超大型极地海上重力式混凝土平台结构分析及全过程模拟

谢崇峰 王宁辉 冯 鹏 林红威 丁国桢

超大型极地海上重力式混凝土平台结构分析及全过程模拟

谢崇峰1王宁辉2冯 鹏1林红威3丁国桢1

(1. 清华大学，北京 100084；2. 中国石油辽河油田金海采油厂，辽宁盘锦 124000；3. 北京交通大学，北京 100044)

极地油气资源非常丰富，具有很大的开发潜力。重力式混凝土平台具有集成程度高、耐久性能优异等优点，在极地油气资源开采中具有广阔的应用前景。文章以北极某油气开采项目为背景，给出了该类型重力式混凝土平台冰荷载、风荷载、波浪荷载、海流荷载、基底反力以及温度荷载的计算方法。针对重力式混凝土平台的荷载工况组合，介绍了包括中国船级社（CCS）、国际标准化组织（ISO）、挪威船级社（DNV）、美国石油协会（API）以及欧盟（EN）在内的多国组织行业规范对荷载种类选取的要求，明确了本项目应采用的荷载工况组合。针对重力式混凝土平台在拖航、安装和在位服役阶段的全过程受力情况进行了有限元模拟，验证了平台结构在三个阶段的可靠性。

极地；重力式混凝土平台；荷载计算；荷载工况组合；有限元模拟

0 引 言

混凝土是建造海洋平台的理想材料，在各种海洋平台，尤其是重力式海洋平台中，得到了广泛的应用[1-2]。重力式混凝土平台依靠重力维持自身稳定性，按外形可以分为圆柱罐平台、Condeep平台、驳船型平台等，主要应用于风电、石油开采、液化天然气（LNG）储运等领域[1,3]。相较于传统的钢结构海上平台，重力式混凝土平台承载力高、抗冰能力强、耐久性能及防火性能好，尤其适用于大型海上工程平台。一项针对北海地区大量重力式混凝土平台的研究[4]表明，凭借混凝土优异的耐腐蚀性能，重力式混凝土平台在海洋环境下可以维持至少50年的使用寿命。

北极地区油气储量丰富，但目前开采程度较低，未来具有巨大的开发潜力。不同于传统的陆地建设，极地建设面临以下挑战[5-6]：1）地理位置偏远，后勤供应困难；2）极低温、强风、冰雪等恶劣气候条件造成施工效率低下；3）运输材料和设备时，无冰水域的时间窗口十分有限；4）陆上适用土地稀缺，水路疏浚成本高；5）极端荷载发生概率大，对海洋平台结构强度要求高；6）人员设备数量少，维修养护条件受限。因此集成程度高、耐久性能优异的重力式混凝土平台是极地能源开采较为理想的依托平台。Li等[7]统计了32个北极项目，其中10个项目采用了重力式混凝土平台的形式，在工程中已验证了重力式混凝土平台对极地环境的适用性。

在重力式混凝土平台中，驳船型平台是一种大尺寸的方形平台，适合作为近海油气加工工厂或LNG储运中转站等设施，目前在Adriatic LNG项目及Arctic LNG 2等少量工程中得到了成功应用。其中，Arctic LNG 2项目[8-9]正在建设中，图1为Arctic LNG 2平台在摩尔曼斯克船坞的建设现场。重力式混凝土驳船型平台是海洋油气资源开采领域的大型前沿基础设施，对于我国极地能源开采、拓展能源渠道以及保障能源安全具有重要战略价值。然而，我国在此技术领域尚无技术积累，亟需在此领域开展相关探索性研究。本文以北极某油气开采项目为背景，调研了驳船型重力式混凝土平台在极地冰区环境下的荷载计算方法及荷载工况选取方法，并针对平台的拖航—安装—在位服役三个阶段开展了全过程的有限元模拟。

