渤海固定平台非线性时程地震的抗震设计

付殿福，邵卫东，王忠畅

(中海油研究总院，北京 100028)

我国大多数海上油气田开发的水深在200 m以内，最主要的开发工程设施为固定式导管架平台[1]。通过渤海海域已设计平台的结构分析结果回归发现，对于风、浪、流环境条件不是特别恶劣的海域，地震工况应是导管架平台结构设计的主要控制工况[2]。渤海油田为我国最大的海上油田，年产油当量约3 000万t，目前拥有各类生产设施近140座。由于渤海特殊的地理位置，尤其是蓬莱、渤中区域，相比东海、南海海域，渤海区域的地震相对恶劣，并且由于地震评价标准和要求的不断提高，反映到地震地表加速度的数值相比10年前的数据更加恶劣。通过图1可见，历次强震主要集中在N38°～39°、E119°～121°之间，即渤中&蓬莱油田区块；目前渤中区块有35座固定平台、蓬莱区块13座(含蓬莱19-3综合调整项目在建的4座)平台在服役，地震工况是该区域平台的绝对控制工况，良好的抗震设计对结构安全、降本增效意义重大。

图1 渤海海域强地震震中分布

本文从结构抗震设计的设计规范、设防标准、设计分析方法等方面入手探讨结构抗震设计技体系，并以渤海某平台为例开展在该技术体系下的结构抗震设计分析实例。

1 海洋平台抗震设计规范

目前，国内进行固定式导管架平台设计时，基本上采用美国石油协会的API RP-2A WSD规范的要求和方法[3]，并结合《渤海海域钢质固定平台结构设计规定》相关要求[4]。API RP-2A WSD规范要求对平台场址首先进行地震活动评价, 用以确定设计使用的地震地面运动的强度和特性。规范中对固定式平台地震结构分析分为两种工况：强度水平地震分析(strength level earthquake)和韧性水平地震分析(ductility level earthquake)，规范要求强度水平地震分析中结构杆件和节点均不允许发生破坏；对于韧性水平地震，在部分杆件或节点发生破坏后，要求结构仍有足够刚度不发生倒塌。

2014年美国石油学会发布最新的API RP-2EQ规范[5]对结构抗震设计给出了更进一步的要求。

2 海洋平台抗震设防标准

抗震设防标准是工程抗震设计的准则，它规定结构或设施应该具有多大的抗震能力，或者说具有何种程度的地震安全性[6]。

国际上普遍采用二级、三级设防标准，超越概率差异较大；我国各行业普遍采用三级设防思想，即小震不坏、中震可修、大震不倒，并且各行业根据行业特点制定专用规范。目前我国海洋平台领域尚未有国家级的抗震设防标准[7]。通过对比分析国内外不同行业的设防标准可见，认为目前阶段采用的抗震设防“中震不坏、大震不倒”的二级抗震设防标准基本符合我国海洋油气开采行业的经济性与安全性的平衡。

“中震不坏”对应200年一遇水平地震，设防目标为：主结构、桩不发生破坏，结构应变应保持在弹性范围。

“大震不倒”对应1 000年一遇水平地震，设防目标为：主结构可发生塑性变形，整体结构不倒塌；桩基础应避免破坏。

3 海洋平台抗震设计方法

地震作用是一种高度非线性、非平稳随机过程, 无论在时间、空间和程度上都具有很强的模糊性和随机性[8]。目前常用的海洋平台抗震设计方法包括静态法、反应谱法[9]、静力弹塑性法，以及最新的时程非线性法，海洋工程领域以反应谱法最为常用。

3.1 线性反应谱方法

渤海海域海洋平台抗震设计常采用的方法为反应谱方法(即常规线性方法)，大多数情况基于SACS程序开展结构抗震设计。常规抗震设计方法采用模态叠加法进行结构动力分析，即进行抗震动力计算时，首先计算平台结构模态，认为平台变形是由多阶模态线性叠加得到。使用该方法的前提条件是假定平台整个系统为线性系统。

采用线性方法，平台材料特性考虑为线性变化，桩-土之间相互作用简化为线性弹簧，在地震分析过程中，桩-土之间的关系保持不变。随后计算简化后平台的动力特性，输入地震响应谱曲线，用以进行地震动力分析，得到地震荷载后，利用API规范进行杆件和节点校核。平台安全性判断标准是：主节点UC≤1.0，主要杆件UC≤1.0，桩基础安全系数大于1.2。

3.2 时程非线性方法

时程非线性方法，考虑结构材料非线性特性的同时，也考虑了平台桩基础与土壤的桩土非线性作用，在上述两点的基础上开展平台韧性地震工况下的结构评估。

钢制海洋平台在地震荷载作用下，具有很强的塑性延展能力，在地震力的作用下结构杆件将发生塑性变形，塑性变形的发生有助于结构吸收和耗散地震能量。

根据钢材材料特性，在地震韧性分析中考虑结构的非线性，程序可以考虑材料的塑性变形对平台结构强度的贡献及吸收地震的能量，当杆件失效后可剔除杆件对平台结构刚度贡献继续进行分析。平台安全性判断标准是：平台部分杆件或节点发生破坏，但平台仍有足够的刚度不发生倒塌。

