海上固定式平臺結構安全儲備研究綜述

徐 徹，楊 飏

(大連理工大學 船舶工程學院，遼寧大連 116024)

為了給予設計結構足夠的安全度，一般采用的作法就是在設計過程中將認為結構需要承受的強度提高，例如，在進行結構構件設計時，對設計載荷乘以一個安全系數，這樣就使得結構構件具備了一定的“安全儲備”。基于這種思想，安全儲備的概念被提了出來［1］。而海洋平臺結構作為一種海上重要結構，暴露在復雜的海洋環境當中，長期受到惡劣的天氣環境以及諸多其它復雜因素的影響，有時還要承受極端的環境載荷、爆炸和地震等偶然載荷作用，因此海洋平臺的倒塌事故時有發生。英國北海Piper alpha平臺由于凝析油泄露的原因發生爆炸，如圖1所示，導致結構整體失效并最終沉沒［2］。EI-322 A平臺事故如圖2所示。該平臺由于受到Lili風暴作用影響，主體受到破壞而傾斜，并倚到相鄰平臺上。由于平臺受損過重而無法修理，最終被退役。據不完全統計，自1970年以來，世界范圍內造成海上人員傷亡的海上結構物破壞事故近600起，其中固定式平臺破壞事故就達到總體的五分之二，并造成了數百人死亡［3］。為了降低此類事故發生的可能性，降低事故對海洋環境造成的危害，保證經濟效益與人員安全，就需要平臺提供更高的整體安全儲備，因此海洋平臺結構的安全儲備研究就顯得十分必要。

圖1 北海Piper alpha平臺事故Fig.1 Accident of Piper alpha oil production platform

圖2 EI-322 A平臺事故Fig.2 Accident of EI-322 A platform

近年來，海洋平臺的安全儲備在國際上受到了足夠的重視。API［4］、DNV［5］與 HSE［6］等部門在通過多次對于整體安全性評價方法的修正、安全完整性評價標準的增補以及大量的實驗與模擬分析等過程，不斷深入討論不同海域下固定平臺結構的整體安全性，提高了平臺的抗倒塌能力與整體安全儲備。近年，我國對于海洋平臺結構的安全性也逐漸開始重視起來。但由于發展較晚，與國外相比仍有一定的差距。這個差距體現在很多方面:1)老齡平臺服役期較長，其剩余安全儲備的研究不夠深入;2)設計標準取自國外，常與我國海域不相符;3)遠海平臺設計缺乏足夠的環境資料與設計經驗等。

擬對海洋平臺結構安全儲備的相關研究進行對比和總結，綜述目前對于安全儲備的概念、劃分策略及性能指標的考慮，通過對比和總結，提出針對平臺結構安全儲備的研究方法、技術指標及分析思路。

1 安全儲備的概念

1.1 基本概念

一般認為，安全儲備是指結構和構件在遭受意外超載和意外事件時極限破壞狀態與設計目標狀態的比值［7］。

1.2 安全儲備的分類

由于結構的安全性與結構構件的狀態是時刻對應的，且對應于不同類型的結構形式與結構狀態，其安全儲備也不盡相同。因此，安全儲備的概念，應該根據不同的前提予以不同考慮。目前，對于安全儲備的分類如圖3［8-10］所示。

1.3 安全儲備的評價標準

圖3 安全儲備的分類Fig 3 . Categorization of safety reserve

安全儲備的表達一般是通過性能指標來描述的。從定義來看，其指標應為極限變量與設計變量之間的比值。對應于不同的性能，其極限變量的表示方法不盡相同。基于不同的材料特性、載荷形式與失效模式，如何更準確地描述結構構件的極限狀態，以及確定合理的極限變量指標，是目前安全儲備的主要研究方向之一。

安全儲備指標的大小可直接用于體現安全儲備量的大小，并可直接用于比較，具有較為明確的意義。對于不同分類方法下的安全儲備，也是通過不同類型的性能指標或其結合來綜合描述的。對于目前無法利用指標描述的部分安全儲備，現有的方法是通過研究其特性，并找到其相關的影響因素，對這些影響因素進行調控以達到提高該部分安全儲備的目的。目前，對于性能安全指標與部分安全儲備指標，已有學者進行了一些研究，并提出了一些相關參考值，用以對結構構件的安全度進行判斷。

