半潛式平臺(tái)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)全壽期極限強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法研究

嵇春艷，于雯，黃山，張健

（1江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江212003；2英國(guó)斯特萊斯克萊德大學(xué)，英國(guó)格拉斯哥市）

半潛式平臺(tái)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)全壽期極限強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法研究

嵇春艷1，于雯1，黃山2，張健1

（1江蘇科技大學(xué)，江蘇鎮(zhèn)江212003；2英國(guó)斯特萊斯克萊德大學(xué)，英國(guó)格拉斯哥市）

文章基于逐步破壞分析法和有限元計(jì)算方法，發(fā)展了一種計(jì)及材料腐蝕、疲勞裂紋等結(jié)構(gòu)損傷的半潛式海洋平臺(tái)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)全壽期極限強(qiáng)度計(jì)算方法。以一服役水深為3 000 m半潛式平臺(tái)為研究對(duì)象，選取橫撐和立柱局部結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，以不同服役年限下裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度和腐蝕厚度作為變化參數(shù)，采用ANSYS軟件建立其參數(shù)化有限元模型，計(jì)算了不同服役年限下半潛式海洋平臺(tái)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度，在此基礎(chǔ)上分析了全壽期內(nèi)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度隨服役年限的變化規(guī)律。

半潛平臺(tái)；關(guān)鍵構(gòu)件；關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；極限承載力；疲勞裂紋；腐蝕

0 引言

我國(guó)自主建造的3 000 m半潛式平臺(tái)屬于第六代半潛式鉆井平臺(tái)，是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的深水半潛式鉆井平臺(tái)類型。該海洋平臺(tái)的主船體有兩個(gè)上部箱體、四個(gè)立柱、四根橫撐及兩個(gè)下浮體組成，兩個(gè)下浮體由位于立柱下部的四根橫撐連接，上部箱體結(jié)構(gòu)由四個(gè)立柱與下浮體相連，如圖3所示。該平臺(tái)主要服役我國(guó)南海海域，海況復(fù)雜，平臺(tái)在服役過程中長(zhǎng)期受到海水腐蝕和波浪荷載的作用，隨著平臺(tái)服役年限的增加，在環(huán)境荷載、結(jié)構(gòu)腐蝕、疲勞裂紋的影響下，結(jié)構(gòu)的抗力會(huì)降低，從而增加結(jié)構(gòu)失效的風(fēng)險(xiǎn)，因此其全壽期的安全性評(píng)估顯得尤其重要。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物的極限強(qiáng)度分析已經(jīng)作了很多研究，方法比較成熟。Petrusja等[1]應(yīng)用非線性靜力分析法分析了墨西哥灣一座平臺(tái)的極限承載能力，從而推出了平臺(tái)的失效概率。聶炳林[2]應(yīng)用SESAM軟件建立平臺(tái)的模型，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了非線性倒塌分析。謝文會(huì)等[3]提出了半潛式鉆井平臺(tái)典型節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分析方法。上述的研究工作主要是針對(duì)設(shè)計(jì)狀態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行的，不考慮結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)受到的腐蝕、裂紋、碰撞凹陷等機(jī)械性損傷。而隨著平臺(tái)服役時(shí)間的增加，平臺(tái)結(jié)構(gòu)尤其是平臺(tái)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位的全壽期極限強(qiáng)度問題備受關(guān)注。Paik，王生楠等[4-7]學(xué)者對(duì)考慮結(jié)構(gòu)裂紋影響下板的極限強(qiáng)度做了大量的研究，對(duì)含裂紋板和加筋板結(jié)構(gòu)剩余極限強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估。嵇春艷等[8]考慮腐蝕、裂紋的隨機(jī)性，對(duì)固定式老齡化平臺(tái)和半潛式平臺(tái)極限強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)可靠性進(jìn)行了研究。但上述的研究結(jié)果仍局限于簡(jiǎn)單的板或加筋板，或固定式平臺(tái)結(jié)構(gòu)，對(duì)于半潛式海洋平臺(tái)復(fù)雜的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵的橫撐構(gòu)件等如何考慮腐蝕、裂紋等結(jié)構(gòu)損傷對(duì)其極限強(qiáng)度的影響仍有待深入研究。本文在半潛式平臺(tái)整體強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，選取應(yīng)力分布較大的立柱和橫撐部分作為平臺(tái)關(guān)鍵構(gòu)件及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)模型，采用ANSYS有限元分析軟件計(jì)算完整構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的極限強(qiáng)度，開發(fā)了腐蝕和裂紋損傷模擬的局部程序計(jì)算模塊，結(jié)合此計(jì)算模塊建立以腐蝕厚度、裂紋尺寸等為變量的參數(shù)化有限元模型，通過弧長(zhǎng)法獲得半潛式平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵構(gòu)件不同服役年限內(nèi)的極限強(qiáng)度及變化趨勢(shì)。

