南海某導管架海洋平臺倒塌分析

唐友剛，朱龍歡，李 焱，劉成義，張少洋

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072; 2.天津大學 建筑工程學院，天津 300072)

南海某導管架海洋平臺倒塌分析

唐友剛1, 2，朱龍歡1, 2，李 焱1, 2，劉成義1, 2，張少洋1, 2

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072; 2.天津大學 建筑工程學院，天津 300072)

針對在役老齡導管架平臺進行倒塌計算分析，確定極限承載力進而評估老齡導管架的安全裕度。采用非線性有限元方法，考慮平臺的波流載荷及樁-土的非線性相互作用，利用SACS軟件建立導管架整體三維有限元計算分析模型，并用逐步加載的方式，對南海某導管架平臺進行了全過程非線性倒塌分析。計算分析表明，該導管架平臺極限強度很高，具有較大的安全裕度；導管架倒塌過程呈逐步破壞形式，先是撐桿屈服，造成局部結構破壞，然后是鋼樁發生屈服，降低結構承載力，最后節點逐步失效，造成結構倒塌。揭示了導管架平臺結構失效倒塌的機理，給出了倒塌分析的可行方法和步驟。

導管架海洋平臺；倒塌分析；風險；剩余強度

Abstract:Pushover analyses were performed for an aging jacket-type platform to obtain the ultimate capacity and then to evaluate the safety margin.A three-dimensional finite element model of the jacket platform was established using SACS software.Based on the step-by-step loading method,the nonlinear collapse analysis for the jacket offshore platform in the South China Sea was performed,considering the loads of wave and current and the nonlinear interaction between soil and piles.The analysis results show that the ultimate strength of this jacket platform is at a high level,with a large margin of safety.The collapse of the platform is the result of gradual damages.Firstly,the brace begins to yield,causing damages of partial structure.Secondly,the piles start to yield,reducing the capacity.Finally,some joints fail,resulting in the collapse of the whole structure.Overall,the mechanism of the failure and collapse of the jacket platform is revealed,and the feasible analysis method and procedures of collapse analysis are put forward.

Keywords:jacket offshore platform; pushover analysis; risk; residual strength

我國至今有近百座導管架平臺在服役，它們的壽命已經超過設計壽命的一半甚至大于設計壽命，正進入老齡化階段，但這些老齡平臺大部分經過維護改造后繼續采油。目前這些老齡化平臺的許多構件已有不同程度損傷和銹蝕，加之所處海洋環境非常復雜且極其惡劣，存在多種安全隱患。特別是在我國南海，臺風頻發，而且風力強勁，破壞力很大，直接導致導管架平臺失效、破壞，甚至倒塌。不但會帶來巨大的直接經濟損失以及重大人員傷亡，還可能對環境造成嚴重污染，產生不良的社會影響。

一般地，桿件彎曲受到外部載荷作用先發生彈性變形，然后屈服進入塑性變形，最后破壞。由于導管架海洋平臺是超靜定高冗余度結構，即使個別桿件達到屈服極限發生破壞，也只是局部結構破壞，不會影響整體結構的安全，平臺結構仍可以承受較大的載荷。只有關鍵節點、關鍵桿件發生破壞，結構才會發生倒塌傾覆。而通過對平臺結構進行倒塌分析，可以獲得平臺結構極限強度，確切掌握導管架平臺結構在什么樣的情況發生桿件失效、什么樣的情況下樁基承載力不足，什么樣的情況下發生倒塌，進而對平臺結構的風險改造進行控制，使得平臺結構能夠滿足使用要求。因此，對平臺結構進行倒塌分析具有重大的工程實際意義。

