馬東

摘 要：本文介紹了海上導管架平臺結構的倒塌原理，闡述了Pushover分析方法。利用海工建模軟件建立海上導管架結構并施加基本載荷和環(huán)境載荷，計算出結構構件所受波浪力，在非線性分析軟件中，逐級增加該波浪力，直至結構發(fā)生倒塌破壞，得到其極限承載力，并得出了結構的安全儲備系數(shù)及薄弱位置，為將來固定式海工結構物及海上風電基礎的安全性計算和延壽分析提供了參考。

關鍵詞：導管架；Pushover；波浪載荷；儲備系數(shù)

引言

導管架平臺結構整體性好，承載能力較高，對打樁設備要求較低，且其整體結構是在陸上預制而成，施工相對方便，在海上采油平臺及風電基礎中得到了廣泛的應用。

當結構超過其設計使用壽命時，可以做報廢處理，也可通過不斷升級改造和加固，延長其使用壽命。由于海洋環(huán)境的影響和意外情況的發(fā)生，結構在長期使用中勢必會受到一些損傷破壞，從而導致結構結構強度下降，影響平臺的安全性能。因此，對該類結構尤其是老齡結構進行極限承載力研究則十分重要。極限承載力研究平臺結構安全風險評估的最重要的手段和方法。

1 基本理論

海上平臺結構或風電基礎結構較復雜，冗余度較高，屬于高次超靜定結構，冗余桿件的存在為整體結構提供了較大的強度保障，但結構構件在制作、安裝及服役期間都有可能受到碰撞損傷、腐蝕、變形和疲勞破壞等，部分桿件的失效會引起整個結構的應力重新分布，從而使結構的非線性表現(xiàn)突出直至結構達到極限受損失效，極限承載力下降。因此該類結構物的安全風險評估必須研究結構體系的極限承載力。

基于非線性結構分析軟件對導管架平臺結構進行極限承載能力分析，對結構施加環(huán)境載荷，采用增量方式對環(huán)境載荷進行逐級放大，直至其發(fā)生倒塌其間主要經(jīng)歷屈服、塑性鉸、桿件失穩(wěn)、應力重分布、承載極限、結構倒塌等過程。

首先利用建模軟件建立有限元結構模型，并利用水動力分析模塊進行波浪載荷的計算，得到結構T.FEM文件及載荷L.FEM文件，將T文件及L文件合并為新的FEM文件。將該新文件導入非線性分析軟件中，定義合理的工況組合及載荷步控制參數(shù)并進行計算，通過逐步加載的方式得到計算結果。

2 Pushover分析計算

2.1 結構模型

結構坐標系：采用笛卡爾坐標系，北向為X軸正向，西向為Y軸正向，垂直水面向上為Z軸正向，并取泥面處為Z=0，力和長度單位分別采用kN和m。

選取的導管架結構共有5個水平層，外部4根弦桿均為雙傾設計，其中75m高度以上部分直徑為2.2m，75m高度以下部分直徑為3.2m。分別在高度為5m、40m、75m、105m及135m處設置水平X型支撐，并在各高度之間設置垂向X型支撐。另外，在高度為5m、105m、135處設置水平橫向支撐，4個弦桿頂部分別設置4個NODEMASS，模擬甲板載荷，每個NODEMASS的值為5000t，結構總質(zhì)量為25491.5t。整個結構包含53個節(jié)點，共劃分128個單元。計算中每個桿件作為一個單元，因此模型所劃分的單元數(shù)比其他軟件大大減少，縮短了計算時間。本次分析暫不考慮樁土作用，因此可在每個導管腿底部設置6個自由度的彈簧約束模擬土壤對結構的作用，圖1即為結構的有限元模型.

2.2 載荷

（1）基本載荷：

作用在導管架結構上的基本載荷包括結構的自重、甲板上的設備重力（已用NODEMASS模擬）及其所受到的浮力。

（2）環(huán)境載荷

本次模擬僅考慮Y方向正向的波浪載荷及流載荷。波浪周期為T=15s，波高H=28m，方向為Head=90°。波浪載荷的計算采用Stokes五階波理論，由于導管架結構的構件均為細長結構，因此采用Morison公式計算載荷。

2.3 計算結果

本報告中，首先在結構上陸續(xù)加載結構自重、設備載荷和浮力作用，在這三個載荷作用之后，再繼續(xù)加載波浪載荷及流載荷，對于波浪載荷程序可以自動搜索得出所有相位角對應的作用力最大的波浪載荷，并以此確定環(huán)境載荷作用下導管架結構所受的最大基礎剪力，即參考載荷，此后，逐漸加載參考載荷直至結構倒塌，結構倒塌的標志是其所受的基地剪力趨于平緩或開始下降，倒塌時的基底剪力決定了結構的強度儲備系數(shù)。

分析過程中，當結構加載至參考載荷的5.74倍時，結構開始出現(xiàn)倒塌，此后控制點的位移在增大，結構的基地剪力卻在逐漸減小，即該結構的強度儲備系數(shù)為5.74。

圖2所示為結構Pushover分析結束時的變形圖，由圖中可以看出，結構破壞的位置是75m高度處至105m高度處的X型支撐，最后發(fā)生斷裂，即該處的桿件強度較為薄弱。

結論

（1）本文所分析導管架結構的安全儲備系數(shù)為5.74；

（2）該結構的薄弱位置為75-105m高度處的垂向X支撐，在類似結構的實際設計中可以作為參考；

（3）本文的研究方法可以推廣到其他固定式海洋結構物的安全和風險分析中，對導管架平臺類結構物在服役期間的安全評估及維修加固具有一定的指導意義。

參考文獻

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[2]孫斌，王晉等.深水導管架平臺極限承載能力分析 [J].石油機械，2014，42，（11）：142-146.

[3]張兆德，韓曉風等.后服役期導管架式海洋平臺的極限承載力分析 [J].石油機械，2007，35（10）：1-4，32

（作者單位：明陽智慧能源集團股份公司）