1 極限承載力計(jì)算方法[9]

半潛式平臺(tái)是由加筋板組成的大型超靜定結(jié)構(gòu)，其達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)是一個(gè)復(fù)雜的非線性過程。計(jì)算非線性結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)響應(yīng)，最常用的迭代方法是修正的牛頓-拉普森迭代法和弧長(zhǎng)法，本文使用弧長(zhǎng)法進(jìn)行極限強(qiáng)度求解。弧長(zhǎng)法使得牛頓—拉普森法平衡迭代沿一段弧收斂（圖1）。弧長(zhǎng)法中每一載荷步由外載荷增量和平衡回復(fù)力組成，并與修正的牛頓—拉普森法結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了求解后極限平衡路徑中的“階躍”問題。在弧長(zhǎng)法中，每一迭代步的成功實(shí)現(xiàn)需要兩步：選擇合適的外載荷增量和選擇合適的迭代方法以盡快回復(fù)平衡力。

圖1 弧長(zhǎng)法Fig.1 Arc-length method

2 材料腐蝕、疲勞裂紋預(yù)報(bào)模型

2.1 材料腐蝕預(yù)報(bào)模型

本文考慮海洋工程結(jié)構(gòu)中最常見的均勻腐蝕。均勻腐蝕下，結(jié)構(gòu)材料的年平均腐蝕厚度為

式中：ri為平均年腐蝕率（mm/年）；t0為防腐材料的保護(hù)時(shí)間。

2.2 疲勞裂紋預(yù)報(bào)模型

現(xiàn)有關(guān)于裂紋擴(kuò)展的研究多是應(yīng)用斷裂力學(xué)中的裂紋擴(kuò)展方程把裂紋的大小定義為時(shí)間的函數(shù)。本文采用Pairs-Erdogen公式來預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展尺寸：

式中：a為裂紋長(zhǎng)度，N為應(yīng)力循環(huán)次數(shù)；Δσ為應(yīng)力范圍，ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子；Y（a）為幾何因子，可假設(shè)Y（a）=Y為一常量。

對(duì)（2）式積分，得

式中：a0為初始裂紋長(zhǎng)度，C為常數(shù)，可近似為符合對(duì)數(shù)正態(tài)分布。

2.3 材料腐蝕、疲勞裂紋影響下極限強(qiáng)度分析方法

材料腐蝕的存在，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件壁厚削減。而當(dāng)裂紋達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，則會(huì)降低結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度，強(qiáng)度的減小又將在一定程度上增加名義應(yīng)力水平，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展，從而減小了整個(gè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度。同時(shí)，由于腐蝕、裂紋等的發(fā)生和發(fā)展，平臺(tái)結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度是隨服役年限不同而變化的，可認(rèn)為是一個(gè)腐蝕速度ri（t）和裂紋長(zhǎng)度a（Nt）的函數(shù)

式中：ri（t）為由于腐蝕而減少的管壁厚度，a（Nt）為在載荷周期數(shù)內(nèi)的裂紋長(zhǎng)度。

本文采用弧長(zhǎng)法求解，考慮幾何和材料非線性[10]的影響，通過改變單元大小、載荷步長(zhǎng)、邊界條件等影響結(jié)果精度的因素，得到準(zhǔn)確的平臺(tái)彎矩—曲率，載荷—位移曲線，從而獲得平臺(tái)在考慮腐蝕、裂紋影響下的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度。具體計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)損傷下極限強(qiáng)度計(jì)算流程Fig.2 Calculation flow of the ultimate strength in the damage of structures

