基于性能理念的導管架平臺阻尼隔震技術及優化

劉 洋, 金 嶠, 周 晶

(大連理工大學,大連 116024)

基于性能理念的導管架平臺阻尼隔震技術及優化

劉 洋, 金 嶠, 周 晶

(大連理工大學,大連 116024)

基于性能的抗震設計理論,提出了面向海洋平臺結構的地震設防水準和性能目標,并闡述了平臺結構失效模式及量化判別依據。針對勝利油田CB32A導管架平臺的特點,在端帽與平臺甲板之間設置阻尼隔震層,利用ANSYS有限元數值分析平臺,對該導管架式海洋平臺的阻尼隔震體系在設計地震及罕遇地震兩種作用下的實際抗震性能水平進行分析,并對目標性能達標情況進行評估和結構優化。研究結果表明,隔震技術是海洋平臺一種有效的減振控制手段,該平臺能夠滿足結構的性能目標;對其進行截面優化設計也能在保證結構安全的前提下大幅度減少鋼材的用量。

基于性能;導管架海洋平臺;阻尼隔震;地震作用;優化設計

Abstract:Based on the performance-based anti-seismic design theory,the seismic fortification criteria and structure performance objectives for jacket platform are proposed,structure failure mode of the platform and quantified discrimination are also described.According to the characteristic of CB32A jacket platform of Shengli oil field,a damping isolation system is laid between the jacket cap and the platform deck.Using ANSYS finite element software to analyze actual seismic performances of damping isolation system under two diferent levels earthquakes input force,and situation of the objective performances is also evaluated,the structure is optimized.The result shows that damping isolation system is an effective method for jacket platforms,the performance objectives can be matched well for the system,and steel can be greatly reduced by optimization design with the insurance of the platform safety.

Key words:performance-based;jacket platform;damping isolation;earthquake action;optimization design

0 前言

導管架式海洋平臺是目前應用最為廣泛的中淺海海洋平臺的結構形式,主要由導管架和上部組塊兩大部分組成,通過樁與海床連接固定,是海洋石油天然氣資源開發的基礎性設施。作為海上生產作業的主要生活基地,海洋平臺長期處在惡劣的海洋環境中,不時承受著風、波浪、海流、地震、冰等環境載荷的作用。其中,波浪和地震是兩種典型的動力荷載,能使導管架和上部甲板產生較大的位移和加速度,這不僅影響結構的安全和穩定,而且會降低平臺上部機械設備工作效率與威脅工作人員的生命安全。

基于性能的抗震設計思想是由美國學者于20世紀90年代初提出[1],它能使設計出的結構在未來的地震災害下維持所要求的性能水平,使結構設計從以往只注重結構的安全,到現今對結構的性能、安全、經濟等諸多因素的全面重視,即不僅要保證人的生命安全,還要注重結構的穩定和可恢復性,避免結構的倒塌帶來更大的經濟損失。

近年來,關于海洋平臺有效的結構振動控制方法研究取得了很大的發展,如利用 TMD、AMD、MR磁流變阻尼器和平臺端部隔震等方法,這對提高結構的抗震性能起到了很大的幫助。隨著海洋平臺的發展,基于性能的概念也應被應用到此類建筑上來。

本文基于性能的理念,分析了平臺結構的失效模式,并給出了量化判別依據,探討了地震設防水準和結構的性能目標。針對CB32A導管架式海洋平臺結構的特點,采用阻尼隔震方法,即在導管架端帽與上部甲板組塊之間設置柔性的阻尼隔震層,利用ANSYS有限元軟件建立數值模型進行地震作用下的時程反應分析,對平臺在性能目標上的達標程度進行了評估,研究平臺在不同的地震動荷載作用下、阻尼隔震層采用不同的阻尼和剛度參數時,阻尼隔震方法對平臺減振的有利影響。最后,對平臺在滿足安全條件下進行結構優化,在保證結構安全性能的前提下,節約了鋼材的用量,有較大的經濟效益。

