导管架平台动力性能及安全性分析

摘要

作为常见的海上结构，导管架平台在完成钻井、采油、储油等作业的同时，由于长期暴露在海洋环境当中，会受到恶劣的天气环境以及其他诸多复杂因素的影响，有时还会受到爆炸、撞击等偶然载荷的作用，因此平台倒塌事故时有发生，这不仅造成了严重的环境污染，同时也带来了巨大的经济损失。为保证结构在恶劣环境下的抗倒塌能力，延长结构的服役期，有必要从整体结构层面出发，研究平台结构的整体安全性能。目前导管架平台的整体安全水平研究主要围绕在静力载荷作用分析的阶段，由动力载荷造成的整体倒塌以及所体现的安全储备方面研究较少。同时，对于导管架的倒塌过程，很少进行结构内部杆件的屈服过程与塑性发展特性相关探讨。本文针对以上几个问题展开了相关研究:
　　探究了非线性方法在有限元分析中的实施手段。对于常见的倒塌分析，一般要求考虑材料、几何非线性，从而能够模拟更为反映实际情况的倒塌过程，因此有必要深入了解非线性在结构分析中的实施过程与分析手段。将推导二维梁单元的几何、材料非线性有限元模型，结合Newton-Raphson方法编制程序，研究非线性在结构分析中对计算结果产生的影响。
　　研究了导管架平台的静力倒塌安全性。采用某冰工况下的环境要素，以及基于提高重现期的载荷增量方法，对平台进行了Pushover分析，得到了不同方向的结构承载力与杆件塑性发展过程，进而根据其储备强度(RSR)探讨了结构整体安全性能;编制了逐步回归响应面程序，该方法不需提前给出功能函数，且计算效率较高。然后，计算了结构的整体可靠度，并通过给定拟合方程的JC法验证了程序的可靠性。研究表明，尽管两类指标的研究侧重点不同，但两类指标均能很好地对结构的安全性进行描述。
　　在地震作用下，对导管架平台进行了动力性能研究。选择了26条具备不同频谱特性的三向地震记录，采用IDA方法对结构进行了动力增量分析，在分析中记录不同地震波作用下结构全过程响应信息与杆件状态信息，以及塑性点、倒塌点对应的载荷水平。探讨了结构的位移、层间角等动力参数的发展规律，发现结构在不同地震波下的动力参数发展特性并不一致且差别较大。然后对结构的塑性发展过程进行了研究，提出了基于塑性发展影响系数的最易出现失效模式。该方法获取的失效模式与所有真实倒塌失效模式均较为接近且相似度离散性较小，具有统计意义。
　　对平台结构的动力倒塌失效特性进行了研究。首先，对相关倒塌参数进行总结，通过变形能、位移响应、基底剪力等特征参数对海洋平台结构的抗倒塌能力与安全储备进行分析，进而，从频谱特性的角度探讨了结构的倒塌极限状态动力特性，以及不同频谱特性与倒塌相关参数之间的联系。研究发现:针对地震这类动力特性较为强烈的载荷形式，平台结构的承载能力与变形能力同时保证了结构的整体安全储备，不同地震作用下的结构倒塌承载力相近，结构的失效模式为动力强度破坏。从频谱特性的角度来看，当载荷水平较低时，结构响应频率在主振动区成分最高。随着载荷水平的提高，结构受迫振动增强，共振效应比重降低。地震频谱特性中共振频率附近一定范围内频谱成分较大时，会对结构产生不利的影响。