3 數(shù)值仿真分析

3.1 關(guān)鍵部位的選取

以我國(guó)自主建造的第六代深水半潛式鉆井平臺(tái)為算例，該平臺(tái)最大作業(yè)水深3 000 m，鉆井深度可達(dá)10 000 m。目標(biāo)平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)為一雙下浮箱、四立柱、箱型甲板、艏艉立柱間各用2根橫撐連接的框架結(jié)構(gòu)，平臺(tái)總長(zhǎng)度114．07 m，寬度78．68 m，高度（基線到主甲板）38．2 m。根據(jù)整體半潛式平臺(tái)的強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果，選取應(yīng)力較大部位作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵構(gòu)件作為研究對(duì)象。通過sesam軟件進(jìn)行分析搜索，取半潛平臺(tái)應(yīng)力較大的最大作業(yè)工況為分析工況。該工況參數(shù)為波高9 m、周期9.5 s、浪向-90°、相位角-32°，半潛式平臺(tái)應(yīng)力分布如圖3所示。圖3計(jì)算結(jié)果表明，較大應(yīng)力位置出現(xiàn)在立柱和橫撐的連接處，因此選取該平臺(tái)的兩個(gè)部位作為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，包括：（1）立柱和橫撐的連接處作為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)模型；（2）整個(gè)橫撐結(jié)構(gòu)作為關(guān)鍵構(gòu)件模型。

圖3 半潛式平臺(tái)應(yīng)力分布圖Fig.3 Stress distribution of semi-submersible platform

3.2 服役期海洋平臺(tái)關(guān)鍵構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)腐蝕及裂紋預(yù)報(bào)

假設(shè)平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)的腐蝕及裂紋發(fā)生在平臺(tái)服役5年之后，結(jié)構(gòu)腐蝕速率取水面以下的構(gòu)件以0．15 mm／a的平均速度在橫撐外側(cè)發(fā)生腐蝕，暴露在大氣中的構(gòu)件以0．05 mm／a的平均速度在橫撐外側(cè)發(fā)生腐蝕[11]。根據(jù)公式（1）可計(jì)算平臺(tái)不同服役年限下腐蝕厚度，計(jì)算結(jié)果如圖5。根據(jù)pairs公式計(jì)算平臺(tái)不同服役年限下裂紋長(zhǎng)度，假設(shè)平臺(tái)服役五年后的應(yīng)力較大部位（如圖6、圖7所示位置）產(chǎn)生了疲勞裂紋，初始裂紋長(zhǎng)度為0.5 mm，根據(jù)公式（2）進(jìn)行不同服役年限疲勞裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度的預(yù)報(bào)，其中動(dòng)應(yīng)力幅值Δσ根據(jù)半潛平臺(tái)有限元計(jì)算結(jié)果為32.6 MPa，C=1.07e-11，a0=0.5，Y=1[12]。裂紋隨服役年限的擴(kuò)展計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 平臺(tái)全壽命期內(nèi)裂紋擴(kuò)展曲線Fig.4 Curve of crack growth in total life cycle

圖5 平臺(tái)全壽命期內(nèi)腐蝕厚度曲線Fig.5 Curve of corrosion in total life cycle

3.3 計(jì)及腐蝕、裂紋損傷的關(guān)鍵部位參數(shù)化有限元模型

3.3.1 參數(shù)化有限元模型及邊界條件

平臺(tái)關(guān)鍵部位的材料為EQ36鋼材，屈服強(qiáng)度為355 MPa，密度為7 800 kg／m3，泊松比為0.32，彈性模量為206 GPa。整個(gè)結(jié)構(gòu)采用SHELL143單元模擬橫撐板結(jié)構(gòu)，采用BEAM188單元模擬加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，在裂紋處對(duì)有限元網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化。

由于橫撐跨度較大，且為左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為減小計(jì)算量，關(guān)鍵構(gòu)件模型取橫撐的一半進(jìn)行參數(shù)化建模，左側(cè)對(duì)稱端面采用對(duì)稱約束。關(guān)鍵構(gòu)件模型共劃分22 668個(gè)單元，21 266個(gè)節(jié)點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際情況，立柱板四周采用剛性約束，有限元模型如圖6所示。

