馬東
摘 要:本文介紹了海上導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的倒塌原理,闡述了Pushover分析方法。利用海工建模軟件建立海上導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)并施加基本載荷和環(huán)境載荷,計算出結(jié)構(gòu)構(gòu)件所受波浪力,在非線性分析軟件中,逐級增加該波浪力,直至結(jié)構(gòu)發(fā)生倒塌破壞,得到其極限承載力,并得出了結(jié)構(gòu)的安全儲備系數(shù)及薄弱位置,為將來固定式海工結(jié)構(gòu)物及海上風(fēng)電基礎(chǔ)的安全性計算和延壽分析提供了參考。
關(guān)鍵詞:導(dǎo)管架;Pushover;波浪載荷;儲備系數(shù)
引言
導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)整體性好,承載能力較高,對打樁設(shè)備要求較低,且其整體結(jié)構(gòu)是在陸上預(yù)制而成,施工相對方便,在海上采油平臺及風(fēng)電基礎(chǔ)中得到了廣泛的應(yīng)用。
當(dāng)結(jié)構(gòu)超過其設(shè)計使用壽命時,可以做報廢處理,也可通過不斷升級改造和加固,延長其使用壽命。由于海洋環(huán)境的影響和意外情況的發(fā)生,結(jié)構(gòu)在長期使用中勢必會受到一些損傷破壞,從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)強度下降,影響平臺的安全性能。因此,對該類結(jié)構(gòu)尤其是老齡結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限承載力研究則十分重要。極限承載力研究平臺結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險評估的最重要的手段和方法。
1 基本理論
海上平臺結(jié)構(gòu)或風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,冗余度較高,屬于高次超靜定結(jié)構(gòu),冗余桿件的存在為整體結(jié)構(gòu)提供了較大的強度保障,但結(jié)構(gòu)構(gòu)件在制作、安裝及服役期間都有可能受到碰撞損傷、腐蝕、變形和疲勞破壞等,部分桿件的失效會引起整個結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重新分布,從而使結(jié)構(gòu)的非線性表現(xiàn)突出直至結(jié)構(gòu)達(dá)到極限受損失效,極限承載力下降。因此該類結(jié)構(gòu)物的安全風(fēng)險評估必須研究結(jié)構(gòu)體系的極限承載力。
基于非線性結(jié)構(gòu)分析軟件對導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行極限承載能力分析,對結(jié)構(gòu)施加環(huán)境載荷,采用增量方式對環(huán)境載荷進(jìn)行逐級放大,直至其發(fā)生倒塌其間主要經(jīng)歷屈服、塑性鉸、桿件失穩(wěn)、應(yīng)力重分布、承載極限、結(jié)構(gòu)倒塌等過程。
首先利用建模軟件建立有限元結(jié)構(gòu)模型,并利用水動力分析模塊進(jìn)行波浪載荷的計算,得到結(jié)構(gòu)T.FEM文件及載荷L.FEM文件,將T文件及L文件合并為新的FEM文件。將該新文件導(dǎo)入非線性分析軟件中,定義合理的工況組合及載荷步控制參數(shù)并進(jìn)行計算,通過逐步加載的方式得到計算結(jié)果。
2 Pushover分析計算
2.1 結(jié)構(gòu)模型
結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系:采用笛卡爾坐標(biāo)系,北向為X軸正向,西向為Y軸正向,垂直水面向上為Z軸正向,并取泥面處為Z=0,力和長度單位分別采用kN和m。
選取的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)共有5個水平層,外部4根弦桿均為雙傾設(shè)計,其中75m高度以上部分直徑為2.2m,75m高度以下部分直徑為3.2m。分別在高度為5m、40m、75m、105m及135m處設(shè)置水平X型支撐,并在各高度之間設(shè)置垂向X型支撐。另外,在高度為5m、105m、135處設(shè)置水平橫向支撐,4個弦桿頂部分別設(shè)置4個NODEMASS,模擬甲板載荷,每個NODEMASS的值為5000t,結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為25491.5t。整個結(jié)構(gòu)包含53個節(jié)點,共劃分128個單元。計算中每個桿件作為一個單元,因此模型所劃分的單元數(shù)比其他軟件大大減少,縮短了計算時間。本次分析暫不考慮樁土作用,因此可在每個導(dǎo)管腿底部設(shè)置6個自由度的彈簧約束模擬土壤對結(jié)構(gòu)的作用,圖1即為結(jié)構(gòu)的有限元模型.
2.2 載荷
(1)基本載荷:
作用在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)上的基本載荷包括結(jié)構(gòu)的自重、甲板上的設(shè)備重力(已用NODEMASS模擬)及其所受到的浮力。
(2)環(huán)境載荷
本次模擬僅考慮Y方向正向的波浪載荷及流載荷。波浪周期為T=15s,波高H=28m,方向為Head=90°。波浪載荷的計算采用Stokes五階波理論,由于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的構(gòu)件均為細(xì)長結(jié)構(gòu),因此采用Morison公式計算載荷。
2.3 計算結(jié)果
本報告中,首先在結(jié)構(gòu)上陸續(xù)加載結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備載荷和浮力作用,在這三個載荷作用之后,再繼續(xù)加載波浪載荷及流載荷,對于波浪載荷程序可以自動搜索得出所有相位角對應(yīng)的作用力最大的波浪載荷,并以此確定環(huán)境載荷作用下導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)所受的最大基礎(chǔ)剪力,即參考載荷,此后,逐漸加載參考載荷直至結(jié)構(gòu)倒塌,結(jié)構(gòu)倒塌的標(biāo)志是其所受的基地剪力趨于平緩或開始下降,倒塌時的基底剪力決定了結(jié)構(gòu)的強度儲備系數(shù)。
分析過程中,當(dāng)結(jié)構(gòu)加載至參考載荷的5.74倍時,結(jié)構(gòu)開始出現(xiàn)倒塌,此后控制點的位移在增大,結(jié)構(gòu)的基地剪力卻在逐漸減小,即該結(jié)構(gòu)的強度儲備系數(shù)為5.74。
圖2所示為結(jié)構(gòu)Pushover分析結(jié)束時的變形圖,由圖中可以看出,結(jié)構(gòu)破壞的位置是75m高度處至105m高度處的X型支撐,最后發(fā)生斷裂,即該處的桿件強度較為薄弱。
結(jié)論
(1)本文所分析導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的安全儲備系數(shù)為5.74;
(2)該結(jié)構(gòu)的薄弱位置為75-105m高度處的垂向X支撐,在類似結(jié)構(gòu)的實際設(shè)計中可以作為參考;
(3)本文的研究方法可以推廣到其他固定式海洋結(jié)構(gòu)物的安全和風(fēng)險分析中,對導(dǎo)管架平臺類結(jié)構(gòu)物在服役期間的安全評估及維修加固具有一定的指導(dǎo)意義。
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(作者單位:明陽智慧能源集團(tuán)股份公司)