1.4 安全儲備的性能指標

從性能上看，承載力安全儲備主要由承載力系數描述，定義為結構或構件最大承載力與設計目標實際受力之比，目前整體結構安全儲備的研究也主要集中于承載力安全儲備的研究范疇;而變形能力的安全儲備主要由延性系數來描述，定義為結構或構件的極限變形與屈服變形之比。傳統海工結構中的構件設計由于仍主要采用鋼結構設計，因此在目前的研究中仍以延性系數作為變形能力的安全儲備指標進行性能研究。

近年來，一些新型材料(例如:FRP材料)的使用，其性能與傳統鋼構件不同，當結構進入屈服后，仍主要體現為彈性變形。為了能夠描述新型材料的變形能力安全儲備，變形性系數的概念被提出，定義為極限曲率與混凝土梁受壓邊緣應變εc=0.001時的曲率的比值［11］。而這個定義由于僅適用于FRP配筋混凝土梁，因此有很大的局限性。為了擴充該指標的描述范圍，該指標又被定義為結構構件的極限變形與設計變形之間的比值［12］，以完成對于不同類型結構構件的綜合性描述。

另外，為了對于結構或構件的綜合性能安全儲備進行全面的描述，采用將承載力系數與變形性系數等性能指標的合理結合成為了目前研究的重點。目前，這類考慮了構件屈服后的延性儲備以及考慮結構在動力載荷作用下的變形能力儲備的綜合安全儲備評價思想才剛剛發展起來，因此在海洋結構中的應用較少。表1中回顧了現有的一些綜合性指標及其含義。

表1 綜合性能指標及含義Tab.1 Synthetic indices and index significance

2 基于確定性研究方法的平臺結構安全儲備

系統的安全性評估方法主要有確定性評估方法與可靠度分析和定量風險分析的概率方法兩類。兩種方法在海洋平臺結構的安全評估研究過程中都具有一定的意義。確定性評估方法主要基于對結構在載荷作用下失效過程的模擬，記錄結構的整體響應過程，并通過極限狀態與設計狀態下某變量的比值來進行安全儲備的定量分析。整體結構的確定性安全儲備研究主要基于靜力非線性分析(Pushover)方法。

2.1 構件層次的安全儲備

基于確定性方法的構件設計主要依照工作應力設計(WSD，working stress design)方法進行設計。對于構件的安全性校核，一般是利用安全系數K來體現構件的綜合安全儲備:

式中:σu為屈服應力，σ為載荷效應。安全系數K是對于構件安全性的綜合考慮，包括了很多的不確定因素。該指標簡潔實用，使構件強度有了一定的安全儲備，我國和國外的海洋平臺設計至今仍采用該設計方法。但對于具有塑性性質的材料，這種方法無法考慮其塑性階段繼續承載的能力，且對于其包含的各類不確定因素對于K指標的影響無法確定，因此K指標的大小只有靠經驗給出，無法進行定量的深入分析。

2.2 整體結構的安全儲備

2.2.1 儲備強度比

海洋平臺結構的安全性指標為儲備強度比RSR［4］。一般地，RSR可表示為

儲備強度系數定義為平臺結構的極限強度與設計強度的比值。在API規范中，RSR指標定義為平臺極限載荷與100年環境載荷的比值。RSR是固定式海洋平臺結構安全度評價中最為常用的安全儲備指標，其定義明確，能夠得到較為直觀的結果，因此RSR指標目前在對于冰載荷、波浪載荷或地震載荷等環境載荷作用下的確定性安全性評價中受到廣泛的應用。對于固定式平臺，當平臺結構安裝水深大于30 m時，宜用結構的傾覆力矩定義結構的儲備強度系數;安裝水深小于30 m時，采用結構基底橫向力定義強度儲備系數更為適合［15］。

圖4 Pushover法程序框圖Fig 4 . Program block diagram of Pushover analysis

對于RSR指標極限承載力的判定是目前研究的重點。目前的判定方法主要是根據一系列的“推倒”過程，通過靜力非線性結構響應分析來獲得結構的倒塌極限，即Pushover方法。Pushover分析的大致步驟如圖4所示。Pushover分析在理論上并不完備，無法考慮波浪作用時甲板上浪情況等問題，無法考慮到海上環境載荷的動力效應，在進行抗震研究時橫向載荷的加載方式也存在一定的爭議。但該方法過程簡單，計算方便，得到了業界的廣泛認可。美國ATC-40和FEMA273均將Pushover方法列入了抗震規范體系;美國API規范中也推薦Pushover方法作為平臺整體安全儲備的研究方法。近年來，英國HSE將原靜力載荷轉化為具有周期性的動力載荷，利用Abaqus軟件對Kittiwake平臺進行了一系列基于“動力Pushover方法”研究［16］。動力 Pushover方法符合目前確定性安全儲備研究的發展方向，但這種方法目前還尚不成熟，仍有待進一步研究與推廣。