建立關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有限元模型時(shí)，將立柱上端離橫撐延長(zhǎng)1 m，下端與浮體甲板相交來消除其兩端邊界的影響；橫撐分別向立柱外測(cè)延長(zhǎng)2個(gè)肋位（1 552*2 mm）距離，內(nèi)側(cè)延長(zhǎng)1個(gè)肋位（1 552 mm）距離以消除邊界條件的影響。關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)模型共劃分53 169個(gè)單元，50 971個(gè)節(jié)點(diǎn)。立柱上下端采用剛性約束，有限元模型如圖7所示。

圖6 關(guān)鍵構(gòu)件有限元模型Fig6 FE modal of key component

圖7 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)有限元模型Fig7 FE modal of key joint

按照MPC法原理，采用剛性梁連接端面節(jié)點(diǎn)，在剛性梁交接處施加載荷。首先對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一階屈曲分析，得到結(jié)構(gòu)的理論屈服強(qiáng)度，將理論屈服強(qiáng)度的1.2-1.5倍作為載荷施加于結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行關(guān)鍵構(gòu)件極限強(qiáng)度計(jì)算。

3.3.2 結(jié)構(gòu)腐蝕損傷的模擬

根據(jù)不同服役年限計(jì)算出腐蝕厚度，在有限元模型中將相關(guān)構(gòu)件厚度進(jìn)行折減來模擬不同服役年限、不同結(jié)構(gòu)部位的腐蝕情況，本算例不考慮對(duì)結(jié)構(gòu)腐蝕的修復(fù)。

3.3.3 疲勞裂紋的模擬

計(jì)算不同服役年限的裂紋擴(kuò)展尺寸，通過采用ANSYS軟件中生死單元技術(shù)實(shí)現(xiàn)有限元模型裂紋的模擬，本算例不考慮對(duì)結(jié)構(gòu)裂紋的修復(fù)。

3.4 關(guān)鍵部位失效模式的確定

半潛平臺(tái)的整體應(yīng)力分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)的受力方式主要有軸向受壓、受彎以及受剪，在多數(shù)情況下，關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部位屬于多種受力狀態(tài)聯(lián)合作用，而且在平臺(tái)受到不同海況作用下，結(jié)構(gòu)的主受力方式不完全相同，根據(jù)本項(xiàng)目選取的計(jì)算工況，關(guān)鍵構(gòu)件以受彎為主，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受剪切力較大，因此對(duì)于關(guān)鍵構(gòu)件主要分析受彎失效時(shí)的極限強(qiáng)度、對(duì)于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)主要計(jì)算剪切失效時(shí)的極限強(qiáng)度，同時(shí)為了研究不同服役年限下腐蝕和疲勞裂紋對(duì)局部結(jié)構(gòu)極限承載力的影響，分別計(jì)算了平臺(tái)結(jié)構(gòu)在無損狀態(tài)及服役5年、10年、15年、20年、25年、30年、35年、40年、45年和50年關(guān)鍵部位的極限承載力。

3.5 全壽期極限承載力

3.5.1 無損狀態(tài)

關(guān)鍵構(gòu)件受彎極限承載力如圖8所示，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受剪極限承載力如圖9所示。

關(guān)鍵構(gòu)件無缺陷狀態(tài)下受彎失效模式下的極限承載力為6.127 e5 kN.m，關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在無缺陷狀態(tài)下受剪失效模式下的極限承載力為1.408e5 kN。

圖8 關(guān)鍵構(gòu)件無損受彎極限強(qiáng)度Fig.8 Moment-curvature relationship of key component on the whole

圖9 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)無損受剪極限強(qiáng)度Fig.9 Moment-curvature relationship of key joint on the whole

圖10 關(guān)鍵構(gòu)件在裂紋損傷下極限強(qiáng)度隨服役年齡的變化Fig.10 The ultimate strength of key component varying with time in the crack-damage

圖11 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在裂紋損傷下極限強(qiáng)度隨服役年齡的變化Fig.11 The ultimate strength of key joint varying with time in the crack-damage

圖12 關(guān)鍵構(gòu)件在腐蝕損傷下極限強(qiáng)度隨服役年齡的變化Fig.12 The ultimate strength of key component varying with time in the corrosion-damage

圖13 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在腐蝕損傷下極限強(qiáng)度隨服役年齡的變化Fig.13 The ultimate strength of key joint varying with time in the corrosion-damage