1 阻尼隔震技術

導管架式平臺結構的阻尼隔震方案是在導管架端帽與上部組塊之間設置阻尼隔震層[2～4],見圖1。平臺結構的這種端部隔震手段是通過隔震層的集中變形,使阻尼耗能器能充分發揮作用,耗散結構的輸入能量,從而減小結構振動的反應。

阻尼隔震層由疊層橡膠隔震支座和阻尼耗能器組成,見圖2。隔震層的凈高一般為0.4 m～0.6 m,阻尼隔震層的側向剛度k2和阻尼系數c2是隔震層的兩個主要的設計參數,應根據導管架端帽的位移、甲板的加速度以及隔震層的最大相對位移等條件進行分析和設計。但目前還沒有確定性的設計方案,本文選用兩組隔震層參數進行計算。

2 結構失效模式及地震設防水準、結構性能目標

2.1 平臺結構失效模式

基于性能風險設計的基本工作是對結構的失效模式的分析。本文僅考慮在地震荷載作用下結構的主要風險目標,以此建立的多種失效模式以及相對應的量化失效判據(見表1),這為制定平臺的性能目標提供了量化性能依據。

表1 平臺結構失效模式及判別指標

2.2 地震設防水準和結構性能目標

由于受到近海海域地震研究程度的限制,我國尚未制定專業的海洋平臺的抗震設防規范。目前在地震活動性較高的海域內建造規模較大的構筑物,如石油平臺,都是參照《工程場地地震安全性評價技術規范(GB17741-1999)》、《建筑抗震設計規范(GB50011-2001)》和《海上平臺場址工程地址勘察規范(GB17503-1998)》中的有關規定進行設計,取50年內超越概率10%和0.5%(重現期為500和10 000年)分別作為海上平臺的強度設計和變形設計的概率水準。

然而,根據我國渤海海域和南加利福尼亞地震活動特征與地震危險性的對比分析,以及對渤海海域內石油平臺的分析計算可知[5],我國相關規范規定的海洋平臺設計水準偏于保守:設計地震水平(強度設計下)GB17503-1998規定的地震動值是 RP2A-WSDL規范的1.35～1.46倍;設計罕遇地震(變形設計下),GB17503-1998規定的值是RP2A-WSD規范的1.58～1.60倍。

根據美國API規范規定的海洋工程的抗震設防水準得出[6]:(1)強度設計水準地震的重現期取200年,相當于30年設計基準期內超越概率14%,基本與我國甲類建筑物要求相當;(2)變形設計水準的地震重現期1 000年,相當于30年內超越概率3%,與我國特大型橋梁的抗震水準持平。而 GB17503-1998規范的要求超過了我國甲類建筑物標準,尤其是變形設計水準已經高于三峽大壩的要求,太過保守。綜合以上原因,本文采用呂悅軍[5]等人選用的海洋平臺抗震設防水準(見表2),在考慮兩級地震動水平前提下,規定其相應的平臺結構性能目標滿足以下要求:(1)設計地震,滿足強度設計要求,結構與基礎在此種地震動下無顯著破壞;(2)罕遇地震,滿足變形設計要求,結構與基礎在此種地震動下無生命損失和嚴重污染,容許結構與基礎有一些損壞,但不至于倒塌。結構的性能水平劃分見表3。

表2 平臺抗震設防水準

表3 結構性能水平

按照兩級地震水準和“四檔”結構性能水平,結合海洋平臺結構的特殊性和重要性,可以將其抗震性能目標按表4劃分。

表4 平臺結構性能目標

3 基于性能理念的有阻尼隔震層的導管架平臺算例

3.1 CB32A導管架平臺數值模型

本文研究的目標海洋平臺是位于勝利油田的CB32A導管架式海洋平臺,其為典型的標準導管架海洋平臺,由平臺甲板、平臺支撐梁、平面撐、斜撐、樁腿等組成。場地條件為二類場地,設防烈度為8度。平臺工作點甲板標高為+12.500 m,平面尺寸為21.7×21 m2(分別是 X向與Y向),泥面以上的標高為-18.200 m,平面尺寸為18.84×16.84 m2,靜水位標高為±0.000 m。平臺下部為導管架結構,是平臺的主要支承部分,結構下部為四條樁腿。導管架在水下分兩個水平層,標高分別為-2.500 m和-18.200 m,此兩個水平層間有縱橫向的交叉斜撐,這使得結構抗側移的能力大大增強;水平面以上有一個水平層,標高為+4.200 m。在標高+4.200 m和-2.500 m之間沒有設置斜撐,相對薄弱。結構簡圖如圖3所示。

