导管架平台鲁棒性性能研究

刘 续

（中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司工程院，上海 200120）

结构鲁棒性是当今结构工程的焦点之一[1]。在海洋工程领域，鲁棒性设计正在引领结构体系和结构设计新概念的发展。一般而言，结构工程是基于规范的要求，在构件设计水平明确了结构可承受的载荷及环境条件，并且可预测结构的极限能力。

荷载和结构能力的不确定性可以通过荷载和阻力因素进行评估，而荷载和结构能力的不确定性根据可接受的失效概率进行定义，并在结构评估后果等级中明确了失效概率和失效后果等级之间的关系。根据结构规范或规则，基于失效概率进行分类的结构则被认为是安全的。然而，由于一些意外事件或不可预见的事件导致发生了重大的灾难性结构连续倒塌破坏；因此，设计规范和规则逐渐从总体角度引入了对结构鲁棒性的要求，以防止结构发生连续性倒塌破坏[2]。

海洋结构物在海上作业期间会受到恶劣的波浪、洋流、风等极端环境的影响，遇到撞击、爆炸、落物等意外事件，增加了其发生意外事故和不可预见事件的风险[3]。结构体系的鲁棒性对于海洋结构物至关重要，目前主要从安全的角度对海洋结构物进行相关性研究。

本文旨在概括结构鲁棒性的定义与内涵，探讨了基于Pushover非线性分析原理计算导管架平台结构鲁棒性的方法，确定了基于结构承载力的鲁棒性评估指标，并给出了导管架平台结构鲁棒性评估流程；针对不同的结构损伤模式，进一步探讨了结构的冗余度，计算求解结构鲁棒性参数，并将其作为鲁棒性评估指标。可据此分析结构抵抗意外事件的能力，以及在意外事件中产生风险的概率，从而为工程结构设计提供参考，降低结构损伤甚至安全事故所造成的损失。

1 鲁棒性定义与计算方法

鲁棒性源于早期结构抵抗连续性倒塌的需求，并将其扩展到一个更广泛的概念，即结构应具备延性、冗余度、强度、韧性和稳定性，以能够抵抗年超越概率大于1 0-4的极端环境事件，火灾、爆炸、落物、碰撞等意外事件，以及由人为错误或者制造引起的局部损伤等，并且确保结构不会产生与这些损伤成比例的破坏后果[4]。然而，如果事件足够大，结构无法避免发生连续性倒塌破坏，但具备鲁棒性的结构应该确保破坏程度与初始事件不成比例[5]。

鲁棒性是结构和体系的理想性能。它是由结构构件的聚合属性衍生出来的一种属性，属于派生属性，与结构构件的屈服强度等初始性能形成对比。它包含了初始属性的直接影响和间接影响。因此，给定结构一个初始损伤，鲁棒性可以防止产生与初始损伤不成比例破坏的后果，并确保结构不会发生连续性倒塌[6]。鲁棒性包含了结构能够承受的极端事件。如果鲁棒性采用屏障来定义，它意味着一种分层防御系统，旨在防止初始损伤和阻碍危险的蔓延，从而限制对人类、环境和资产造成的影响[7]。

鲁棒性在海洋结构物设计规范中定义如下：

《ISO 19 902 固定式钢质海工结构物》中3.46节规定[8]：鲁棒性指结构在发生合理可能性事件的情况下，结构具有承受与该事件产生的后果不成比例的破坏的一种能力。同时，7.9节规定，结构应考虑到所有危险的影响及其发生的概率，从而使其具有鲁棒性，以确保造成的损害与该事件造成的后果不成比例。具有合理发生可能性的事件造成的损害不应导致结构完整性的完全丧失。

《API RP 2SIM 固定式海工结构物结构完整性管理》中3.1.38定义[9]，鲁棒性指结构在不发生破坏失效的情况下承受损伤的能力。该规范更进一步地指出，平台由于意外载荷或不可预见载荷而发生破坏失效的概率是其鲁棒性的函数。该规范给出了结构的储备强度系数RSR（Reserve Strength Ratio）与其极限承载力的直接关系（图1）。目前，基于承载力确定性方法是评估鲁棒性的基础。

图1 极限承载能力曲线和鲁棒性的关系Fig. 1 Ultimate bearing capacity curve vs. robustness

鲁棒性定量评估指标采用承载力确定性指标[10]。因此，可将导管架平台的剩余强度系数DSR（Damaged Strength Ratio）和剩余影响系数RIF（Residual Influence Factor）作为结构鲁棒性评估指标。

储备强度系数RSR是指完好结构倒塌时，完好结构的极限承载力与设计载荷的比值，见式（1）：

式中:Fu为完好结构的极限承载力，kN；Fd为平台设计载荷，kN。

剩余强度系数DSR是指损伤结构倒塌时，损伤结构的极限承载力与设计载荷的比值，见式（2）：

剩余影响系数RIF是指损伤结构的极限承载力与完好结构的极限承载力的比值，见式（3）:

鲁棒性定量评估分析步骤为：

（1）选取目标导管架平台分别建立完好结构平台模型和损伤结构平台模型；

（2）基于USFOS进行Pushover分析，分别得到完好结构和损伤结构的载荷-位移曲线；

（3）计算求解RSR、DSR、RIF，最终进行结构鲁棒性评估。

具体评估流程见图2。

图2 鲁棒性评估流程图Fig. 2 The flow chart of robustness evaluation

2 计算分析

2.1 计算模型

以东海典型四腿导管架平台为研究对象，建立了导管架平台完好结构计算模型（图3）。该导管架平台水深约为75.0 m。导管架平台工作点标高为EL.（+）8.5 m，工作点尺寸为16 m×16 m。导管架采用“X”轴、“Y”轴双斜，斜度为10∶1。导管架设有4个水平层，分别为EL.（+）2.0 m、EL.（-）25.0 m、EL.（-）50.0 m、EL.（-）75.0 m。上部组块重3 200 t，设有3层甲板，标高分别：EL.（+）34.8 m、EL.（+）26.3 m、EL.（+）20.3 m。