3.5.2 不同服役期極限承載力

本文分別研究了裂紋損傷和腐蝕損傷對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載力的影響。根據(jù)本文所建立的全壽期極限強(qiáng)度計(jì)算方法以及關(guān)鍵構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的參數(shù)化模型，通過計(jì)算可獲得不同服役年限下極限承載力。圖10-11給出了平臺(tái)在裂紋損傷下的每個(gè)服役期的極限強(qiáng)度，圖12-13給出了平臺(tái)在腐蝕影響下的每個(gè)服役期內(nèi)的極限強(qiáng)度。上述計(jì)算結(jié)果表明半潛式平臺(tái)的極限強(qiáng)度隨役齡的增加呈遞減趨勢(shì)，但結(jié)構(gòu)腐蝕損傷和裂紋損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的極限承載力的影響程度和趨勢(shì)有所不同。在結(jié)構(gòu)腐蝕影響下，不同位置結(jié)構(gòu)極限承載力的降低程度較為一致，服役50年后，關(guān)鍵構(gòu)件和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)極限強(qiáng)度分別降了41.1%和37.5%；而裂紋損傷對(duì)不同構(gòu)件的結(jié)構(gòu)極限承載力的影響程度差別較大，服役50年后，平臺(tái)關(guān)鍵構(gòu)件的極限強(qiáng)度下降了6.9%；平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的極限強(qiáng)度下降了45.9%。

3.6 腐蝕，裂紋共同作用下的極限強(qiáng)度預(yù)報(bào)

為了分析裂紋和腐蝕共同作用下對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載力的影響，本文選取平臺(tái)服役30年時(shí)進(jìn)行研究。表1給出了腐蝕、裂紋單獨(dú)作用下與共同作用下，平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵構(gòu)件極限力計(jì)算結(jié)果。

表1 服役30年腐蝕和裂紋單獨(dú)和共同作用下的結(jié)構(gòu)極限承載力Tab.1 The ultimate strength on cooperation of corrosion and crack damage when service 30 years

比較腐蝕和裂紋對(duì)極限強(qiáng)度的影響，對(duì)于關(guān)鍵構(gòu)件受彎狀態(tài)而言，材料腐蝕較疲勞裂紋對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件極限強(qiáng)度的影響更大；對(duì)于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受剪狀態(tài)而言，疲勞裂紋較材料腐蝕對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的極限強(qiáng)度影響更大。

4 結(jié)論

本文開展了第六代半潛式鉆井平臺(tái)全壽命期關(guān)鍵部位極限強(qiáng)度預(yù)報(bào)方法研究，針對(duì)半潛式平臺(tái)局部結(jié)構(gòu)，考慮不同服役年限材料腐蝕、疲勞裂紋的影響，建立了局部參數(shù)化有限元模型，發(fā)展了一種適用于平臺(tái)結(jié)構(gòu)全壽期極限強(qiáng)度的預(yù)報(bào)方法，并應(yīng)用于深水半潛式鉆井平臺(tái)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和關(guān)鍵構(gòu)件極限強(qiáng)度分析，得到如下結(jié)論：

（1）結(jié)構(gòu)腐蝕會(huì)使平臺(tái)結(jié)構(gòu)極限承載力隨服役年限的增加呈近線性遞減的趨勢(shì)，而且對(duì)不同位置結(jié)構(gòu)極限承載力的影響程度較為一致。服役50年后，關(guān)鍵構(gòu)件和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)極限強(qiáng)度分別降了41.1%和37.5%，說明腐蝕對(duì)平臺(tái)的極限強(qiáng)度產(chǎn)生了重要的影響，在平臺(tái)結(jié)構(gòu)全壽命期安全性評(píng)估中應(yīng)予以考慮；

（2）疲勞裂紋對(duì)不同位置結(jié)構(gòu)極限承載力的影響程度變化較大，如服役50年后，在疲勞裂紋影響下，關(guān)鍵構(gòu)件和關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)極限強(qiáng)度分別下降6.9%和45.9%，因此疲勞裂紋對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)極限承載力的影響更為顯著。同時(shí)由于疲勞裂紋隨服役年限增加而逐漸擴(kuò)展，平臺(tái)結(jié)構(gòu)極限承載力也隨服役年限的增加呈遞減趨勢(shì)，但在不同服役階段遞減速率有所不同，在服役期前15年和服役后期35-50年內(nèi)極限強(qiáng)度遞減速度較快，在服役中期極限強(qiáng)度遞減速度較慢。