图1 建设中的Arctic LNG 2 平台

1 工程概况

该项目计划在极地无人区陆地开采LNG，通过管道运输至近岸LNG工厂，在工厂完成过滤、液化、装船运输等工艺，其中LNG工厂采用3个重力式混凝土平台作为结构载体。每个平台长324 m，宽152 m，高30 m，结构主体为墙板构造，如图2所示。平台建造流程如图3所示。平台在工业区船坞建造后，安装上部LNG工厂模块，注水浮起，再由驳船拖航至目标海域并灌注压载水，靠重力保证平台使用过程中的稳定性。平台主体结构质量为46万t，LNG工厂模块总质量达17万t，可储存22.8万m3LNG及7.5万m3凝析油，建成后将成为世界上最大的重力式混凝土平台，同时也是世界上最大的海上LNG工厂。平台服役过程中将在陆地开采LNG，通过管道运输至平台上部工厂深化处理，依靠停泊在平台旁的LNG船舶完成运输任务。

图2 重力式混凝土平台结构效果 m

图3 平台建造流程

平台内部墙板布置如图4所示。其中，主要墙体厚度为300 mm、400 mm、550 mm及700 mm，底板和甲板厚度为650 mm。平台包括两个容量114 500 m3的LNG存储舱、一个容量75 000 m3的凝析油存储仓、中央三个压载水存储仓以及分布在悬臂部位的压载水存储仓。结构总重量为3.81×108kg，理论吃水深度为10.15 m。

图4 平台内部墙体布置 m

平台在拖航—安装—在位服役全过程中会受到复杂的荷载作用，包括平台自重、挡土墙压力、压载水重量等永久荷载，上部组块重量、储罐容量等可变荷载，静水压力、波浪荷载、风荷载、冰荷载、海流荷载、温度荷载等环境荷载。在验算时需针对每种工作状态选取不同的荷载种类和极限状态，形成荷载工况。

2 荷载工况分析

2.1 典型荷载研究

2.1.1 冰荷载计算

海洋平台在极区服役时，会面临海冰灾害的严重威胁。调研资料表明，在役海洋平台曾多次发生海冰损毁平台结构的严重事故。1968年，海冰持续堆积导致渤海湾内老二号平台构件破损开裂，致使平台最终倒塌[10]；1986年，流冰的持续作用使波弗特海内沉箱平台强烈振动，诱发底部砂土地基液化，导致平台下陷近1 m[11]，影响了平台的使用。因此，对于冰区服役的海洋平台，必须对冰荷载进行准确的计算。

冰荷载可以分为挤压冰荷载、弯曲冰荷载、局部冰荷载和动力冰荷载四类。弯曲冰荷载主要出现在锥体结构中，因此对于直立型的驳船型平台结构，可以不考虑弯曲冰荷载。此外，驳船型平台采用了钢筋混凝土结构，不易出现局部冰荷载引发的局部屈曲破坏模式，因此也可不考虑局部冰荷载。对于动力冰荷载，当结构存在频率锁定或者自激励的风险时，ISO 19906–2010[12]建议静态分析应辅以动态分析。但是许宁[13]指出，当宽厚比较大时（>30），海冰在结构前的破坏会在水面的不同位置相继出现。即海冰非同时破坏，很难对结构整体造成影响，故本文也不考虑冰的动力作用。综上，对于驳船型平台结构，本文参考Q/HSn 3000—2002[14]和ISO 19906– 2010对挤压冰荷载进行了计算。

根据Q/HSn 3000–2002，对于直立结构，挤压冰荷载可按式（1）进行计算：

根据ISO 19906–2010，直立结构的挤压冰荷载可按式（2）进行计算：

式中：为冰与结构接触宽度，按保守取平台对角线长度358 m；为冰厚，按照100年重现期取2.76 m；1为参考冰厚，取为1 m；为接触宽度效应的经验系数，取–0.16；为冰厚效应的经验系数，取–0.3；R为海冰强度系数，取2.4 MPa。将上述参数取值带入式（2），计算得到挤压冰荷载为0.81 MPa。