本文提出的时程非线性分析方法正是基于上述理论，使用USFOS程序开展设计分析。

3.3 时程非线性方法技术优越性

固定式导管架平台通过钢桩固定于土壤中，具有明显的非线性特征，主要体现有两点：①导管架结构材料非线性。对于钢制结构当应力超过屈服强度，应力-应变曲线表现为非线性；②固定式导管架平台桩-土之间的非线性特性。线性的反应谱理论无法充分反映结构和土壤的非线性特性，也就无法精确评估上述非线性效应。

采用时程非线性分析法，不但能够考虑地震的时间历程特性，而且能够考虑地震过程中反应谱分析方法所不能描述的结构的非线性特性。在进行时程非线性分析时，随着分析中时历地震不断激励平台，导致局部结构杆件因破坏退出工作，计算程序自动更新平台失去该结构后的刚度，重新分配刚度及杆件内力进行下一步的计算分析，直至平台发生倒塌或达到定义的分析时长[10]。

与传统线性谱分析法相比，采用时程非线性方法进行导管架平台地震分析，有以下特点：①材料的力学特性考虑非线性特性；②平台的整体刚度随结构杆件失效实时调整；③考虑材料和桩-土之间非线性特性。有助于在保证结构抗震安全性基础上，对平台结构进行优化设计。

4 海洋平台结构抗震技术体系

结合多年的海洋平台抗震设计实践，初步形成了一套符合我国海域抗震设计情况的海洋平台结构抗震技术系框架，见图2。

图2 结构抗震技术体系

5 渤海平台抗震设计实例

渤海八腿八主桩导管架平台所处水深为27.7 m，导管架分为3个水平层，海生物厚度为0.15 m，钢桩直径为2.134 m。上部组块操作重约13 500 t。采用常规线性方法和时程分析方法在同等地震重现期下对平台桩基进行设计。对于固定式导管架平台，在地震工况下工作点处位移、结构安全性和桩头力是关注的重点。采用梁单元模拟平台的杆件，采用板壳单元模拟平台的甲板。常规反应谱法(线性方法)平台模型见图3，时程非线性分析方法平台模型见图4。

图3 反应谱法平台结构模型

图4 时程分析平台结构模型

5.1 地震参数及地震时程位移

采用200年及1 000年重现期泥面处地震响应谱。重现期200年地震谱用于强度水平地震分析，重现期1 000年地震谱于韧性水平地震分析。重现期为1 000年平台场地地震参数见表1、2。

表1 场地水平向设计地震动参数与地震系数K值

表2 场地设计规准谱特征参数

地震反应谱β(T)的表达式为

(1)

式中：T为反应谱周期；βm为反应谱最大值；Tg为反应谱特征周期；T0为反应谱线性上升起始时间；T1为反应谱线性上升截止时间，c为衰减系数；αmax为地震最大影响系数。

其地震加速度谱见图5。

图5 平台场址1 000年地震加速度谱

根据平台场址重现期1 000年地震响应谱，通过随机拟合方法，利用数值计算法，得到7条平台场址的地震位移时程曲线(见图6)，作为平台韧性地震分析的输入条件，分析时间为40 s。

图6 地震时程位移

5.2 时程非线性方法与线性方法结果对比

采用前述地震条件，基于API规范利用常规线性方法，对导管架桩基结构进行设计。采用图6地震条件，基于API规范“不倒塌”的要求本利用时程非线性方法，对导管架桩基结构进行设计。在满足规范要求前提下，对两种设计方法的主要节点强度、桩基强度校核结果进行对比，桩基设计结果见图7。

图7 线性方法与非线性方法桩基础设计结果对比

采用线性分析方法导管架主腿206L节点冲剪UC值为1.20，不满足规范要求，需要增加壁厚或内部加强环，使该节点设计满足要求，最大钢桩壁厚达到90 mm。

采用本文所述时程非线性分析方法，导管架主腿206L节点UC值为0.45，桩基采用最大壁厚为80 mm即可满足导管架韧性地震分析规范要求。

采用时程非线性方法上可降低钢桩壁厚及重量，及钢桩建造和安装难度，节省平台的建造和安装投资。

6 结论

渤海某平台抗震设计实例证明：基于时程非线性抗震设计方法的海洋平台结构抗震技术体系对实现海洋平台结构的安全性与经济性统一效果明显，可将目标平台钢桩平均壁厚从70 mm降低到55 mm，同时也可降低导管架主腿节点壁厚，整体上降低了导管架及钢桩壁厚，平台建造和安装难度也随之大幅降低。

预计通过时程非线性抗震设计技术可节省渤海常规八腿平台钢桩用钢量500 t，降幅占平台钢桩总重约15%。

提出海洋平台结构抗震技术体系建议：对于常规的线性分析方法技术成熟，计算结果偏保守，对于地震工况不占主导控制工况的南海海域海洋平台结构设计，仍建议采用该方法进行结构设计。对于渤海海域、东海部分地震严重海域，采用常规线性方法进行结构抗震设计将导致设计结果偏于保守，建议采用非线性时程方法进行结构抗震设计，以优化导管架与桩基础结构尺寸，实现降本增效。