肖儀清等人［17］針對老化平臺和有損平臺，提出了剩余儲備強度系數指標，該系數反映了在役平臺結構在當前有損狀態下的剩余儲備強度:

式中:Rs是平臺結構體系的儲備強度系數;Rr是剩余強度系數。結構的剩余強度系數是指受損結構倒塌載荷與設計載荷之比。剩余強度主要由結構當前損傷狀況、結構冗余度、構件利用率和構件的重要性等因素決定。Fud與Fd分別為結構在有損狀態極限載荷作用下和在設計載荷作用下的基底橫向力或傾覆力。當系數Rsr＞1時，有損狀態的平臺結構遭遇原設計載荷時不會倒塌。通常要求在役平臺的剩余儲備強度系數大于1.5。

剩余儲備強度指標的獲得方法與RSR類似，但由于考慮了缺陷、損傷和腐蝕等一系列因素的影響，因此需要在分析過程中對結構中構件節點的模型形式、尺寸與剛度等進行修正與調整，以達到模擬真實結構狀態的目的。通過對調整后的結構進行倒塌分析能夠得到在有損狀態下結構性能，還可以進行安全儲備的預測與評估、對平臺壽命進行合理估計以及維修的需求與策略等研究。

3 基于概率研究方法的平臺結構安全儲備

另一類評估方法是基于概率性評估方法的安全儲備分析，是目前研究的主要趨勢之一。Marshall P W和Bea G F［18-19］最先將結構可靠性理論運用到海洋平臺風險分析和環境載荷的標準選取中，為海洋平臺結構的可靠性研究奠定了基礎。其思想主要源于載荷的形式、分布與作用效應等不確定性因素，通過大量的環境數據與結構響應分析，計算得到結構的可靠性指標和失效概率等安全性相關變量。另外，由于動力方法下的倒塌分析僅通過一次或一條記錄下的作用分析無法體現結構整體的綜合安全性能，因此一般需要進行大量的動力載荷作用分析，并通過與概率方法的結合得到結構的安全儲備性能，因此仍可視為一種概率性方法。

3.1 構件層次的安全儲備

基于概率研究方法的構件設計主要依照載荷與抗力系數(LRFD)方法進行，其一般表達式為:

式中:Fi為由i載荷作用引起的名義載荷效應;γi為i載荷的作用效應分項系數;R為名義強度函數;φ為抗力系數;M、F和P分別描述了材料的差異性、制造的差異性與專業人員或公式的差異性。γi、φ、M、F和P共同組成了構件層次的安全儲備。LRFD方法是基于可靠度的設計方法，同時考慮了較多外界因素作用。因此這種方法對于構件層次的安全儲備描述較為合理。但由于環境資料的缺乏，結構響應特性分析不足，仍需要很長的時間才能夠制定出適宜中國海上環境的設計規范。

3.2 整體結構的安全儲備

3.2.1 倒塌安全儲備CMR(collapse margin ratio)

小企業競爭靠產品，大企業競爭靠文化。文化就是生產力，文化就是競爭力。廣汽研究院雖然建院才短短的十來年,但一直以來就提出和構建了自身的企業文化。在秉承廣汽集團的“人為本、信為道、創為先”、“至精.志廣”以及“創無止境 心有未來””的集團企業理念下，提出了廣汽研究院自身的企業文化精髓：愛崗敬業，享受工作；操守垂范，厚德自強；業務精湛，勤勉創新；辦事干練，執行得力；揮灑個性，團隊共進。

CMR是基于結構地震作用而提出的一個倒塌安全儲備指標。近年來，美國ATC委員會組織了一系列有關倒塌儲備系數的研究［20］。所謂倒塌儲備系數，就是比較結構的實際抗地震倒塌能力和設防需求之間的儲備關系［8］，表達方式如下:

式中:IM50%collapse為對應50%倒塌概率的地震動強度指標;IMMCE為結構設計大震對應的地震動強度指標。對于強度指標的選擇，除了傳統運用的PGA和PGV指標外，ATC-63建議利用結構第一周期地震影響系數Sa(T1)作為地面運動強度指標。關于CMR指標的研究目前仍主要集中于土木結構中，海洋平臺結構關于地震載荷的設防要求較為不足，平臺結構與載荷作用方式也可能與地上不同。因此，對于海洋平臺結構，相關指標是否可以直接照搬使用還有待進一步的討論。但由于目前由靜力分析下的安全儲備向動力發展的必然趨勢，相關的動力載荷下的安全儲備指標會在方法與描述范圍的深入研究與討論中逐漸明確。

