极端风暴潮下近海导管架平台结构安全分析

张 坤， 陈国明， 朱本瑞， 刘红兵， 胡春友

(中国石油大学(华东) 海洋油气装备与安全技术研究中心, 山东 青岛 266580)

极端风暴潮下近海导管架平台结构安全分析

张 坤， 陈国明， 朱本瑞， 刘红兵， 胡春友

(中国石油大学(华东) 海洋油气装备与安全技术研究中心, 山东 青岛 266580)

基于导管架平台极端环境作用下极限状态的分析，研究了近海导管架平台的结构安全。由极端风暴潮载荷的模拟方法，确定适用于近海导管架平台的安全评价方法。并以某近海导管架平台为例，进行甲板上浪载荷计算、静力非线性分析、动力响应分析及极限承载能力分析。结果表明：极端风暴潮作用下的上浪载荷会减弱近海导管架结构的极限承载能力，也会影响其抗力，须予以重视。

极端风暴潮；近海导管架平台；上浪载荷；动力响应分析；极限承载能力

0 引言

我国海域的平台除受常规环境影响外，还会受风暴潮的影响。风暴潮是海水受到剧烈的大气扰动，包括强风和气压骤变等，导致海水异常升降，使海域内潮位大大超出平常潮位的现象[1]。渤海海域处于高纬度地区，一般水位较低，海底的地形样貌多样。渤海海域一般风暴潮受气压影响不大，对该区域风暴潮的数值模拟通常只考虑设计条件下的风应力场和波浪的非线性耦合效应[2]。

通常在高水位时设计波浪的波峰顶点要低于海洋平台的上部组块一定值，上部组块受波浪的作用力可以不考虑。但是，在极端风暴潮发生移动的过程中，气压场与风场的同时存在会对上部组块造成不可忽略的影响。故研究近海导管架平台受风暴潮的作用机理，一方面需要考虑桩柱直接受波浪水平力和风力的作用，也要考虑极端风暴潮对上部组块产生的波浪力作用[3]。为此，该文通过对极端风暴潮载荷的模拟，确定适用于导管架平台极限承载能力的评估方法，并应用此方法对极端风暴潮下平台的极限承载能力进行分析。

1 极端风暴潮载荷分析

1.1 风载荷的模拟

导管架平台所受的风载荷包括静风载与脉动风载。结构受到风载荷的作用力为

式中：F为风载荷大小；ω为空气比重；g为重力加速度；V为风速；Cs为形状系数；A为物体面积。

脉动风载荷一般使用叠加的形式模拟风谱，脉动风载荷谱表示为

式中：ρ为空气密度；CD为阻力系数；A为与风垂直的受风面积；Sv(f)为脉动风速功率谱。

图1 风载荷时程曲线图

设风速为渤海海域百年一遇1 min平均风速，取采样频率N=1 024，地面粗糙系数K=0.003，时间t=200 s，时间间隔为0.1 s。由此模拟导管架所受风载荷的时程曲线，如图1所示[4]。

1.2 甲板上浪载荷分析

甲板上浪载荷还没有普遍的计算方法，目前使用最广泛的简化上浪载荷时程是三线性模型，主要是通过实验和流体的仿真模拟求得。三线性上浪载荷简化时间历程如图2所示，该时间历程由一段载荷增加段和两段不同斜率的降低段组成。其中：Fdmax为甲板上浪载荷极大值，定义为上浪高度最大时对应的载荷，可根据不同的上浪模型计算得到；twd为上浪载荷作用总时间，定义为从波浪前沿接触平台底层甲板至最终与甲板完全分离的时间；t1、t2、t3为不同上浪阶段对应的作用时间，其比值为0.5∶0.5∶2.1[5]。

