地震-臺(tái)風(fēng)耦合作用下近海導(dǎo)管架平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)分析1

金宇航 閆培雷 郭恩棟 吳厚禮 何潤(rùn)澤 王曉娜

（中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所, 中國(guó)地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150080）

引言

我國(guó)渤海海域的油氣資源較為豐富，大部分油氣資源集中在淺海大陸架上，占我國(guó)石油年產(chǎn)量的1/3（薛永安等，2020），渤海海域布設(shè)了大量導(dǎo)管架海洋平臺(tái)用于開采海上油氣資源。渤海淺海海域豐富的油氣資源與該地區(qū)頻繁的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)，如郯廬斷裂帶晚期強(qiáng)烈地質(zhì)活動(dòng)形成了大量構(gòu)造圈閉儲(chǔ)藏油氣（萬(wàn)桂梅等，2009），但這也導(dǎo)致地震等災(zāi)害的發(fā)生。歷史上，渤海海域共發(fā)生有記錄的7 級(jí)以上地震4 次，6 級(jí)以上地震2 次，地震海嘯1 次（王健，2007）。雖然渤海海域緯度較高，但近年來(lái)時(shí)有臺(tái)風(fēng)發(fā)生，如2014 年的“麥德姆”臺(tái)風(fēng)，2019 年的“利奇馬”臺(tái)風(fēng)，2020 年的“巴威”臺(tái)風(fēng)。導(dǎo)管架平臺(tái)的設(shè)計(jì)使用年限一般都會(huì)達(dá)到15 年以上，存在部分超期服役的導(dǎo)管架平臺(tái)，如果地震和臺(tái)風(fēng)同時(shí)或先后發(fā)生，必然會(huì)對(duì)平臺(tái)造成損壞，甚至?xí)斐蓢?yán)重的次生災(zāi)害。作為渤海淺海海域海洋平臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)形式，生產(chǎn)中的導(dǎo)管架平臺(tái)如果發(fā)生破壞，當(dāng)?shù)刈匀画h(huán)境必然遭受嚴(yán)重破壞，產(chǎn)生重大安全事故。因此，對(duì)地震-臺(tái)風(fēng)耦合作用下的導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)力響應(yīng)分析具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)海洋平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了一系列研究。張光發(fā)等（2011）用解析方法分析導(dǎo)管架下水系統(tǒng)三維運(yùn)動(dòng)得到的數(shù)學(xué)模型優(yōu)化了導(dǎo)管架下水參數(shù)的計(jì)算；吳家鳴等（2009）對(duì)桁架式近海構(gòu)筑物進(jìn)行數(shù)值分析，結(jié)果表明結(jié)構(gòu)物對(duì)波浪的響應(yīng)主要取決于其自身尺寸與波浪環(huán)境參數(shù)；劉育豐等（2012）對(duì)渤海區(qū)域海洋平臺(tái)抗震設(shè)防經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)不同地震危險(xiǎn)性分區(qū)給出了設(shè)防參數(shù)；孫久洋等（2020）對(duì)比增量動(dòng)力法和耐震時(shí)程法對(duì)強(qiáng)震作用下的導(dǎo)管架進(jìn)行分析后，認(rèn)為耐震時(shí)程分析法的計(jì)算效率更高；董汝博等（2010）基于流固耦合理論對(duì)海洋儲(chǔ)油罐平臺(tái)地震反應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并與簡(jiǎn)化模型進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明采用流固耦合的方法更加精確；Wu 等（2018）通過(guò)在海洋平臺(tái)上加裝非線性磁力調(diào)制阻尼器進(jìn)行振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)調(diào)制阻尼器在寬頻段內(nèi)的抑制作用十分顯著且能解決平臺(tái)在大震下延遲響應(yīng)等問(wèn)題；張大勇等（2015）對(duì)鉆井平臺(tái)進(jìn)行冰激動(dòng)力響應(yīng)分析，并對(duì)冰振安全評(píng)估提出了建議；Sharma 等（2019）通過(guò)在導(dǎo)管架平臺(tái)上設(shè)置調(diào)質(zhì)阻尼器，分析其在地震和冰荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)果表明設(shè)置調(diào)質(zhì)阻尼器能夠有效減小平臺(tái)層的位移；朱本瑞（2014）進(jìn)行大型導(dǎo)管架平臺(tái)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，得到了平臺(tái)周圍風(fēng)場(chǎng)變化規(guī)律；左華楠（2017）分析了導(dǎo)管架平臺(tái)在惡劣風(fēng)浪條件下的動(dòng)力響應(yīng)，給出了其在不同水深和上浪高度下的響應(yīng)規(guī)律及甲板的應(yīng)力變化情況。目前，針對(duì)地震-臺(tái)風(fēng)耦合作用下海洋平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)分析的研究仍有待豐富。