倒塌分析的研究對于導管架平臺結構整體安全評估具有重要意義，受到海洋工程設計維修部門及廣大學者重視。許濱和申仲翰于1994年結合非線性模擬技術及線性分析程序成功地分析了受靜載荷和環境載荷作用下的導管架平臺極限強度[1]。其后，許濱和申仲翰又于1996年對渤海八號樁基導管架平臺進行了非線性倒塌分析，考慮了樁-土相互作用的非線性影響[2]。肖儀清等研究了導管架平臺裂紋、凹痕、腐蝕、海生物附著、地基土沖刷等缺陷和損傷對導管架平臺結構極限承載力的影響[3]。陳祥余等研究了基礎的不同簡化約束條件對導管架平臺結構極限承載力的影響[4]。何懋華等采用單元替換法分析計算了南海某固定式平臺的極限承載能力[5]。此外，張燕坤、Paulo、劉錦昆、嵇春艷、Behrouz等學者對非線性倒塌分析也進行了深入研究，取得大量研究成果[6-10]。目前，倒塌分析理論已經非常成熟。同時，一些海洋工程結構分析的商業軟件也開發了用于倒塌分析的分析模塊，例如SACS軟件的COLLAPSE模塊就是針對導管架平臺倒塌分析的模塊，可以考慮樁-土非線性相互作用。

逐級增加載荷法是非線性倒塌分析的有效方法，即控制載荷增加幅度，然后逐級增加作用在平臺上的載荷，對平臺結構進行非線性彈塑性分析，直到平臺倒塌。可以將樁頂位移與增加的載荷系數曲線趨于平緩作為平臺倒塌的指標。

本文采用逐級增加載荷法，考慮樁-土非線性相互作用，利用SACS軟件建立三維有限元計算分析模型，對南海某導管架平臺進行倒塌分析計算，得到了該平臺極限承載力，以及平臺目前的安全裕度。

1 倒塌分析原理

倒塌分析基于大變形和塑性理論，采用逐級增加載荷方法進行計算分析。逐級增加載荷，計算每個載荷步的節點位移和單元應力，并生成新的剛度矩陣。計算每個載荷步時，當某一桿件應力值超過彈性極限時就會發生塑性變形，同時該桿件剛度相應降低，從而載荷將重新分配到相鄰未發生塑性變形的桿件上。隨著載荷的進一步增加，發生塑性變形的桿件也越來越多，直到整個導管架結構倒塌。

SACS軟件作為一款結構設計和分析軟件，經過充分考核，廣泛應用于海洋工程領域，得到了海洋工業界的普遍認可。其COLLAPSE模塊[11]包括3個迭代過程：一是對每個載荷步，都根據桿件截面特性計算梁-柱模型解；然后迭代計算整體剛度矩陣，同時考慮節點彈塑性變形以及節點失效等情況的影響；在基礎剛度迭代計算中考慮了樁-土相互作用(PSI)的非線性影響。

每完成一次迭代后，SACS軟件將與上一次迭代計算的結果進行比較，如果計算結果不收斂，則采用梁受到內外部載荷所產生的位移來重新計算單元剛度矩陣，然后重復上述過程，直至結果收斂。迭代過程中同時考慮樁-土相互作用(PSI)的影響。

在迭代計算樁-土相互作用的過程中，首先假設沿著整個樁的長度方向的變形和角位移都為0，求解土壤的力和剛度。然后依據給定的樁頭位移求解出樁的變形和角位移，同時根據樁的變形和角位移重新計算土壤的力和剛度。

SACS軟件可以根據每個分段的變形和角位移計算各分段的內力，并求出各分段的塑性變形。并將此結果代入下一次迭代計算，重復此過程直至樁沿長度方向的變形以及角位移都收斂。

樁沿長度方向的變形和角位移都收斂后，SACS軟件將通過增加樁頭的變形和角位移求出相應的剛度矩陣以及約束反力和彎矩。最后將樁頭的塑性結果轉換到整體坐標系進入下一次迭代計算。

2 導管架結構模型

本文所分析的導管架海洋平臺位于中國南海海域，設計水深99.1 m，為8主樁(4根角主樁與4根內主樁)、4裙樁的固定式鋼制導管架平臺，于1994年11月投產，設計壽命20年，根據評估和生產需要該平臺將延壽服役至2026年。

圖1 導管架平臺三維有限元模型Fig.1 Three-dimensional finite element model of the jacket platform

導管架平臺結構主要由圓管、型鋼、型材、板等構成，建模過程中主要采用梁單元和板殼單元，所有節點處理為剛性連接。立管與隔水套管，不灌漿的樁與導管之間的連接，采用wishbone單元進行模擬，但需要正確釋放節點的約束，例如wishbone單元連接在導管上，只對樁有水平方向的約束，無軸向和三個轉動方向的約束，則應該釋放軸向和三個轉動約束。如果節點的約束設置錯誤，則會導致總體剛度矩陣奇異，致使計算失敗。由于鉆井和生活模塊對整體倒塌分析影響不大，為加快運算速度，將鉆井和生活模塊結構處理成為彈性單元，忽略其塑性變形。