可以看到，ISO 19906–2010的计算结果高于Q/HSn 3000—2002计算结果。屈衍等[15]利用辽东湾海域MDP1海洋平台的实测数据，基于两种规范分别计算了挤压冰荷载，得到了与本项目相同的结论，即ISO 19906–2010的计算结果高于Q/HSn 3000—2002。偏保守地，本文取挤压冰荷载为0.81 MPa。

2.1.2 风荷载计算

风荷载的计算方法相对比较成熟，可参考中国船级社规范《海上移动平台入级规范》[16]进行计算。100年重现期下，3s阵风的大小为38 m/s，大于规范中的正常作业模式下结构最小设计风速36 m/s的要求。因此，风压可按式（3）进行计算：

式中：为设计风速。实际计算时还应考虑高度系数h、形状系数s。平均海平面距离平台底部的高度为15.3 m，水面上部结构的平均形心近似考虑在水面上部结构中部，距离水面高度为7.1 m，依据规范h取1.00。规范中规定对于大平面，形状系数s取1.0。将上述参数代入式（3），计算得到风压为0.89 kPa。

2.1.3 波浪荷载计算

对于小尺度结构，波浪的拖曳力和惯性力是主要的分量，一般考虑粘性效应，采用Morison公式进行计算；而对于大尺度结构，波浪的惯性力和绕射力是最主要的分量，一般考虑绕射效应，采用绕射理论进行计算。由于重力式混凝土平台尺度极大，可以忽略粘性效应，故使用绕射理论求解波浪荷载。

此时可以分两种工况对结构所受的波浪荷载进行讨论，分别为拖航工况和在位服役工况。对于拖航工况，需考虑水平方向和垂直方向的波浪荷载；对于正常使用工况，由于平台底部位于不透水层，因此平台仅受水平方向波浪荷载作用。根据王树清等[17]给出的长方潜体绕射理论建议公式，作用在长方潜体迎波面和背波面的平均压力分别为：

式中：H为水平绕射系数，对长方潜体可取H=2.0[17]；为波数；为波高；为波浪频率；1为迎波面和背波面的坐标；1为潜体沿波浪方向的长度；3为潜体的高度；为潜体中心至海底的距离；为海水水深。

作用在长方潜体底面的波浪压力为：

式中：V为垂直绕射系数设，对长方潜体可取V=2.7[17]。、为波浪荷载作用位置的坐标。对于波数，采用线性波假设，满足弥散关系：

拖航阶段一共可以分为10段航路，如图5所示，取其中7段航路开展了波浪特征观测。提取包含时间的项，其余公式用符号表示，则波浪荷载可以简化表示为：

图5 拖航路线划分

拖航过程中，求解和的过程如表1所示。

表1 拖航阶段波浪荷载求解过程

虽然拖航过程中1和均随拖航过程不断变化，但考虑到迎波面和背波面波浪荷载对结构影响不大，可以取两个极限状态进行校核，即令1=2=与1=2= –。

在位服役阶段下波浪荷载的计算与拖航阶段相似，承载能力极限状态下的波浪参数取0.1%最大波高100年重现期，正常使用状态下的波浪参数取3%最大波高1年重现期。在位服役阶段波浪荷载计算所需参数如表2所示。

表2 在位服役阶段波浪荷载计算参数

2.1.4 海流荷载计算

海流荷载依据《海上移动平台入级规范》[16]计算。当只考虑海流作用且采用绕射理论计算波浪荷载时，作用在平台水下部分构件的海流载荷可按式（10）计算，并和波浪荷载矢量相加：

式中：D为曳力系数；w为海水密度；为设计海流流速；为构件在与流速垂直平面上的投影面积。D的计算参考《海港工程设计手册》[18]。拖航阶段按漂浮矩形梁考虑，水流力系数取2.32，淹没深度影响系数取0.70，最终的曳力系数取1.624。对于在位服役阶段，水流力系数取1.10，淹没深度影响系数取0.70，最终的曳力系数为0.770。对于拖航阶段，结构所受海流荷载主要沿拖航方向，且由牵引绳承担，不会对结构整体产生影响，但会在牵引部位产生比较大的集中应力，后期精细分析时需要予以考虑。对于在位服役阶段，重现期100年下平均流速为1.19 m/s，对于承载能力极限状态海流压力取0.55 kPa；重现期1年下平均流速为0.81 m/s，对于正常使用极限状态海流压力取0.25 kPa。