針對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)這類重要工程，在地震、臺(tái)風(fēng)等自然災(zāi)害作用下的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、隱患排查和安全評(píng)估具有一定實(shí)際意義。本文針對(duì)地震-臺(tái)風(fēng)耦合作用下導(dǎo)管架平臺(tái)的安全評(píng)估，開展如下研究：

（1）通過(guò)Morison 方程及Stokes 五階波理論將波浪力、臺(tái)風(fēng)拖曳力施加至結(jié)構(gòu)上，建立運(yùn)動(dòng)方程；

（2）基于Abaqus 建立地震-臺(tái)風(fēng)耦合作用下的導(dǎo)管架平臺(tái)數(shù)值分析模型；

（3）對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)分析和非線性時(shí)程響應(yīng)計(jì)算，對(duì)數(shù)值模擬后得到的應(yīng)力、頂層位移角等結(jié)果進(jìn)行分析，并與美國(guó)石油學(xué)會(huì)（American petroleum institute, API）的相關(guān)規(guī)范和《海上平臺(tái)狀態(tài)評(píng)定指南》（GD 04-2005）（中國(guó)船級(jí)社，2005）中所要求的響應(yīng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估導(dǎo)管架平臺(tái)在地震-臺(tái)風(fēng)耦合作用下的安全性能。

1 地震-臺(tái)風(fēng)耦合環(huán)境下荷載施加基本理論

1.1 波浪力施加

對(duì)于流體中的剛架或桁架等構(gòu)件直徑較波浪波長(zhǎng)小的結(jié)構(gòu)，可通過(guò)Morison 方程求得結(jié)構(gòu)所受的波浪力，波浪力主要包括拖曳力和慣性力。流體的拖曳力與穩(wěn)態(tài)流的速度和特定波浪形式有關(guān)，慣性力與波浪的加速度有關(guān)。

流體在桿件軸向正交方向的拖曳力為：

流體質(zhì)點(diǎn)的相對(duì)速度沿桿件軸向正交方向分量為：

流體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)速度沿桿件軸向分量為：

流體質(zhì)點(diǎn)相對(duì)速度為：

式中，vf為流體質(zhì)點(diǎn)速度；vp為導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)速度；αR為結(jié)構(gòu)速度常數(shù)；t為沿著單元軸向的單位向量；ρ為流體密度；CD為拖曳系數(shù)；D為桿件外徑。

由于流體慣性引起的單位長(zhǎng)度上的慣性力為：

式中，CM為流體慣性系數(shù)；CA為附加質(zhì)量系數(shù)；afn為 流體在桿件軸向正交方向上的加速度；apn為流體在桿件軸向正交方向上的加速度。

1.2 臺(tái)風(fēng)荷載的施加

臺(tái)風(fēng)與波浪類似，也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拖曳力，但流體對(duì)結(jié)構(gòu)的拖曳力僅在液面以下產(chǎn)生，而臺(tái)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的拖曳力在液面以上結(jié)構(gòu)部分產(chǎn)生，且這部分結(jié)構(gòu)上的風(fēng)速要符合假設(shè)的風(fēng)速廓線，本文采用指數(shù)律風(fēng)速廓線模式。該部分拖曳力以靜力的形式施加在結(jié)構(gòu)上。

指數(shù)律風(fēng)速廓線為：

風(fēng)作用在結(jié)構(gòu)上的拖曳力為：

式中，u為風(fēng)速；為z0處 根據(jù)時(shí)間變化的風(fēng)速；z為 海面上任一位置距海面的距離，z=0 時(shí)為海面；z0為某一已知風(fēng)速位置距海面的距離；α為地面粗糙度指數(shù)；ρ為空氣密度；CS為形狀系數(shù)；A為結(jié)構(gòu)的受力面積。

1.3 運(yùn)動(dòng)方程建立

考慮地震-臺(tái)風(fēng)耦合作用下的結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程（何曉宇等，2007）：