图2 甲板上浪载荷时间历程简化模型

2 结构有限元模型与基础数据

2.1 平台有限元模型

某近海导管架由基础部分和上部组块组成，基础部分由导管架和桩腿构成，导管架主要是四腿式；上部模块主要是由桩柱、甲板、梁结构和斜撑组成的帽式结构。平台甲板共两层，上层为主甲板，下层为井口平台[6]，平台尺寸为19.5 m×19.0 m，重约530 t。导管架与桩柱部分采用弹塑性单元PIPE288和PIPE20，PIPE288单元能够使用相应的模块自主模拟和求得波浪载荷。上部结构则应用PIPE16和BEAM188单元，质量使用MASS21单元模拟，土壤作用用COMBIN39模拟，上部结构可以看成是线性的材料[7]，平台有限元模型如图3所示。

图3 导管架平台的有限元模型

2.2 环境载荷计算

考虑到浅海发生上浪的几率较低，为分析极端自然条件载荷以及不同高度的上浪载荷对平台的影响，评估时环境载荷重现期取一万年。假设不同工况对应的平台水深为17 m～19 m，以反映由沉降或风暴增水引起的平台水深增加。根据API规范，侧向时导管架海流阻挡系数acbf取0.8；甲板类型为无设备时，拖曳力系数Cd取1.6。根据API推荐算法，求出最大的甲板上浪载荷Fdmax，见表1。计算过程中，由水深变化引起海流流速的增加根据波剖面的线性延伸获得，波浪载荷用有限元软件ANSYS求得，相应的最大相位角通过APDL编程搜索得到[7]。

由表1可知，水深值加大，波高和水平速度值变化不大，但上浪的高度值一直在增加，引起上浪载荷增大。

表1 三种工况下上浪载荷数据表

图4 不同工况下作用于平台上的总波浪载荷

3 极端风暴潮下平台的结构分析

3.1 动力响应分析

依据上浪载荷的简化时间历程模型并结合表1得到作用于平台的上浪载荷时间历程，将该历程和波浪荷载相迭加，求得总波浪载荷作用下的时间历程曲线，如图4所示。由图4可以看出：2 s左右出现上浪载荷的最大值；水深为19 m时，上浪高度较大，上浪载荷也最大；总波浪载荷时间历程只在有上浪影响时才会有较大的变化，除此以外载荷历程载荷值基本没有变化。

对平台施加如图4所示的波浪载荷作非线性瞬态响应计算。应用HHT-α理论，取一阶瞬态积分参数θ=1.0，二阶瞬态积分参数α=0.152 4，δ=0.016 4，同时给出最优化的选项；阻尼比ζ=0.05，分析过程中计算时间设定为波浪周期T=9 s，并指定初始速度为零，通过阶跃方式进行加载，计算得到平台导管架顶点某节点在不同工况下的顶点位移响应和加速度响应，如图5所示。

图5 不同工况下导管架顶点水平位移和甲板顶部加速度响应

由图5可知，导管架顶点位移响应最大峰值在2 s左右，在一个周期波浪载荷作用下，位移响应呈周期性振动，且上浪高度增加时位移也不断增大，这是由上浪载荷逐渐增大引起的。但是，三种上浪高度下，平台位移响应从第二个峰值以后围绕平衡点往复振动，而平台在5 s之后受到的波浪载荷几乎相同，这说明平台发生塑性形变，从而加剧结构的响应幅值。对于加速度响应，水深为17 m(上浪高度为0.815 5 m)时，平台振动加速度最小，最大值仅为1.100 1 m/s2，发生在2.275 s；另外两个上浪高度情况下的加速度响应极大值都是出现在2 s左右，且与上浪高度成正比，但第一次峰值以后都产生程度不同地衰减。

分别提取三种上浪高度下平台最大动力响应载荷步的应力与应变分布云图，如图6所示。可以看出：在三种工况下，平台的最大应力位置均出现在导管架下层斜撑处，这与其受到的风浪流载荷较大且结构上较弱的特点相符合。并且水深增加，平台结构所受到的应力越大。从位移云图可以看出，由于桩土的相互作用，三种上浪高度下，平台的最大位移均出现在上部甲板处，且位移大小与水深成正比。

