)仍需具有一定的可靠性要求，因此本文對導(dǎo)致不同傷亡后果的結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度可設(shè)置最低目標(biāo)可靠度要求，以DNV Note 30.6[3]建議的的目標(biāo)可靠度3.09（1E-03）作為可接受區(qū)域的邊界，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析中對ALARP區(qū)域的設(shè)定方法，則超大型浮體目標(biāo)可靠度ALARP區(qū)域的下邊界為1.28（1E-01），此種設(shè)定符合可接受風(fēng)險(xiǎn)水平的要求，避免了由于事故后果較小而導(dǎo)致目標(biāo)可靠度過低的情況。百年服役期內(nèi)不同傷亡后果下的目標(biāo)可靠度如圖3所示，整個(gè)區(qū)域分為可接受區(qū)域、ALARP區(qū)域和不可接受區(qū)域，當(dāng)結(jié)構(gòu)可靠度處于ALARP區(qū)域時(shí)，代表結(jié)構(gòu)可靠度合理可行，應(yīng)采取符合費(fèi)效比的措施盡可能提高目標(biāo)可靠度（盡可能降低失效概率）。

圖2 百年服役期內(nèi)目標(biāo)可靠度的變化情況Fig.2 Target reliability variance in 100 service year

圖3 百年服役期內(nèi)目標(biāo)可靠度選取建議Fig.3 Suggestion on target reliability selected for 100 service year

2 浮體極限強(qiáng)度的計(jì)算

2.1 浮體單一模塊主要參數(shù)

超大型浮體單個(gè)模塊總長300 m，總寬100 m，由上箱體、立柱、下箱體和撐桿組成，采用橫向浮箱結(jié)構(gòu)，各部位的設(shè)計(jì)參數(shù)見表2，超大型浮體各站面分布情況如圖4所示，站距為30 m。

表2 浮體單模塊主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Main design parameters of VLFS single module

圖4 浮體分段情況Fig.4 Segments of VLFS

2.2 浮體極限強(qiáng)度

簡化逐步破壞分析方法將浮體橫剖面離散成為加筋板單元和硬角單元，確定各單元的平均應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，利用平斷面假設(shè)，逐步增加曲率，得到結(jié)構(gòu)單元破壞過程中的彎矩極值作為結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度。由于超大型浮體各站面橫截面的形式不同，因此本文應(yīng)用簡化逐步破壞分析方法計(jì)算了中剖面和第六站面的極限強(qiáng)度。橫截面形式如圖5和圖6所示。

圖5 浮體中剖面示意圖Fig.5 Midship section draft of VLFS

圖6 浮體第六剖面示意圖Fig.6 No.6 Cross section draft of VLFS

中剖面共劃分了458個(gè)單元，計(jì)算得到中拱狀態(tài)下的極限強(qiáng)度值為2.06E+10 Nm，中垂?fàn)顟B(tài)下的極限強(qiáng)度值為-2.67E+10 Nm（見圖7）。第6剖面共劃分了381個(gè)單元，計(jì)算得到中拱狀態(tài)下的極限強(qiáng)度值為6.97E+09 Nm，中垂?fàn)顟B(tài)下的極限強(qiáng)度值為-8.37E+09 Nm（見圖8）。中剖面中拱彎矩約為第6剖面的2.96倍，中垂彎矩約為第6剖面的3.19倍，第6剖面強(qiáng)度較弱。

圖7 超大型浮體中剖面彎矩-曲率關(guān)系Fig.7 Moment to curvature relationship of VLFS midship section

圖8 超大型浮體第 6 剖面彎矩-曲率關(guān)系Fig.8 Moment to curvature relationship of VLFS NO.6 cross section

3 浮體波浪載荷預(yù)報(bào)

基于三維線性勢流理論，利用水動(dòng)力軟件Ansys/AQWA在頻域中計(jì)算了中剖面和第6剖面在0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°浪向下的縱向彎矩傳遞函數(shù)。短期海浪譜選用Jonswap譜（見圖9），譜峰提升因子取為2。采用我國南海波浪散布圖作為確定波浪長期預(yù)報(bào)的海況資料，計(jì)算波高和跨零周期對應(yīng)的波浪彎矩短期預(yù)報(bào)值，波浪載荷長期預(yù)報(bào)服從Weibull分布，不同超越概率下的波浪載荷長期預(yù)報(bào)值如圖10所示，隨著超越頻率從變化，長期波浪彎矩預(yù)報(bào)值不斷增大。百年一遇的極值大約對應(yīng)的超越頻率[12]。