環(huán)境荷載向量為：

式中，{FD}為 流體引起的拖曳力向量；{WD} 為臺(tái)風(fēng)引起的拖曳力向量；{FI}為流體引起的慣性力向量。

運(yùn)動(dòng)方程建立后，采用ABAQUS 中的動(dòng)力顯式分析方法，求解運(yùn)動(dòng)方程。

2 有限元模型建立

2.1 環(huán)境及導(dǎo)管架參數(shù)

本文選取渤海海域某導(dǎo)管架海洋平臺(tái)進(jìn)行分析（圖1）。平臺(tái)采用四腿導(dǎo)管架型式，導(dǎo)管架頂標(biāo)高5.0 m，底標(biāo)高-13.4 m，工作點(diǎn)標(biāo)高6.6 m。主導(dǎo)管采用Φ1 350×24 鋼管，成矩形布置。在標(biāo)高-4.0 m、-11.9 m 之間設(shè)豎向斜拉筋。平臺(tái)甲板共2 層，上層平臺(tái)梁頂標(biāo)高12.0 m，平臺(tái)主尺寸為18.5 m×19.0 m；下層平臺(tái)梁頂標(biāo)高10.0 m，平臺(tái)尺寸為7.6 m×7.3 m。

圖1 導(dǎo)管架平臺(tái)Fig. 1 Site photo of jacket platform

潮位選擇該海區(qū)不規(guī)則半日潮校核高水位3.08 m。對(duì)于地震-臺(tái)風(fēng)耦合作用的環(huán)境，由于波高較大，波面高度和水質(zhì)點(diǎn)速度采用Stokes 五階波理論，波浪波高選擇校核高水位最大可能波高8.0 m，波浪周期為8.6 s，浪向NE，臺(tái)風(fēng)風(fēng)向?yàn)閺?qiáng)風(fēng)向NW。根據(jù)《海港水文規(guī)范》（JTS 145-2-2013）（中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部，2013）的要求，本文流體拖曳力系數(shù)取1.2，慣性系數(shù)取2.0，地面粗糙度指數(shù)根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）（中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部等，2012）的要求，近海海面取0.12。風(fēng)荷荷載的形狀系數(shù)根據(jù)American Petroleum Institute（2014）取0.5。

2.2 導(dǎo)管架平臺(tái)有限元模型

本文采用ABAQUS/AQUA 模塊進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。AQUA 是ABAQUS 中專門應(yīng)用于海洋工程的分析模塊，可用于水下結(jié)構(gòu)或部分水下結(jié)構(gòu)上的穩(wěn)態(tài)流、波浪和風(fēng)荷載計(jì)算。波浪和風(fēng)的參數(shù)通過(guò)AQUA 模塊進(jìn)行錄入，拖曳力和慣性力通過(guò)子程序進(jìn)行施加。下部導(dǎo)管架用B31 單元進(jìn)行模擬，上部甲板用S4R 單元進(jìn)行模擬?？紤]到甲板上布設(shè)有設(shè)施和設(shè)備，通過(guò)質(zhì)量點(diǎn)來(lái)進(jìn)行模擬。在海床面以下的樁，采用固定約束進(jìn)行模擬。本模型共包含5 314 個(gè)梁?jiǎn)卧? 576 個(gè)殼單元。導(dǎo)管架平臺(tái)模型如圖2 所示。

圖2 導(dǎo)管架平臺(tái)有限元模型Fig. 2 Finite element model of jacket platform

導(dǎo)管架平臺(tái)材料選擇Q345 鋼，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.28，屈服應(yīng)力為345 MPa，考慮材料的塑性變形，塑性階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖3 所示，具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示（謝海波等, 2004）。

表1 Q345 鋼應(yīng)力-塑性應(yīng)變參數(shù)Table 1 Stress-plastic strain parameters of Q345

圖3 應(yīng)力-塑性應(yīng)變曲線Fig. 3 Stress-plastic strain curve

2.3 模態(tài)分析

對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)進(jìn)行模態(tài)分析，前8 階振型的自振頻率如表2 所示，由表可知前3 階的自振頻率較后面振型自振頻率小的多。前3 階振型如圖4 所示，第1 振型為y方向彎曲振型，第2 振型為x方向彎曲振型，第3 振型為扭轉(zhuǎn)振型。