CMR指標的獲得主要依靠增量動力分析方法 (IDA方法，incremental dynamic analysis)。目前，國際上對于平臺結構的地震響應已經開展了一些關于IDA方法的研究［21-22］。IDA方法主要針對于結構地震動力分析，其思想在1977年由Bertero提出，并在近十年間得到研究者的廣泛重視，成為抗震結構安全性能評估的一種有效手段［23］和結構整體抗倒塌能力的一種評估方法［24］。其主要思想是:對于多個記錄地震載荷進行不斷增幅，進行一系列的非線性時程分析，直到達到結構無法承受的最大動載荷為止，并進行統計分析，直到形成一條結構響應值與強度指標值形成的IDA曲線，用來判定結構在地震載荷下的結構性能。

3.2.2 基于極限波浪載荷作用概率的強度儲備

其安全儲備指標PRSR(probabilistic-based RSR)［25］可表示為:

式中:Vc為倒塌風險概率下的相關基底剪力。該指標相對于傳統RSR指標能夠得到與實際情況更為接近的強度儲備。

為了得到PRSR值，Glafshani等人［25］提出了PIWA(probabilistic incremental wave analysis)方法。其主要思想是:利用不同波高下的波浪載荷對于多個平臺模型進行橫向作用，對受到某一波高載荷作用下的平臺結構進行非線性靜力或動力分析(類似于Pushover方法或IDA方法)，產生一個針對不同波浪危險級別與結構響應的特定曲線，并結合年超出頻率與波浪高度之間的關系，得到基于倒塌風險概率下的基底剪力曲線。該方法考慮了甲板上浪的情況，并在一定波高范圍內對多個結構模型進行了波浪載荷作用的結構分析，因此更能反映平臺結構的真實倒塌模式。

3.2.3 基于可靠度的強度儲備

可靠度方法下的安全儲備［26］考慮了動態載荷系數和安全指標等參數對RSR值的影響。通過這種方法，Amari等人［27］對波斯灣海域環境的RSR指標進行了研究。其表達方法如下:

式中:Fe為動載效應系數;BS為最大橫向承載力的中位數偏差;BR為最大橫向載荷的中位數偏差。這些偏差系數的運用主要基于對實體的不確定性估計，體現為最好觀測值或實際值與預測值之間的比。β為安全指數;S為百年一遇波的設計載荷;σlnS為橫向最大環境載荷的對數標準差;σlnSR為環境載荷與工作載荷之間的組合值。這種評估方法是基于對RSR相關風險的評估。同時還考慮了財產、生產力、人員和環境等因素。此外，這種方法還考慮了結構延性，以及平臺結構的非線性響應。但是，由于該方法的RSR值是根據大量實際數據的綜合統計和經驗得出的，因此詳細的RSR指標值還有待總結。

3.2.4 基于模型修正系數法MCFM(model correction factor method)下的安全儲備

基于模型修正系數法的安全儲備［28］模型的極限方程可表示為:

式中:RSR0為初始的強度儲備系數，H100為百年一遇波高，Ws為某波高下的基底剪力或傾覆力矩，QS為波浪作用的負載效應，QD為甲板上浪的負載效應，XR為考慮了屈服強度下的抗力不確定性系數。這種方法首先建立一個簡化模型，通過不斷進行簡化模型的修正，最終形成一個復雜而完整的非線性模型，通過迭代確定最優的RSR值。其校準過程確保了簡化模型的相對準確性。并且，由于考慮了甲板上浪的模型以及波浪作用下的氣隙影響，這種方法相對于傳統Pushover方法具有一定的優勢。

4 海洋平臺安全儲備研究的思考

4.1 平臺結構安全儲備的動力分析

對于確定性方法中的RSR指標以及基于概率方法的分析思路中，“推倒”都是必不可少的過程。目前實現推倒的方法主要是從結構靜力非線性分析的Pushover思想發展起來。而實際上，諸如風、浪、流和冰等海洋環境載荷都是動力載荷，利用擬靜力分析方法有時無法準確描述平臺結構的整體抗倒塌能力，因此有必要采用動力分析方法對平臺結構的安全儲備進行研究。另外，根據海域的不同，平臺的控制載荷條件發生變化，導致結構失效的主要破壞形式也可能不同。這就使得安全儲備的分析過程與分析方法在不同外界條件前提下有所差異。因此，在安全儲備的動力分析中，還應該考慮到這方面差異對分析結果與分析方法所造成的影響。