建立的導管架海洋平臺分析模型如圖1所示。

3 導管架結構缺陷與損傷

導管架平臺結構損傷和結構缺陷可能會降低結構強度或者放大載荷作用[12]，影響結構的安全。該導管架平臺已經服役20年，長期處在惡劣環境之中，可能產生腐蝕、裂紋、凹陷等缺陷和損傷，同時遭受海生物，地基沖刷等影響。由于缺乏關于裂紋、凹陷等缺陷損傷的資料，本文在建模過程中考慮了腐蝕、海生物、地基沖刷等的影響。

腐蝕對鋼材的強度和彈性模量等性質影響不大,但腐蝕削減了構件截面,影響了結構的極限承載力[3]。本文采用折減管厚的方式考慮腐蝕。海生物主要是加大了桿件直徑以及粗糙度，因此會放大環境荷載對結構的作用，在計算環境載荷時可以通過增加桿件計算直徑和修改水動力系數的方式給予考慮。地基沖刷使得埋入海底的有效樁長減少，并且樁頭位置也發生相應變化，在采用SACS計算過程中，通過修改樁頭位置的方法予以考慮。

4 載荷施加

倒塌分析過程中需要考慮的載荷主要劃分為：固定載荷、活載荷、環境載荷、動力載荷等。

SACS軟件可以自動計算已經建出的平臺結構(包括建立的附屬構件)自重及浮力，而永久設備及其它重量可以通過卡片直接輸入SACS軟件。

環境載荷可以通過seastate文件輸入進行計算，依據API規范推薦方法，環境載荷計算方向選取12個典型方向，包括平臺寬度方向(90°和270°)、長度方向(0°和180°)以及對角線方向(35°，49°，131°，145°，215°，229°，311°和325°)，此外，在建模過程中，考慮了波浪和海流的耦合效應，如圖2所示。

圖2 倒塌環境載荷方向Fig.2 The directions of the environmental loads considered in the collapse analysis

樁-土相互作用可以通過psi文件將土壤特性數據導入SACS計算程序進行考慮。SACS可以根據土壤特性數據按照API規范計算出樁軸向載荷-樁位移關系T-Z曲線、樁側向承載力-位移關系P-Y曲線以及樁尖載荷-位移關系Q-Z曲線，進而采用非線性彈簧模擬樁-土的相互非線性作用。

5 計算結果與分析

倒塌分析以一百年一遇設計極端環境載荷作為初始載荷，根據倒塌加載順序表和載荷步，逐漸加大設計極端環境載荷倍數。

5.1極限承載力分析

根據倒塌分析結果可以得到導管架平臺極限承載力，本文用設計極端環境載荷的倍數表示，如表1所示。

表1 倒塌計算分析結果Tab.1 The results of the collapse analysis

從表1可以看出，在131°、215°、229°三個方向承載力最小，設計極端環境載荷倍數為2.6，即在極端工況作用下，仍然可以繼續承受1.6倍的極端環境載荷，也就是說導管架海洋平臺極限承載力很高，還有較大的安全裕度，這符合該平臺的高冗余度特征。

5.2倒塌過程分析

針對0°、49°、90°三個方向環境載荷作用，計算得到導管架平臺整體位移(樁頂位移)隨載荷逐漸增加而變化的曲線，如圖3所示。

從圖3中，可以看出整個倒塌過程：

0°方向隨著載荷逐漸增加，當導管架整體位移達到0.527 m，導管架海洋結構第一根撐桿開始屈服；達到0.673 m，第一根鋼樁開始屈服；到1.172 m時，結構第一個節點失效；最后到2.511 m，結構開始倒塌；

49°方向隨著載荷逐漸增加，當導管架整體位移達到0.401 m，導管架海洋結構第一根撐桿開始屈服；達到0.664 m，第一根鋼樁開始屈服；到1.365 m時，結構第一個節點失效；最后到2.020 m，結構開始倒塌；

90°方向隨著載荷逐漸增加，當導管架整體位移達到0.445 m，導管架海洋結構第一根撐桿開始屈服；達到0.633 m，第一根鋼樁開始屈服；到0.850 m時，結構第一個節點失效；最后到3.491 m，結構開始倒塌，如圖4所示。