3.2 极限承载力分析

在上浪载荷作用时，假定作用方向为0°，对平台结构进行极限承载能力评估。由表1可知，最大波高ηmax与速度ux受海水深度的变化影响不大，甲板的上浪载荷与相应的高度呈正比例关系，甲板上浪确实能够严重破坏上部模块[7]。对各上浪高度下的平台进行非线性静力推覆分析，获得相应的极限承载能力曲线图，如图7所示。

图6 动力响应不同工况下的平台应力和位移云图

图7 不同上浪高度下的平台承载能力曲线

由图7可知，平台倒塌的形式依然可以看作是延性倒塌，平台的结构位移与上浪高度的增加成正比例关系，但是其极限承载能力反而下降，由此可得上浪载荷会对平台的整体抗力产生影响，设计之初就应确保甲板上部组块与海平面间有着充足的气体间隙[8]。

4 结论

该文的主要研究工作和结论如下：

(1) 对导管架平台整个上浪过程进行模拟，确定应用波浪理论进行平台甲板上浪载荷的计算方案和具体步骤。

(2) 探讨了风暴潮联合作用下的动力响应特性，揭示浅海固定式平台在风暴潮等极端环境载荷下的结构特性与失效机理，为近海固定式导管架平台系统的设计、在役平台设施安全与可靠性的评估提供参考。

(3) 极端风暴潮作用下，近海导管架平台受上浪载荷作用，结构的极限承载能力减弱，影响其抗力。对在役导管架平台进行结构评估时，若考虑极端风暴潮天气或平台下沉明显的工况，必须对上浪载荷予以重视。

[1] 徐灵芝, 赵玉洁, 宋国辉, 等. 离岸风背景下风暴潮异常增水特征分析[J]. 气象, 2010(05):56-63.

[2] Van Raaij K, Gudmestad O T. Wave-in-deck loading on fixed steel jacket decks[J]. Marine Structures, 2007,20(3):164-184.

[3] 张桂平. 风暴潮浪作用下离岸深水结构稳定性分析研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学, 2013.

[4] 陈维杰, 陈国明, 朱本瑞, 等. 强台风下导管架平台风载荷数值仿真分析[J]. 中国海上油气, 2013(03):73-77.

[5] 朱本瑞, 陈国明, 刘红兵, 等. 超强台风下导管架平台结构弹塑性分析[J]. 中国海上油气, 2014(06):86-92.

[6] 王世圣, 徐长胜. 浅海采修一体化平台的结构设计[J]. 中国海上油气工程, 2003(03):14-17.

[7] 朱本瑞, 陈国明, 刘康, 等. 深水导管架平台抗台风极限承载能力[J]. 石油学报, 2014(01):152-158.

[8] Cuomo G, Shimosako K, Takahashi S. Wave-in-deck loads on coastal bridges and the role of air[J]. Coastal Engineering, 2009,56(8):793-809.

Safety Analysis of Offshore Jacket Platform Structure under Extreme Storm Surges

ZHANG Kun, CHEN Guo-ming, ZHU Ben-rui, LIU Hong-bing, HU Chun-you

(Centre for Offshore Engineering and Safety Technology, China University of Petroleum, Shandong Qingdao 266580, China)

Based on the ultimate limit states analysis against extreme environmental loading of jacket platform, the safety analysis of offshore jacket platform structure was carried out to study the simulation method of extreme storm surges and determine the safety assessment method which suitable for offshore jacket platform. Using an offshore jacket platform as an example, calculation of wave-in deck (WID) load, the static nonlinear analysis, the dynamic response analysis and the ultimate bearing capacity analysis was carried out respectively. The results showed that the WID loads under extreme storm surges decreased the ultimate bearing capacity of offshore jacket platform and influenced the resistance. When the safety analysis of structure is applied to jacket platform in service, great importance must be attaches to the WID loads in the case of extreme storm surges or sinking platform obviously.

extreme storm surges; offshore jacket platform; wave-in-deck; dynamic response analysis; ultimate bearing capacity

1001-4500(2016)06-0057-05

2015-07-24

张 坤(1978-)，男，硕士研究生。

P75

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