2.1.5 基底反力计算

本项目的基础施工流程为：a）沿岸边建造板桩支护墙；b）平台安装位置移除约13 m厚度的土层；c）填充一层均匀的砂/碎石排水层；d）在排水层上安放平台；e）在平台和板桩支护墙内填充回填土。

由于冰荷载可能大于平台基础的水平方向抗剪承载力，因此需要在靠近海岸的地方进行基础回填。根据前文冰荷载的计算结果，结合施工现场原位土体试验，填充高度定为11.6 m，土体压力为223.8 kPa。

由于平台结构刚度明显大于基础刚度，故基底反力可采用文克尔地基模型进行计算。假定地基上的压应力与地面变形符合下述关系：

=（11）

式中：为基底的弹性模量，根据现场原位试验，可取635.5 kN/m3。

2.1.6 温度荷载计算

实际温度分布情况较为复杂，需对温度荷载进行一定的简化，本文仅考虑冬天、夏天以及全年平均三种温度分布工况。根据位置的不同，可以将温度场简化为如下四种温度，不同工况下的温度分布如表3所示：a）水温，即海水温度，假设平台结构内的空气温度以及压载水温度等于海水温度；b）气温；c）地基温度，全年均取1 ℃；d）LNG温度，LNG储罐温度全年取4 ℃。

表3 不同工况温度分布

构件温度取两侧环境温度的平均值，以冬天工况为例，不同构件的温度如图6所示，标红的构件为平台在该温度下的全部构件。

图6 冬季不同构件温度分布

2.2 荷载工况组合

关于重力式混凝土平台的荷载工况组合，目前多个国内外组织和协会，包括中国船级社（CCS）、国际标准化组织（ISO）、挪威船级社（DNV）、美国石油协会（API）以及欧盟（EN）等，制定的行业规范给出了组合建议。

中国船级社的相关规范主要包括《海上固定平台入级与建造规范（1992）》[19]和《海洋移动平台入级规范（2020）》[16]两部。对于固定平台，可以将荷载分为三类，环境荷载、使用荷载以及施工荷载。其中环境荷载包括风荷载、波浪荷载、海流荷载、冰荷载以及地震荷载。规范中特别指出，混凝土平台结构还应额外考虑温度荷载、结构基础底部的不均匀沉降和海底不平引起的变形载荷、混凝土蠕变和收缩引起的载荷以及钢筋的预应力引起的载荷。荷载组合时应至少包含以下三种荷载组合，极端环境条件的重现期一般不小于100年：a）最大的使用荷载+工作环境条件；b）最大的使用荷载+极端环境条件；c）最小的使用荷载+极端环境条件。

国际标准化组织的相关规范主要包括ISO 19901–1– 2015[20]、ISO 19903–2019[21]和ISO 19906–2010[12]。ISO 19901介绍了风荷载、波浪荷载以及海流荷载的计算理论。ISO 19903–2019和ISO 19906–2010中将荷载分为四类：环境荷载、永久荷载、可变荷载以及偶然荷载。其中环境荷载包括波浪荷载、海流荷载、风荷载、地震荷载及冰荷载；永久荷载包括结构重量、永久压舱物和设备重量、外部和内部的静水压力以及上述荷载引起基础的响应；可变荷载包括人员荷载、储存货物以及和生产有关的荷载等；偶然荷载包括突然掉落的物品、火灾以及爆炸等。两本规范对于不同荷载种类的选取方法大致相同，但是ISO 19906–2010对荷载组合的定义相对更细致，对于正常使用极限状态和疲劳极限状态，满足规范ISO 19903–2019要求即可，但对于承载能力极限状态和偶然极限状态还需额外满足ISO 19906–2010的要求，可见极地环境下对极端环境的校核应该更加谨慎。

