探析地震作用下的导管架海洋平台结构动力优化设计

宋广然　殷琪芮（.海洋石油工程股份有限公司，天津　30045；.天津开发区海宁船舶工程技术有限公司，天津　300457）



探析地震作用下的导管架海洋平台结构动力优化设计

宋广然1殷琪芮2
（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.天津开发区海宁船舶工程技术有限公司，天津300457）

摘要：本文分析了在地震力的作用下，导管架海洋平台的结构优化方法，通过对比发现，设计人员采用动力优化的方式，可以有效的提高导管架海洋平台结构的稳定性，设计人员要提高该结构的抗震能力，还保证导管架的刚度、强度以及稳定性，这样才能降低地震力对海洋平台结构的影响。

关键词：地震；导管架；海洋平台；结构；优化

我国属于地震多发国家，这主要是因为我国部分地区处于比较活跃的地震带中，渤海湾就属于地震活动带，在这一地区进行海洋平台建设，需要考虑地震对结构稳定性的影响。导管架海洋平台是石油行业开采生产时采用的主要结构类型，其主要是由三部分构成，上部甲班、导管架以及桩基。一般上部甲板的刚度比较大，设计人员需要重点对导管架以及桩基进行优化。本文采用动力优化的方式，将导管架海洋平台看做是钢框架结构，对地震作用下平台结构的优化方法进行介绍，以供参考。

一、导管架平台结构地震破坏状态分级与抗震安全裕度系数

对导管架平台结构进行优化时，需要提高其抗震能力，这样可以降低地震力对海洋平台造成的损失，可以避免地震灾害对导管架海洋平台结构造成破坏，降低了安全事故发生概率，还有效避免了人民的财产损失。在抗震设计时，要避免结构出现倒塌，要保证海洋平台工程的经济效益，一定要保证海洋工程的安全性。近年来，海洋工程出现的安全事故比较多，相关部门对该行业提出了更高的设防要求，设计人员需要提高导管架海洋平台结构的抵抗力，还提高结构的强度，还要具有良好的抗变形能力，要避免出现结构倒塌现象。在导管架海洋平台结构优化中，由于相关部门没有设立统一的抗震标准，所以，设计人员采用了建筑结构抗震标准。

1 导管架平台地震破坏状态

导管架海洋平台结构在受到地震力的作用后，会出现结构变形现象，根据地震破坏状态的特征，可以对地震破坏的状态进行分级，地震破坏的阶段主要有：定常反应阶段、塑变反应阶段、破坏阶段，在分析的过程中，需要在不同的阶段采用不同的分析方法。在进入破坏阶段后，需要采用动力分析的方法对结构特征进行研究。在破坏阶段可以将平台结构分为中等破坏与局部倒塌状态，采用地震破坏分析的方法，需要考虑导管架海洋平台结构的结构特性。

结构构件的强度与刚度不同，所能承受的地震荷载也不同，当构件出现损坏现象后，则说明导管架平台结构处于严重的破坏阶段，所以，研究人员可以通过构件受损级别对破坏状态进行分级。中等破坏状态是指导管架海洋平台结构中的重要构件出现了损坏迹象，一般2类或3类构件出现损坏，就可以判断为中等破坏状态，这一状态说明结构处于塑变反应极限，也处于破坏阶段的初级阶段，结构的承载力会有所降低，出现的损坏可能是永久性的，这会影响海洋平台的正常运作，技术人员必须对结构进行加固处理，还要对构件进行修复。局部倒塌状态是指结构中的主要构件受到了破坏，一般是指导管架平台中的1类构件，这会影响结构的承载能力，会造成较大的安全隐患。在平台的顶部一般存在荷载比较集中的问题，所以，这一位置比较容易出现倒塌现象。局部倒塌会使整个结构出现严重的变形，在这种状态下，导管架海洋平台无法正常使用，而且无法进行修复，需要对平台进行重建。

2 导管架平台抗震安全裕度系数

导管架平台抗震设计是一项重要的工作，其可以保证结构的稳定性，可以避免构件出现损坏。构件失效包括屈曲、屈服、疲劳等，会影响其功能的正常发挥，到出现损坏的构件超过一定数量，则会引起结构局部倒塌。一般海洋平台结构构件失效的模式有很多，这会影响结构的安全度，必须采用有效的方法对其安全度进行评定。在导管架结构设计时，设计人员一般采用的都是保守的设计理念，而且结构安全裕度比较大，这很难控制结构的安全性以及稳定性。在对海洋平台结构进行动力优化时，需要根据结构破坏程度采用不同的优化方法，设计人员需要考虑结构的承载能力，还要衡量结构的抗震能力。抗震安全裕度系数有着不同的标准，在中等破坏状态与局部倒塌状态下，设计人员要参考不同的安全裕度标准。地震倒塌极限与平台抗震标准的差值，与平台设防标准的比值就是该破坏状态下形成的抗震安全裕度系数，根据这一系数可以对导管架海洋平台结构进行动力优化，通过变量设计，可以保证结构的抗震效果。

二、结构优化模型与分析过程

1 结构分析模型

以渤海BZ28-1储油平台为例，计算结构模型如图1所示。平台构件容许正应力[σ]＝192MPa，容许剪应力[τ]＝128MPa，导管架顶部节点容许侧位移u＝12.5cm，桩顶容许侧位移y＝3.5cm。这里，桩的处理按等效桩计算，在泥面下10m处固支。分析模型共有32个节点，68个管单元。平台构件分为四组：桩、导管腿、弦管和斜撑，截面设计变量8个。

2 分析过程

计算质量有自重和设备荷载确定，同时在动力计算中考虑了附连水质量和海生物厚度的影响。通过结构动力分析可获得结构构件的内力，以建立优化模型中的约束方程。优化计算以优化算法软件OPB-2为基础，采用成熟的约束变尺度法（CVM01）。W（j）和W（j-1）分别为第j-1次和第j次迭代目标函数值，ε为目标函数收敛精度。

结语

在对海洋平台结构进行优化时，需要应用多种技术，在分析的过程中，相关技术日趋完善，工作效率提高了，而且受外界因素的影响也比较小。本文对地震作用下，导管架海洋平台结构动力优化设计进行了分析，采用动力分析方法，有着较大的难度，研究人员将导管架海洋平台看做是钢框架结构，然后对地震荷载作用下，结构的优化方法进行了介绍，设计人员要提高结构的稳定性，还要增强构件的强度以及刚度，保证桩基的承载能力，这样才能保证海洋平台工程效益的最大化。

参考文献

[1]郑雪坤，陈义厚，王松.导管架海洋平台波浪地震荷载分析及研究[J].内蒙古石油化工，2007（05）.

[2]周广利，白若阳.导管架平台的动力分析[J].中国海洋平台，2006（01）.

中图分类号：P725

文献标识码：A