圖4 導(dǎo)管架平臺(tái)前3 階振型Fig. 4 First three mode shape of jacket platform

表2 前8 階自振頻率Table 2 The first 8 order natural frequencies

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012），參考高聳結(jié)構(gòu)的基本自振周期經(jīng)驗(yàn)公式，鋼結(jié)構(gòu)取下式經(jīng)驗(yàn)系數(shù)中的較大值：

式中，H為結(jié)構(gòu)高度。

本文海洋平臺(tái)屬于鋼結(jié)構(gòu)，故取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)為0.013，結(jié)構(gòu)高度為25.4 m，按式（10）計(jì)算自振周期為0.33 s，即自振頻率為3.03 Hz，與模態(tài)分析得到的結(jié)構(gòu)自振頻率較為接近，說(shuō)明本文采用的導(dǎo)管架平臺(tái)建模方法合理可靠。

2.4 動(dòng)力響應(yīng)分析

2.4.1 地震動(dòng)選取

本文選取2008 年美國(guó)Chino Hills 海底地震動(dòng)CH08，震級(jí)Mw5.4，截取包含最大響應(yīng)的20s 地震動(dòng)時(shí)程，并對(duì)地震動(dòng)時(shí)程進(jìn)行濾波、調(diào)幅，得到0.10g、0.15g、0.20g和0.40g共4 種地震動(dòng)強(qiáng)度，其中0.20g和0.40g分別為設(shè)防地震動(dòng)強(qiáng)度和罕遇地震動(dòng)強(qiáng)度，通過(guò)基底進(jìn)行輸入。該地震動(dòng)x、y方向加速度時(shí)程如圖5所示。對(duì)地震動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，得到其加速度傅里葉譜（圖6），可見(jiàn)所選地震動(dòng)的卓越頻率與導(dǎo)管架平臺(tái)的基本頻率較為接近，符合最不利設(shè)計(jì)地震動(dòng)要求（翟長(zhǎng)海等，2005）。

圖5 地震動(dòng)加速度時(shí)程Fig. 5 Acceleration history of earthquake

圖6 地震動(dòng)加速度傅里葉譜Fig. 6 Fourier amplitude spectrum of ground motion acceleration

2.4.2 波浪可視化

為使臺(tái)風(fēng)作用下的大浪在數(shù)值模型中可視化，進(jìn)而更直觀的觀察地震-臺(tái)風(fēng)耦合作用下導(dǎo)管架平臺(tái)的響應(yīng)，本文在海面上建立了一個(gè)20 m×50 m 的平面，用表面單元進(jìn)行劃分，來(lái)模擬波浪的變化。不同時(shí)間下波浪的形態(tài)如圖7 所示。

圖7 不同時(shí)間下的波浪形態(tài)Fig. 7 Wave patterns at different times

2.4.3 地震-臺(tái)風(fēng)耦合工況

近年來(lái)，受臺(tái)風(fēng)影響的渤海海域風(fēng)速如表3 所示。本文選取2 種風(fēng)速，第1 種為近年來(lái)渤海海域出現(xiàn)的臺(tái)風(fēng)中風(fēng)速最大的“利奇馬”臺(tái)風(fēng)，其在山東登陸時(shí)風(fēng)速為23 m/s；第2 種為該導(dǎo)管架設(shè)計(jì)說(shuō)明書中重現(xiàn)期為50 年的3 秒鐘陣風(fēng)風(fēng)速，風(fēng)速為33.6 m/s。地震動(dòng)強(qiáng)度選擇0.1g、0.15g、0.2g和0.4g。本文共考慮10 種組合工況用于地震-臺(tái)風(fēng)耦合作用下的動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算，如表4 所示。

表3 渤海海域風(fēng)速Table 3 Wind speed of Bohai sea

表4 工況表Table 4 Table of working conditions

2.4.4 耦合作用下的動(dòng)力響應(yīng)

根據(jù)《海上平臺(tái)狀態(tài)評(píng)定指南》（GD 04-2005）結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析評(píng)價(jià)中的強(qiáng)度要求，參考American Petroleum Institute（2014）相關(guān)規(guī)定，構(gòu)件許用應(yīng)力按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，F(xiàn)y為構(gòu)件屈服應(yīng)力。

對(duì)于Q345 鋼，按上式計(jì)算得到其一般條件下構(gòu)件許用應(yīng)力為207 MPa。同時(shí)，API 規(guī)范規(guī)定，對(duì)于極端環(huán)境條件下的構(gòu)件應(yīng)力校核，許用應(yīng)力可相較于一般條件下構(gòu)件應(yīng)力校核提升70%，即允許少數(shù)構(gòu)件出現(xiàn)屈服，而沒(méi)有明顯的破壞發(fā)生。