挪威船级社的规范主要包括DNVGL-RP-C205[22]、DNV-Os-C502[23]和DNV-Os-C503[24]。DNVGL-RP-C205对海洋工程中的风荷载、波浪荷载、海流荷载和潮汐荷载提出了计算建议，并特别强调了波浪和海流荷载对大体积结构的作用，建议对大体积结构进行风、浪和海流的耦合水动力分析及空气动力分析。DNV-Os-C502和DNV-Os- C503荷载分项系数的选取与ISO 19903一致，但是DNV-Os-C502更明确地规定了环境荷载的具体组合方式。

美国石油协会的规范API RP 2N[25]在ISO 19906的版本上进行了修改和补充，此外还特别指出对于混凝土结构可参考规范ISO 19903。规范中关于荷载组合和荷载工况的定义与ISO 19906一致。

欧洲规范EN 1992-1-1–2004[26]中没有特定针对海洋结构或海洋混凝土结构的规范，仅针对混凝土结构的设计给出了建议，其中荷载组合的计算方法与中国GB 50010—2010[27]类似。极限状态可以分为承载能力极限状态和正常使用极限状态两类，每种极限状态下仍需考虑不同的设计状况。承载能力极限状态包括持久或短暂设计状况的作用组合、偶然设计状况作用组合以及地震状况作用组合；正常使用极限状态包括标准组合、频遇组合以及准永久组合。

2.3 荷载组合选取

通过对当前行业规范进行梳理可以发现，我国船级社的规范中并没有提出海洋环境下荷载的分项系数，仅针对荷载组合方式和荷载种类给出了建议。相较而言，国外的规范多直接采用ISO规范中的荷载组合和分项系数，而挪威船级社根据其丰富的极地建造经验，对不同环境荷载的组合方式给出了详细的建议。为了更好地反映结构的实际受力状态，在有限元计算中不考虑荷载分项系数。不同极限状态下的荷载种类选取如表4所示，不同设计工况下选取的荷载组合如表5所示。

表4 荷载种类选取

表5 荷载工况组合

3 结构有限元分析

3.1 有限元分析模型

在建造过程中，重力式混凝土平台除LNG顶板外的永久性结构构件使用了LC50轻骨料混凝土，LNG混凝土顶板采用了C55修正密度混凝土。LC50轻骨料混凝土的密度为1.92×103kg/m3，弹性模量取22 GPa，泊松比取0.2；C55修正密度混凝土密度为2.25×103kg/m3，弹性模量取32 GPa，泊松比取0.3。钢筋牌号为HRB500，密度取7.85×103kg/m3，弹性模量取206 GPa。

混凝土平台墙板中的配筋布置分为7种配筋形式。钢筋均采用ϕ20钢筋，在中性轴两侧双向配筋，保护层厚度取60mm。表6为配筋信息。

表6 构件配筋信息

表7 预应力筋信息

利用ABAQUS建立有限元模型。有限元网格尺寸取2 m，单元种类选择8节点厚壳单元和6节点厚壳单元，钢筋和预应力筋利用rebar layer功能建模。对于拖航阶段，限制宽度端水平方向位移；对于就位安装阶段和在位服役阶段，限制底部水平方向位移。用弹簧约束模拟底部的静水压力和地基压力。对于重力式混凝土平台，正常使用极限状态和承载能力极限状态可以按线弹性校核[28]。

3.2 拖航阶段校核

拖航过程中的荷载包括最小操作重量、结构自重、静水压力、风荷载以及波浪荷载。

图7 风荷载和波浪荷载分布

荷载工况仅校核包含永久荷载、可变荷载以及环境荷载的承载能力极限状态。实际情况中风和波浪的方向具有随机性，选择图8两种较危险状况进行校核。

图8 拖航阶段危险情况

通过对四种荷载组合进行校核，危险情况a（中拱）为最危险工况，其有限元模型计算结果如图9所示。最大面内主拉应力为112.6 MPa，但仅仅在拖拽区域局部产生，后期设计时应布置合适的拖拽组件，避免应力集中。