目前，作者所在的團隊在采用動力Pushover方法、IDA方法以及PIWA方法對平臺結構進行動力分析的基礎上，進行平臺安全儲備的相關研究工作，已經取得了初步進展。現有的IDA分析方法主要是針對結構在地震載荷作用下的安全性能分析，而海洋平臺的動力環境載荷形式多樣，借用地震載荷的分析思路，針對各種類型的載荷，對平臺結構進行動力增量分析，并選擇相應的安全儲備指標來判斷目標結構的安全儲備性能。例如，對于受到波浪載荷影響較大的平臺，可以基于隨機波浪譜，對平臺結構進行增量動力分析，然后利用結構體系的整體響應特征參數計算整體結構的損傷指數及其它響應指標，以損傷指數的大小及響應指標的分布規律作為整體結構的倒塌判定依據;最終，利用極端載荷與設計載荷的比值作為安全儲備指標，對平臺結構的安全儲備進行研究。

4.2 平臺結構整體倒塌的判定

在現有的安全儲備研究方法中，結構極限承載能力的研究是其中重要的組成部分，而結構倒塌模式的判定是結構極限承載力研究的基礎。目前，對于平臺結構倒塌的判定方法主要有:結構的整體剛度矩陣奇異，結構總體位移或局部位移超界，以及結構喪失豎向承載能力等。可以看出，針對海洋平臺的倒塌判定存在以下幾個問題:1)倒塌模式的判定并不統一;2)倒塌的依據主要借鑒土木結構的倒塌依據;3)僅進行了整體結構的倒塌判定，沒有考慮局部倒塌或連續倒塌等結構失效過程。為了解決上述問題，在接下來對于安全儲備的研究過程中，結構倒塌的判定應該與不同載荷可能會引起的局部破壞和整體破壞形式聯系起來，通過得到符合實際倒塌規律的倒塌模式才能進行較為準確的極限承載力研究。

4.3 極限海況下的影響因素

在考慮環境載荷作用下的平臺結構安全儲備研究中，通常只是將載荷數值提高，而當極端環境載荷發生時，在常規安全儲備研究中所忽視的一些因素也會對平臺結構的整體安全儲備造成重要的影響，如甲板上浪、波浪抨擊、風浪聯合作用、流固耦合和樁-土結構相互作用等。因此，在極端環境條件下，不僅需要考慮常規環境載荷作用，同時還需要考慮非常規環境因素的影響，使結構的破壞方式與真實情況更相符。在目前的研究中，對于其中甲板上浪和樁-土結構相互作用等已經有了一定的考慮，而其它影響因素仍需在進一步分析中深入研究。

5 結語

對海洋平臺結構安全儲備的相關研究進行了介紹、對比和總結，首先從定義、分類、性能指標等方面大體概括了安全儲備體系，并總結了海洋平臺結構安全儲備的研究現狀，得到以下主要結論:

1)由于海洋環境惡劣，平臺破壞甚至倒塌事故頻發。對于海洋平臺安全儲備的研究有助于對設計結構在偶然載荷及極端載荷作用下的結構安全度進行合理的預測，使設計者合理地提高結構的安全等級，避免不必要的浪費，因此具有重要的工程意義。

2)從概念上看，結構安全儲備的定義明確，涵蓋了結構體系的各方面。從分類方法上看，一般將安全儲備從性能、需求、層次及抗倒塌能力等方面進行劃分。從性能指標上看，現有的承載力、延性、變形性以及綜合性能指標可以對結構構件的承載力、變形能力以及綜合安全儲備進行定量描述。

3)目前，基于海洋平臺的安全儲備主要從確定性研究方法與概率性研究方法兩方面進行發展。構件層次上，安全儲備研究已較為成熟，基于兩類分析方法均能夠利用現有標準合理地進行安全儲備的預測。而對于整體結構，基于確定性的分析方法在模型分析、儲備指標和實際應用等方面均較為領先;基于概率性的整體結構安全儲備研究目前的方法較多，主要以RSR為安全儲備指標進行研究，在方法上主要考慮了結構形式、載荷作用以及結構抗力等不確定性因素。

4)針對海洋平臺安全儲備研究存在的問題進行了討論。在對于安全儲備的進一步研究中，平臺結構安全儲備的動力分析、平臺結構整體倒塌的判定以及極限海況下的影響因素等問題需要進一步更深入的研究。

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