10 種工況計(jì)算得到的最大應(yīng)力如圖8 所示，除工況8 外，其余9 種工況的最大應(yīng)力位置相同（圖10），而工況8 最大應(yīng)力位置在C、D 間的樁腿上（圖11）。工況8～10 的應(yīng)力云圖如圖12 所示，可以發(fā)現(xiàn)在地震-臺(tái)風(fēng)耦合作用下的導(dǎo)管架平臺(tái)最大應(yīng)力明顯高于地震或臺(tái)風(fēng)單獨(dú)作用下的最大應(yīng)力，此時(shí)導(dǎo)管架帽下的立柱應(yīng)力水平過(guò)高，接近屈服。

圖8 各工況下最大應(yīng)力Fig. 8 Maximum stress of each working condition

圖9 各工況下超指標(biāo)構(gòu)件數(shù)量Fig. 9 The number of over-indexed components under each working condition

圖10 最大應(yīng)力位置Fig. 10 Position of maximum stress

圖11 高度劃分Fig. 11 Division of height

圖12 典型工況應(yīng)力云圖Fig. 12 Stress nephogram of typical working conditions

由于鋼管構(gòu)件上的應(yīng)力相對(duì)較大，本文對(duì)80 個(gè)鋼管構(gòu)件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以207 MPa 為評(píng)估指標(biāo)，得到在20 s 的作用時(shí)間內(nèi)不同工況下超過(guò)該指標(biāo)的構(gòu)件個(gè)數(shù)，如圖9 所示。其中，工況2、4、6、7 超指標(biāo)構(gòu)件集中在導(dǎo)管架帽的4 根立柱處，即圖11 所示E 高度處的4 根立柱；工況8 超指標(biāo)構(gòu)件除導(dǎo)管架帽的4 根立柱處外，還集中在圖11 所示C、D 高度之間鋼管構(gòu)件處；工況9 超指標(biāo)構(gòu)件集中在圖11 所示C、D 高度之間；工況10 超指標(biāo)構(gòu)件集中在導(dǎo)管架帽的2 根立柱處。

對(duì)比工況1～6 ，當(dāng)風(fēng)速為23 m/s 時(shí)，導(dǎo)管架平臺(tái)的應(yīng)力水平較低，不存在超指標(biāo)構(gòu)件；當(dāng)風(fēng)速提高至33.6 m/s 時(shí)，導(dǎo)管架平臺(tái)的應(yīng)力水平顯著提高，超指標(biāo)構(gòu)件占比也隨著地震動(dòng)強(qiáng)度增加而提升，0.10g時(shí)占總構(gòu)件數(shù)的6.25%，0.15g時(shí)占總構(gòu)件數(shù)的10%，0.20g時(shí)占總構(gòu)件數(shù)的12.5%。

工況7、8 為罕遇地震-臺(tái)風(fēng)耦合作用下的極端環(huán)境條件。工況7 沒(méi)有構(gòu)件出現(xiàn)屈服，有5 個(gè)構(gòu)件超過(guò)評(píng)估指標(biāo)，占總構(gòu)件數(shù)的6.25%；工況8 有16 個(gè)構(gòu)件應(yīng)力超過(guò)評(píng)估指標(biāo)，占總構(gòu)件數(shù)的20%，其中有1 個(gè)構(gòu)件接近材料的屈服強(qiáng)度。相較于地震動(dòng)強(qiáng)度為0.10g、0.15g和0.20g的情況，在罕遇地震動(dòng)強(qiáng)度下，風(fēng)速的增大導(dǎo)致最大應(yīng)力的增幅相對(duì)減弱。

對(duì)比工況2、4、6、8 發(fā)現(xiàn)，在相同的風(fēng)速條件下，導(dǎo)管架平臺(tái)應(yīng)力水平有所上升，但相較同一地震動(dòng)強(qiáng)度下風(fēng)速增大，應(yīng)力水平增幅相對(duì)較小。

對(duì)比工況8、9、10 發(fā)現(xiàn)，地震-臺(tái)風(fēng)耦合作用下超指標(biāo)構(gòu)件個(gè)數(shù)明顯高于地震或臺(tái)風(fēng)單獨(dú)作用下的超指標(biāo)構(gòu)件個(gè)數(shù)。