3.3 就位安装阶段校核

就位安装过程包含两种状态，一种为结构开始下沉的状态，另一种为结构在海底保持水平稳定的状态。设计荷载包括最小操作重量、结构自重、静水压力及压载水重量。其中，压载水重量需考虑以下两种情况进行计算：

1）结构刚好触底时的压载水重量，对应结构开始下沉的状态，此时结构的压载水仅存储中央压载水存储仓中。施加结构触底时实际的荷载工况，在结构底部添加弹簧约束。调整压载水重量，当结构整体不出现沉降时，结构便处于刚好触底的状态。

图9 拖航阶段危险情况a（中拱）有限元计算结果 MPa

2）保证基础不发生水平滑移的压载水重量，对应结构在海底保持水平稳定的状态。相较于情况1），压载水除了分布于中央压载水存储仓中，还分布于悬臂部位压载水存储仓，同时储罐重量也可以提供压载。此时结构靠压力作用在基底产生的抗剪力抵抗水平荷载。

对于第一种状态，有限元模型计算结果表明压载水压力为200 kPa时，模型几乎不发生沉降，即结构处于刚好触底的状态。此时压载水总重2.35×108kg，压载水液面高度为20.00 m。

对于第二种状态，上部组块取最小重量，储罐容量取最小储量，结构底部剪力由挡土墙压力、冰荷载、风荷载以及波浪荷载产生，其在结构上的作用关系如图10所示。

图10 结构水平方向的荷载作用

其中冰荷载大小为3.40×105kN，波浪荷载大小为3.51×104kN，海流荷载大小为1.28×103kN，风荷载为1.36×103kN，挡土墙压力为1.04×106kN，静水压力为3.84×105kN。经计算底部最大剪力为为7.5×105kN。

记基底反力为，则结构不发生滑移的条件为：

计算得到最小基底反力为=1.20×106kN。由储罐重量、悬臂压载水重量产生，其中储罐质量为1.59×107kg，则额外所需压载水质量为1.04×108kg。悬臂部分压载水总重为1.33×108kg，满足稳定性要求。

3.4 在位服役阶段校核

在位安装过程中的荷载组合如表8所示。

表8 在位服役阶段荷载组合

其中永久荷载包括平台自重、挡土墙压力以及压载水重量。可变荷载包括上部组块重量以及储罐容量。环境荷载包括静水压力、波浪荷载、风荷载、冰荷载、海流荷载以及温度荷载。静水压力作用在除挡土墙外的结构四周，风荷载作用悬臂结构以上部分，波浪荷载分布与拖航阶段相同，冰荷载方向与风荷载方向相同，不计入平均环境荷载。实际情况中风和波浪的方向具有随机性，选择图11所示两种较危险的状况进行校核。

图11 在位服役阶段危险情况

由于冰荷载发生在冬季，波浪荷载和风荷载较大的工况均出现在冬季，因此在承载能力极限状态校核时按冬季施加温度荷载。对于正常使用极限状态，施加全年平均温度荷载。

在上述承载能力极限状态中，有限元计算结果表明在工况1危险情况b中，结构的最大面内主应力达到最大，其有限元模型计算结果如图12所示。该状态下最大面内主应力出现在顶板中，后期深化设计时可以通过布置预应力筋降低应力水平。对于正常使用极限状态，高度方向沉降为0.34～0.52 m，长度方向变形为–9.3～14 mm，其中工况3危险情况a具有更大的变形，其有限元模型计算结果如图13所示。

图12 在位服役阶段工况1危险情况b有限元计算结果 MPa

图13 在位服役阶段工况3危险情况有限元计算结果 mm

4 结 论

本文以某工程为例，介绍了极地冰区环境下重力式混凝土驳船平台典型荷载的计算方法，参考多国行业规范给出了平台结构荷载工况组合，并在此基础上开展了混凝土平台拖航—安装—在位服役全过程有限元模拟。主要研究结论如下：