圖9 JONSWAP 波浪譜（Hs=8.5，Tz=8.5）Fig.9 JONSWAP wave spectrum (Hs=8.5，Tz=8.5)

圖10 長期波浪彎矩預(yù)報(bào)結(jié)果Fig.10 Long-term predicted value of vertical wave moment

4 浮體結(jié)構(gòu)可靠性分析

4.1 強(qiáng)度及載荷概率模型

由于存在材料屈服強(qiáng)度、板厚和彈性模量的不確定性，因此浮體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的實(shí)際值與名義值不同，本文選取材料屈服應(yīng)力COV=0.06，服從對數(shù)正態(tài)分布；板厚COV=0.01，服從正態(tài)分布。應(yīng)用改進(jìn)的Rosenbluthe方法[13]計(jì)算超大型浮體極限強(qiáng)度均值和變異系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。超大型浮體極限強(qiáng)度服從對數(shù)正態(tài)分布，變異系數(shù)約在0.05～0.06之間。

表3 浮體極限強(qiáng)度均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)Tab.3 Mean value, standard deviation and COV of ultimate strength

波浪載荷極值服從Gumbel（極值I型）分布，計(jì)算得到中剖面百年一遇Gumbel分布的均值為8.18E+09 Nm，第6剖面均值為7.12E+09 Nm，變異系數(shù)取為0.08。Weibull分布和Gumbel分布概率密度函數(shù)如圖11所示。

圖11 Weibull分布和 Gumbel分布概率密度函數(shù)Fig.11 Weibull and Gumbel distribution probability density function

對于靜水載荷，根據(jù)裝載工況計(jì)算書，超大型浮體舯剖面靜水彎矩取為2.55E+07 Nm，第六剖面產(chǎn)生的靜水彎矩為1.95E+07 Nm，服從正態(tài)分布，變異系數(shù)為0.1。

4.2 極限強(qiáng)度校核

采用本文設(shè)定的目標(biāo)可靠度合理可行范圍對超大型浮體中剖面和第六剖面的極限強(qiáng)度進(jìn)行校核，令極限強(qiáng)度安全裕度方程為：

應(yīng)用驗(yàn)算點(diǎn)法計(jì)算百年一遇波浪彎矩極值作用下浮體強(qiáng)度可靠性結(jié)果，如表4所示，與本文設(shè)定的目標(biāo)可靠度合理可行范圍相比較，如圖12所示，可以看出，中剖面的極限強(qiáng)度可靠度處于可接受區(qū)域，第6剖面極限強(qiáng)度可靠度處于不可接受區(qū)域?？苫诒疚脑O(shè)定的目標(biāo)可靠度合理可行區(qū)域進(jìn)行超大型浮體第六剖面極限強(qiáng)度可靠性設(shè)計(jì)，進(jìn)而使第六剖面極限強(qiáng)度可靠性滿足要求。

表4 極限強(qiáng)度可靠性計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of ultimate strength reliability

圖12 百年一遇波浪載荷下浮體可靠性Fig.12 Reliability of VLFS under a-hundred-year return period wave load

5 結(jié) 語

本文探索性地利用風(fēng)險(xiǎn)分析方法對超大型浮體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了安全可靠性分析，借用其他行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)衡準(zhǔn)和設(shè)計(jì)原則，確定了超大型浮體的目標(biāo)可靠度合理可行范圍，通過對浮體總縱強(qiáng)度安全可靠性實(shí)例分析，得到以下結(jié)論：

1）基于風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可合理確定超大型浮體結(jié)構(gòu)安全可靠性水平，并能與其他行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)水平相類比，可供未有直接經(jīng)驗(yàn)借鑒的新穎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參考使用。

2）在建立超大型浮體安全可靠性衡準(zhǔn)的過程中，考慮結(jié)構(gòu)失效概率并計(jì)及結(jié)構(gòu)失效后果，可以給出浮體結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠度合理可行區(qū)域（ALARP），作為結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度可靠性分析的判據(jù)，用于指導(dǎo)相關(guān)準(zhǔn)則的編制。

3）通過對浮體典型剖面總縱強(qiáng)度結(jié)構(gòu)可靠性分析，指出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，對指導(dǎo)未來工程設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)用意義。