由圖4看出，導管架倒塌過程呈逐步破壞形式，先是撐桿屈服，造成局部結構破壞，然后是鋼樁發生屈服，降低結構承載力，最后節點逐步失效，造成結構完全倒塌。

圖4 90°方向環境條件下倒塌示意Fig.4 The collapse of the jacket platform in 90° direction

5.3風險等級

從倒塌過程來看，隨著載荷增加，導管架海洋平臺整體位移逐漸增加，導管架海洋平臺也相應的逐步發生破壞。導管架海洋平臺在倒塌過程中的不同程度的破壞形式所面臨的風險后果是不同的，因此可以將導管架平臺發生的不同程度的破壞形式劃分為不同的風險等級。例如，當第一根撐桿發生屈服時，可能導致導管架海洋平臺發生局部破壞，降低導管架海洋平臺局部強度，但不會對導管架平臺整體結構安全產生嚴重影響，因此可以將此時破壞形式劃分為低風險；當第一根鋼樁發生屈服時，可能導致鋼樁被拔出或者無法承載等危險，嚴重影響結構的承載力及載荷分布，并嚴重影響導管架平臺結構的生產安全，但不會導致結構坍塌，可以將此破壞形式劃分為中等風險；當導管架結構第一個節點失效時，可能導致導管架局部結構嚴重破壞，甚至蔓延引起大面積結構破壞，最終引起結構倒塌，此時結構面臨很高風險，可以將此破壞形式劃分為高風險，如表2所示。

表2 結構逐步破壞風險等級Tab.2 Classification of the risks in the gradual deformation of the structure

5.4剩余強度

通過剩余強度理論對各風險等級劃分進行了分析。剩余強度系數定義為結構從所處風險等級直至倒塌還能承受的基底剪力與極限載荷下的基底剪力之比。根據剩余強度理論可以知道，當剩余強度系數越高，說明結構此時強度越強、越安全。反之，剩余強度系數越低，結構此時強度越弱，面臨倒塌的風險越高。剩余強度系數可按下式計算：

式中：Fm是結構極限載荷下的基底剪力，Fc是結構所處風險等級時的基底剪力，Fa是結構從所處風險等級直至倒塌還能承受的基底剪力，Fa=Fm-Fc。

通過計算，導管架處在各風險等級時的剩余強度系數范圍如表2所示。可以看出，這種風險等級劃分方法是合理和較為保守的。

通過全過程倒塌分析對倒塌過程中的破壞形式劃分風險等級，可以為進一步評估導管架平臺安全性以及對導管架平臺結構監測提供依據。也可以根據導管架結構破壞形式，以及需要的剩余強度系數，對導管架結構進行適當加強。

6 結 語

本文針對12個典型環境載荷方向，考慮樁土相互作用，對導管架平臺進行全過程倒塌分析，得到如下主要結論：

1)導管架平臺極限承載力較高，還可以承受1倍以上設計極端環境載荷，其中對角線方向承載力較為薄弱，但仍然具有較高的承載力和較大的安全裕度，這與結構較高的冗余度是相符的；

2)導管架倒塌過程呈逐步破壞形式，先是撐桿屈服，造成局部結構破壞；然后是鋼樁發生屈服，降低結構承載力；最后節點逐步失效，造成結構倒塌；

3)導管架在倒塌過程中，可以根據結構破壞形式劃分風險等級，根據剩余強度理論可知這種劃分方式是合理和相對較為保守的，可以為進一步評估導管架結構安全提供依據；

4)通過全過程倒塌分析，可以知道導管架結構薄弱部位，可以根據需要的剩余強度系數對該部位進行適當加強。

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Pushover analysis on a jacket offshore platform in the South China Sea

TANG Yougang1,2,ZHU Longhuan1,2,LI Yan1,2,LIU Chengyi1,2,ZHANG Shaoyang1,2

(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China; 2.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.02.014

1005-9865(2016)02-0105-06

2014-12-09

國家自然科學重點基金資助項目(51239008)

唐友剛(1952-)，男，河北人，教授，博士生導師，主要從事船舶與海洋工程動力學及深海工程研究。E-mail：tangyougang_td@163.com