根據CB32A導管架平臺的的相關數據,利用ANSYS軟件建立有限元模型,見圖4。

利用ANSYS單元庫中的SHELL163單元模擬平臺甲板,BEAM188單元模擬平臺甲板上的主梁和次梁,PIPE59單元模擬泥面以上的導管架部分,PIPE16單元模擬泥面以下的樁腿結構,COMBIN14單元模擬樁-土之間的相互作用,MASS21單元模擬甲板上部組塊單元質量,COMBIN14單元模擬阻尼隔震層。坐標原點位于靜水面。

3.2 阻尼隔震層參數

根據對CB32A平臺結構的有限元模型進行動力特性分析,得到原結構的相關參數如下:

m=2981.751 T,k=1.2252×105kN/m,c=382.27 kN·s/m,結構基頻ω=1.0202 Hz

利用簡易化的兩自由度體系(見圖5),采用強行解耦法,得到第一振型阻尼比同c2的線性關系,隔震層參數根據以下原則確定[3]:(1)阻尼隔震層的層間位移不宜過大,務要滿足海上平臺施工工藝的要求;(2)當結構阻尼比大于20%時,增加結構阻尼比的減振效果不再明顯。

為了比較不同隔震層參數對結構的影響,以及其滿足性能目標的效果,本文針對CB32A平臺本身剛度較大的特點選取了兩組參數進行分析,見表5。

表5 CB32A平臺阻尼隔震參數

圖5 簡化的兩自由度體系

3.3 地震動輸入參數

根據對我國渤海海域地震活動特征的研究[6],動力分析時選擇了二類場地,按照我國 GB17503-1998規范對地震動參數的規定,分別選取地震加速度峰值為0.19 g(設計地震)和0.38 g(罕遇地震)的水平人工波和天津波,對CB32A平臺的有限元模型進行了地震加速度時程分析,其中荷載工況的輸入方向為Y方向。

4 地震荷載作用下CB32A平臺結構的性能評估

4.1 平臺結構安全

本結構鋼材的抗拉強度為σs=315 MPa,工作環境下容許正應力為[σ]=189 MPa,容許剪應力為 [τ]=126 MPa,考慮無隔震及隔震(分別考慮 k2=0.2k1、k2=0.5k1兩種參數)情況下的計算結果見表6。

表6 平臺單元應力分析結果

從以上數據可以看出:(1)在給定的荷載工況下,結構單元應力都遠小于材料的許用應力,都能達到結構在設計地震下安全正常使用無損害的性能指標;(2)增加隔震層之后,結構單元應力明顯減小,說明端部隔震是海洋平臺有效的振動控制方法;(3)本例中結構在罕遇地震下也能保證結構安全無損,說明結構安全冗余度較高,這與我國海上平臺設計較保守、所研究的荷載工況較簡單等情況有關,這為平臺結構的進一步優化提供了條件。

