浅海重力式平台结构静动力分析

摘要

重力式平台是一种靠自重来保持平台稳定的钢筋混凝土结构,一般适用于比较浅的海域。浅海重力式平台的整个结构大致由三部分组成:底部沉箱、支撑立柱和平台甲板。底部的沉箱部分一般直接和海底接触,可用于储存石油;沉箱上采用钢筋混凝土立柱或钢质立柱来支撑上部甲板。这类平台虽然在海洋石油开发中出现较晚,但由于其具有省钢材、甲板面积大、对海洋环境适应性强、主要构件可以在陆地预制,而且施工技术不太复杂、在海上施工的时间短及防火、防腐性能好,维修费低等优点,不但可用作钻井、采油、集输、储油、系泊和装油平台,而且还可综合多种用途,作为海洋石油开发的多用平台。
　　 根据我国海域和石油勘探的实际情况,我国海域大部分的中小油田都属于边际油田。鉴于重力式平台的种种优点和国际上的经验,再考虑到我国海洋环境的特殊性和复杂性,以及大量小块油田和边际油田等待开发的实际情况,浅海重力式平台必将在我国油田的开发中发挥重大作用。
　　 本文主要针对我国近海海域情况,提出适用于我国浅海的重力式平台模型,并对所建的浅海重力式平台结构进行分析计算。首先是对重力式平台整体结构进行静动力分析,其次针对其带裂纹立柱的扭转断裂破坏进行了分析和计算,最后对重力式平台在交变载荷作用下的地基稳定性进行了实验研究和数模计算。
　　 本文的具体工作如下:
　　 1.浅海重力式平台整体结构的静动力分析:对浅海重力式平台进行静力分析和动力分析,应用ANSYS对浅海重力式平台进行建模,借助有限元数值处理,通过划分网格、求解和后处理来获取平台的静力学和动力学性能信息。静力分析方面主要是对各种环境载荷组合下的平台进行位移和应力分析。动力分析方面首先对重力式平台做模态分析确定其固有模态和振型,然后对冰载荷作用下的重力式平台进行瞬态反应分析,对波浪载荷作用下的重力式平台进行随机响应分析。计算结果表明所建议的重力式平台在各种静、动荷载作用下,满足强度和稳定性要求,具有较好的安全储备。
　　 2.带裂纹重力式平台立柱的扭转断裂分析:考虑复杂的海洋环境载荷和所建重力式平台固有模态,发现扭转作用是不可忽视的。考虑重力式平台立柱结构的复杂性,可将其简化为复合柱体,考虑其内部含有的裂纹。通过建立适用于复合柱体Saint-Venant扭转的边界积分方程对重力式平台立柱的扭转断裂进行研究。将问题划归为各个边界上的积分方程的求解,应用边界元方法进行分析,并编制fortran程序进行计算。新边界积分方程建立后,对含有直线裂纹和曲线裂纹的复合柱体的扭转断裂破坏进行了分析,所得结果与文献资料吻合,证明了本方法的正确性和有效性。同时对平台在不同风载荷作用下,含裂纹立柱的扭转断裂进行了计算。
　　 3.交变载荷作用下的地基稳定性分析:对重力式平台进行物理模型实验研究,按照1:25的比例制作平台的工作模型,模拟实际海洋环境,研究储油量的交替变化对地基稳定性的影响。运用ANSYS软件对重力式平台地基部分建模,所得结果与实验数据进行比较和分析,以研究浅海重力式平台地基的稳定性。实验结果与数值模拟都表明,所建议重力式平台的地基是稳定的。