（3）比較腐蝕和裂紋對(duì)極限強(qiáng)度的影響，對(duì)于關(guān)鍵構(gòu)件受彎狀態(tài)而言，材料腐蝕較疲勞裂紋對(duì)關(guān)鍵構(gòu)件極限強(qiáng)度的影響更大；對(duì)于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)受剪狀態(tài)而言，疲勞裂紋較材料腐蝕對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)極限強(qiáng)度影響更大。

（4）本文在計(jì)算疲勞裂紋長(zhǎng)度和腐蝕厚度時(shí)，把腐蝕和裂紋作為相互獨(dú)立的變量考慮，在實(shí)際情況中，腐蝕和裂紋相互影響，對(duì)結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度有一定的影響，因此應(yīng)予進(jìn)一步研究分析。

[1]Petrusja D J,Berek E P,Ingerollrw,Valdivieso J B.Assessment of vermillion 46-A platform[C]//Offshore Technology Conference 7474.Houston,Texas,1994.

[2]Nie Binglin.How to evaluate the safety of jacket platform in chendao oilfield[J].China Offshore Platform,2005,20(4): 44-47.

[3]Xie Wenhui,Xie Bin.Local strength analysis for typical joints of deepwater semi-submersible rig[J].China Offshore Oil and Gas,2010,22(4):265-269.(in Chinese)

[4]Wang Shengnan,Yu Hongyan.Application of limit analysis to the determination of load-carrying capacity of structures with cracks[J].Mechanical Science and Technology,2004,23(7):863-866.(in Chinese)

[5]Paik J K,Anil K,Thayamballi P.Ultimate strength of ship hulls under torsion[J].Ocean Engineering,2001,28(8):1097-1133.

[6]Paik J K.Residual ultimate strength of steel plates with longitudinal cracks under axial compression-nonlinear finite element method investigations[J].Ocean Engineering,2009,36(3-4):266-276.

[7]Paik J K.Residual ultimate strength of steel plates with longitudinal cracks under axial compression-experiments[J].O-cean Engineering,2008,35(17-18):1775-1783.

[8]Ji Chunyan,Li Shanshan,Cheng Minglu.A global reliability assessment method on aging offshore platforms with corrosion and cracks[J].China Ocean Engineering,2009,23(2):211-220.

[9]劉相新,孟憲頤.ANSYS基礎(chǔ)與應(yīng)用教程[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

[10]Zhang Jianbo,Zeng Changke,Xiao Xi.Ultimate strength analysis of semisubmersible platform[J].China Offshore Platform, 2005,20(3):19-22.(in Chinese)

[11]Melchers R E.Corrosion uncertainty modeling for steel structures[J].Journal of Constructional Steel Research,1999,52 (1):3-19.

[12]陳傳堯.疲勞與斷裂[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2002.

A prediction method of the ultimate strength of key components of semi-submersible platforms in total life cycle

JI Chun-yan1,YU Wen1,HUANG Shan2,ZHANG Jian1
(1.Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China;2.University of Strathclyde, the City of Glasgow,UK)

Based on the progressive collapse analysis method and finite element method,a calculation method of the ultimate strength of Key Component and Key Joints of semi-submersible platform in total life-cycle was developed,which considered the structural damage such as material corrosion and fatigue cracks.Selecting the cross brace and stand column of 3 000 m semi-submersible platform as a computational model,combining ANSYS software to establish a parametric finite element model by taking corrosion thickness,crack size as the variational parameters,the ultimate bearing capacity of key structure of semi-submersible platform in different service lives was calculated.On this base,the injury factors in total life cycle such as corrosion and fatigue cracks,and so on were considered,and the ultimate bearing capacity of key structure changing with platform age in total life cycle was given.

semi-submersible platform;Key Component;Key Joints;ultimate strength;fatigue crack;corrosion

P75

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2015.05.011

1007-7294（2015）05-0566-08

2014-07-25

嵇春艷（1976-），女，教授，E-mail：jichunyan.jkd@163.com；于雯（1989-），女，碩士。