關于結構管節點的沖剪應力和結構構件的穩定性計算,也都能滿足結構安全無損的性能指標,且加隔震層之后的效果都比較明顯。

4.2 人員感受和平臺施工及設備要求

人員感受失效的主要指標就是甲板加速度,而施工工藝和上部機械設備工作要求則是甲板位移以及隔震層之后的甲板和端帽之間相對位移的大小,計算結果見表7。

表7 人員感受和機械設備的地震響應分析結果

由計算結果可知,端帽位移的減振效果大部分在70%以上,平臺結構不會出現倒塌事故,對平臺上部機械設備的影響應根據設備的具體要求來評估。甲板加速度減振效果達35%以上,即使在罕遇地震作用下也能達到20%以上,減振效果相當明顯。在水平方向地震作用下人員具體感受可參照表8。在地震作用下如果沒有阻尼隔震層,人員的生命安全會受到威脅;增加阻尼隔震層之后,雖然工效降低(或者不能工作),但人員的安全可以保證。其中,隔震層的剛度越小,隔震效果越好,人員越安全;隔震層剛度越大,人員的功效降低率會偏大,但人員的安全能得到保障。阻尼隔震層的層間位移的大小也會對平臺上部機械設備有一定的影響,故位移不宜過大。隔震層相對位移的大小不僅跟地震的大小和形式有關,也與隔震層的設計參數有關:橫向剛度越小,隔震層相對位移越大(但可能不會滿足海上平臺施工工藝和機械設備正常工作的要求);相反,橫向剛度越大,相對位移越小。層間位移的大小應該根據具體設備的要求來設計。

表8 人體在水平振動下感受的各個階段加速度臨界值表 單位:(m/s2)

5 平臺的優化設計

由上述工程實例的計算結果可知,導管架平臺在增加了阻尼隔震系統之后,結構的單元應力大幅度減小,平臺甲板的加速度和端帽的位移也明顯減小,既保證了結構的安全、機械設備不受損害,也保證了工作人員的安全。但結構的安全冗余度過高,對于以后如大規模開采海洋油氣資源而大量建造海洋平臺,在經濟上就會造成巨大的浪費,不符合我國國情。所以,本文對該平臺進行了基于地震作用的結構截面優化設計,優化模型為

表9 CB32A平臺優化結果

模型中:以導管架管的直徑和壁厚 D、t作為設計變量(DV);以導管架單元的容許應力、導管架端帽的位移、甲板的加速度、管徑和壁厚的上下限制作為約束條件 Gk(D、t),也即狀態變量(SV);W(D、t)為目標函數(OBJ),目的是使結構用料的總體積最小,從而得到最低的造價。

本文采用ANSYS軟件提供的子問題法(Sub-Problem)建立優化分析文件,對CB32A導管架平臺進行優化設計計算。考慮水平人工波和天津波的罕遇地震的極端荷載工況(0.38 g)。部分管截面尺寸及導管架材料總體積的優化結果見表9。

由以上結果可以看出,增加阻尼隔震之后的平臺,在能夠滿足結構、設備及人員安全的情況下,即使是極端地震荷載工況,也能節約25%以上的材料,這對于以后海洋平臺大規模的建造在經濟上提供了保證。

6 結論

我國海域遼闊,蘊藏著豐富的油氣資源。海洋油氣的大規模開發,使人類對海洋的利用越來越重視。故對長期處于惡劣海洋環境中的海洋平臺,我們要求在保證其結構安全穩定的前提下,還要考慮到人的生命安全,并避免不該造成的巨大的經濟損失。

根據以上情況,基于性能的抗震設計理念,本文在考慮地震作用條件下,針對海洋平臺結構的地震設防水準進行了探討,提出了平臺結構的性能目標,并結合CB32A平臺建立了有限元模型,研究阻尼隔震層的設置對平臺結構抗震性能的影響。結果表明,作為國內典型導管架平臺的代表,采用彈性設計的該海洋平臺結構抗震安全冗余度較高,在不采用隔震措施的情況下,遇到罕遇地震作用時能保證結構安全,但不能保證平臺上工作人員的生命安全;加裝隔震系統后,不但使結構各項應力峰值大幅降低,而且平臺端帽位移和甲板加速度的有效降低能提高平臺工作人員的安全度與平臺設備的完好率。最后,針對結構安全冗余度較高的情況,進行了結構的截面優化設計,能夠有效節省大量的材料。總之,隔震技術的使用對提高固定式海洋平臺的抗震安全性意義重大,結構的優化能為以后海洋平臺的大規模發展節省大量資源,滿足經濟的要求。

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Study and Optimization Design of Jacket Platform with Damping Isolation System Based on Performance Theory

LIU Yang, J IN Qiao, ZHOU Jing
(Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

TU 352.12

A

1001-4500(2010)02-0011-07

2009-09-10

劉 洋(1985-),女,碩士研究生,從事結構的振動控制研究。