綜上所述，地震-臺(tái)風(fēng)耦合作用對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)的安全性能有較大影響，尤其在臺(tái)風(fēng)風(fēng)速較快的情況下，必須考慮耦合作用的影響。

本文參考毛晨曦等（2018）對(duì)于通信鐵塔的損傷標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)損傷狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。選取導(dǎo)管架平臺(tái)頂點(diǎn)相對(duì)于基底的位移角（Relatively Displacement Angle, RDA）峰值作為評(píng)定導(dǎo)管架平臺(tái)損傷狀態(tài)的指標(biāo)，即RDA 為導(dǎo)管架平臺(tái)頂相對(duì)于基底的最大位移與平臺(tái)總高的比值，按下式進(jìn)行計(jì)算：

將導(dǎo)管架平臺(tái)頂所能達(dá)到的最大頂層位移角，即極限位移角，用R DAult表示；屈服位移角用R DAye表示；0.5 倍的R DAye用R DAud表示，采用表5 對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)損傷狀態(tài)進(jìn)行定義。

表5 導(dǎo)管架平臺(tái)損傷狀態(tài)Table 5 Definition of damage state of jacket platform

為確定導(dǎo)管架平臺(tái)的屈服位移角和極限位移角，對(duì)平臺(tái)施加側(cè)向倒三角形荷載，進(jìn)行靜力推覆分析。導(dǎo)管架平臺(tái)的Pushover 曲線如圖13 所示。

圖13 導(dǎo)管架平臺(tái)pushover 曲線Fig. 13 Pushover curve of jacket platform

依據(jù)導(dǎo)管架平臺(tái)損傷狀態(tài)定義，由靜力推覆分析得到各損傷狀態(tài)限值，判斷5 種工況作用下?lián)p傷狀態(tài)如表6 所示。

表6 各工況下導(dǎo)管架平臺(tái)損傷狀態(tài)Table 6 Damage state of jacket platform under each working condition

考慮到超指標(biāo)構(gòu)件主要集中在高度D、F 之間和高度B、D 之間，本文將選取的80 個(gè)鋼管構(gòu)件進(jìn)一步細(xì)分，分為28 個(gè)上部導(dǎo)管架帽構(gòu)件和52 個(gè)下部導(dǎo)管架構(gòu)件，對(duì)工況1、2、4、6 和8 進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表7所示。結(jié)果表明，當(dāng)導(dǎo)管架平臺(tái)處于基本完好時(shí)，沒(méi)有構(gòu)件超過(guò)指標(biāo)限值；當(dāng)處于輕微破壞時(shí)，導(dǎo)管架帽構(gòu)件超過(guò)指標(biāo)限值的比例小于1/4，導(dǎo)管架構(gòu)件超過(guò)指標(biāo)限值的比例小于1/20；當(dāng)處于嚴(yán)重破壞時(shí)，導(dǎo)管架帽超過(guò)指標(biāo)限值的比例小于1/4，導(dǎo)管架構(gòu)件超過(guò)指標(biāo)限值的比例小于1/5（表8）。

圖14 各工況下RDA 峰值Fig. 14 Maximum RDA of each working condition

表7 超指標(biāo)構(gòu)件數(shù)量統(tǒng)計(jì)Table 7 Statistics on the number of super-index components

表8 不同損傷狀態(tài)下超指標(biāo)構(gòu)件占比Table 8 Proportion of super-index components under different damage states

3 結(jié)論

針對(duì)近海導(dǎo)管架海洋平臺(tái)在地震-臺(tái)風(fēng)耦合作用下的響應(yīng)分析結(jié)果，可得到以下結(jié)論：

（1）地震-臺(tái)風(fēng)耦合作用下的導(dǎo)管架平臺(tái)安全性能明顯小于地震或臺(tái)風(fēng)單獨(dú)作用下的安全性能，尤其是在臺(tái)風(fēng)風(fēng)速較快的情況下，平臺(tái)損傷較為嚴(yán)重。

（2）絕大多數(shù)工況下的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在同一構(gòu)件處，在導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)做適當(dāng)加強(qiáng)，防止因局部構(gòu)件的破壞導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)倒塌。

（3）通過(guò)研究給出了導(dǎo)管架平臺(tái)損傷狀態(tài)的定量描述，為災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和現(xiàn)場(chǎng)搶修工作提供了參考依據(jù)。