图3 导管架平台完好结构模型Fig. 3 The intact structure model of jacket platform

导管架平台结构杆件分为导管架腿，水平杆件和斜杆件，其构件材料参数及几何参数见表1、表2。

表1 材料参数Table 1 The material parameters

表2 几何参数Table 2 The geometric parameters

根据导管架平台不同的损伤失效模式[11]，分别选择导管架平台上的腿杆件、水平杆件以及斜杆件作为不同的损伤工况，然后建立不同的结构损伤模型，损伤失效杆件编号见图4～图6。

2.2 波浪载荷

环境载荷选取Stokes 5阶理论，波浪入射方向为0°和45°（图7）；根据《ISO 19 902 固定式钢质海工结构物》规范可知，在完整工况中，选取超越概率超出10-4的10 000年重现期环境载荷（Hs=36.0m，Tm=17.2s）；在损伤工况中，选取超越概率超出10-2的100年重现期环境载荷（Hs=28.5m，Tm=15.3s）。

图4 腿杆件编号Fig. 4 Numbers of leg members

图5 水平杆件编号Fig. 5 Numbers of horizontal members

图6 斜杆件编号Fig. 6 Numbers of diagonal members

图7 波浪方向Fig. 7 The directions of wave

3 结果与讨论

3.1 完整工况下的鲁棒性

完整工况分析的目的是评估结构在已知意外事件下结构的鲁棒性，此工况的结构鲁棒性主要通过储备强度系数RSR值来衡量。图8展示了导管架平台的载荷-位移曲线；图9和图10分别展示了导管架平台在0°和45°环境载荷方向下的最大塑性应变和塑性利用率。由图可知，导管架平台在0°和45°的RSR值分别为3.776和2.943，对应的最大塑性应变为0.302 6和0.139 8。导管架平台在45°方向的结构鲁棒性低于0°方向的结构鲁棒性。

图8 导管架平台载荷-位移曲线图Fig. 8 The load-displacement curves of jacket platform

3.2 损伤工况下的鲁棒性

损伤工况下主要用来评估结构在未知意外事件下结构的鲁棒性。基于不同的结构损伤模型，采用非线性分析软件USFOS进行Pushover分析，计算得到不同结构构件损伤失效后的损伤平台的载荷-位移曲线，见图11～图13。

图9 导管架平台在0°方向下的最大塑性应变和塑性利用率Fig. 9 The maximum plastic strain and plastic utilization of jacket platform with direction 0°

图10 导管架平台在45°方向下的最大塑性应变和塑性利用率Fig. 10 The maximum plastic strain and plastic utilization of jacket platform with direction 45°

由图可以看出：

（1）导管架平台结构损伤失效后，损伤结构的极限承载能力相比完好结构的极限承载能力下降明显；导管架腿杆件、水平杆件以及斜杆件损伤失效后相比完好结构的极限承载能力分别下降了19.4%、9.5%及11.6%；

（2）从三种损伤失效模式来看，导管架腿损伤失效对结构极限承载能力影响较大，斜杆件损伤失效影响次之，水平杆件损伤失效影响较轻；

（3）导管架平台在45°环境载荷方向的储备强度系数较小，表明导管架平台在结构损伤后在45°环境载荷方向的极限承载能力较低。

图11 腿杆件失效的载荷-位移曲线Fig. 11 The load-displacement curves of leg members failure

图12 水平杆件失效的载荷-位移曲线Fig. 12 The load-displacement curves of horizontal members failure

图13 斜杆件失效的载荷-位移曲线Fig. 13 The load-displacement curves of diagonal members failure

根据式（2）和式（3）计算得到平台鲁棒性评估结果见表3。

由表3做出平台鲁棒性评估的柱形图 （图14）。

由图14可知，导管架平台在遭受腿杆件、水平杆件以及斜杆件不同的结构损伤失效后，水平杆件失效后的平台鲁棒性指标＞斜杆件失效后的平台鲁棒性指标＞腿杆件失效后的平台鲁棒性指标；同时可知，当平台遭遇100年一遇的环境载荷时不会发生连续性倒塌，具有良好的鲁棒性。

表3 鲁棒性评估结果Table 3 The results of robustness evaluation

图14 不同杆件损伤失效后损伤平台的结构鲁棒性Fig. 14 The structural robustness of damaged platform with different members failure

4 结论

基于Pushover非线性分析原理，明确了导管架平台结构鲁棒性的评估方法，确定了结构鲁棒性评估指标，形成了导管架平台结构鲁棒性评估流程，探讨了不同的结构损伤模式下结构鲁棒性指标的影响规律。得到如下的结论：

（1）采用Pushover非线性分析原理计算导管架平台的结构鲁棒性，可以有效地分析结构构件损伤失效后损伤平台的极限承载能力，定量地评估损伤平台的结构鲁棒性。

（2）腿杆件、水平杆件以及斜杆件三种损伤失效模式对结构极限承载能力的影响由高到低依次为：腿杆件损伤失效＞斜杆件损伤失效＞水平杆件损伤失效。

（3）损伤平台的结构鲁棒性由高到低依次为：水平杆件损伤失效＞斜杆件损伤失效＞腿杆件损伤失效。

（4）剩余影响系数RIF可以用来识别结构杆件的重要性，从而为平台结构设计或定期检测提供重要参考。