1）计算了重力式混凝土驳船平台的冰荷载、风荷载、波浪荷载、海流荷载、基底反力以及温度荷载，其中风荷载和海流荷载的计算理论较为成熟。比较了Q/HSn 3000和ISO 19906中关于挤压冰荷载的计算方法，ISO 19906中的计算公式更加保守。波浪荷载采用了拟静力的计算方法，可忽略时间项的影响。基底反力及温度荷载根据平台的具体受力模式进行了计算。

2）比较了中国船级社（CCS）、国际标准化组织（ISO）、挪威船级社（DNV）、美国石油协会（API）以及欧盟（EN）关于重力式混凝土平台的设计规范。我国船级社给出了平台设计中所需考虑的荷载种类以及三种基本的荷载组合。国外的规范大多以ISO规范为基础，给出了更加详细的荷载组合方法，其中挪威船级社因为极区施工经验丰富，给出了更详尽的环境荷载组合选取建议。参考上述规范，可选取共计12种荷载组合对结构进行校核。

3）平台的使用全过程包括拖航—安装—在位服役三个阶段，本文开展了三个阶段的全过程有限元模拟。全过程有限元计算结果表明本项目中重力式混凝土平台具有可行性，但存在局部面内最大拉应力过高的情况，深化设计时需要合理布置预应力筋。此外，深化设计中还需进行局部精细有限元分析，如果有条件还应对爆炸冲击荷载、船撞荷载等偶然荷载工况进行单独验算。

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[28] WIDIANT O, CHICHESTER J, YOUNAN A, et al. Hebron platform: innovative design and efficient execution[C]//Arctic Technology Conference. Houston, Texas: 2018: 1-21.

Structural Analysis and Whole-Process Simulation of Ultra-Large Concrete Gravity-Based Structure in Arctic Ocean

XIE Chongfeng1WANG Ninghui2FENG Peng1LIN Hongwei3DING Guozhen1

(1.Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2. Jinhai Recovery Factrory Under Liaohe Oilfield of CNPC, Panjin 124000, China; 3. Beijing Jiaotong University, Beijing 100084, China)

Oil and gas energy is abundant in Arctic region, which has a great exploitation potential. Concrete gravity-based structures have a board future to be installed in the ocean due to its advantages of high degree of integration and exceptional durability. The calculation methods for ice load, wind load, wave load, ocean current load, foundation reaction, and temperature load were provided in the study based on an oil and gas exploration project in the Arctic region. For the load combinations of gravity-based platforms, standards in China Classification Society (CCS), International Organization for Standardization (ISO), Det Norske Veritas (DNV), American Petroleum Institute (API) and European Union (EN) were introduced to select load types. Then the load combination of the project was defined. Besides, the whole-process structural analysis for towage, installation, and on-site service was carried out by finite element method, verifying the reliability of the platform.

Arctic; gravity based platform; load calculation; load combination; finite element method

谢崇峰, 王宁辉, 冯鹏, 等. 超大型极地海上重力式混凝土平台结构分析及全过程模拟[J]. 工业建筑, 2024, 54(1): 46-55. XIE C F, WANG N H, FENG P, et al. Structural Analysis and Whole-Process Simulation of Ultra-Large Concrete Gravity-Based Structure in Arctic Ocean[J]. Industrial Construction, 2024, 54(1): 46-55 (in Chinese).

10.3724/j.gyjzG23100822

*国家自然科学基金项目：海洋工程结构用高耐久大尺寸纤维增强复合材料构件设计理论与方法(U2106219)；北极低温区域LNG工厂及模块设计建造关键技术研究(2019B-3203)；新基石科学基金会：科学探索奖。

谢崇峰，男，1998年出生，博士研究生，研究方向为海洋混凝土结构。

冯鹏，男，1977年出生，研究方向为新材料结构与新型结构，fengpeng@tsinghua.edu.cn。

2023–10–08