探析地震作用下的導管架海洋平臺結構動力優化設計

宋廣然　殷琪芮（.海洋石油工程股份有限公司，天津　30045；.天津開發區海寧船舶工程技術有限公司，天津　300457）

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探析地震作用下的導管架海洋平臺結構動力優化設計

宋廣然1殷琪芮2
（1.海洋石油工程股份有限公司，天津300451；2.天津開發區海寧船舶工程技術有限公司，天津300457）

摘要：本文分析了在地震力的作用下，導管架海洋平臺的結構優化方法，通過對比發現，設計人員采用動力優化的方式，可以有效的提高導管架海洋平臺結構的穩定性，設計人員要提高該結構的抗震能力，還保證導管架的剛度、強度以及穩定性，這樣才能降低地震力對海洋平臺結構的影響。

關鍵詞：地震；導管架；海洋平臺；結構；優化

我國屬于地震多發國家，這主要是因為我國部分地區處于比較活躍的地震帶中，渤海灣就屬于地震活動帶，在這一地區進行海洋平臺建設，需要考慮地震對結構穩定性的影響。導管架海洋平臺是石油行業開采生產時采用的主要結構類型，其主要是由三部分構成，上部甲班、導管架以及樁基。一般上部甲板的剛度比較大，設計人員需要重點對導管架以及樁基進行優化。本文采用動力優化的方式，將導管架海洋平臺看做是鋼框架結構，對地震作用下平臺結構的優化方法進行介紹，以供參考。

一、導管架平臺結構地震破壞狀態分級與抗震安全裕度系數

對導管架平臺結構進行優化時，需要提高其抗震能力，這樣可以降低地震力對海洋平臺造成的損失，可以避免地震災害對導管架海洋平臺結構造成破壞，降低了安全事故發生概率，還有效避免了人民的財產損失。在抗震設計時，要避免結構出現倒塌，要保證海洋平臺工程的經濟效益，一定要保證海洋工程的安全性。近年來，海洋工程出現的安全事故比較多，相關部門對該行業提出了更高的設防要求，設計人員需要提高導管架海洋平臺結構的抵抗力，還提高結構的強度，還要具有良好的抗變形能力，要避免出現結構倒塌現象。在導管架海洋平臺結構優化中，由于相關部門沒有設立統一的抗震標準，所以，設計人員采用了建筑結構抗震標準。

1 導管架平臺地震破壞狀態

導管架海洋平臺結構在受到地震力的作用后，會出現結構變形現象，根據地震破壞狀態的特征，可以對地震破壞的狀態進行分級，地震破壞的階段主要有：定常反應階段、塑變反應階段、破壞階段，在分析的過程中，需要在不同的階段采用不同的分析方法。在進入破壞階段后，需要采用動力分析的方法對結構特征進行研究。在破壞階段可以將平臺結構分為中等破壞與局部倒塌狀態，采用地震破壞分析的方法，需要考慮導管架海洋平臺結構的結構特性。

結構構件的強度與剛度不同，所能承受的地震荷載也不同，當構件出現損壞現象后，則說明導管架平臺結構處于嚴重的破壞階段，所以，研究人員可以通過構件受損級別對破壞狀態進行分級。中等破壞狀態是指導管架海洋平臺結構中的重要構件出現了損壞跡象，一般2類或3類構件出現損壞，就可以判斷為中等破壞狀態，這一狀態說明結構處于塑變反應極限，也處于破壞階段的初級階段，結構的承載力會有所降低，出現的損壞可能是永久性的，這會影響海洋平臺的正常運作，技術人員必須對結構進行加固處理，還要對構件進行修復。局部倒塌狀態是指結構中的主要構件受到了破壞，一般是指導管架平臺中的1類構件，這會影響結構的承載能力，會造成較大的安全隱患。在平臺的頂部一般存在荷載比較集中的問題，所以，這一位置比較容易出現倒塌現象。局部倒塌會使整個結構出現嚴重的變形，在這種狀態下，導管架海洋平臺無法正常使用，而且無法進行修復，需要對平臺進行重建。

2 導管架平臺抗震安全裕度系數

導管架平臺抗震設計是一項重要的工作，其可以保證結構的穩定性，可以避免構件出現損壞。構件失效包括屈曲、屈服、疲勞等，會影響其功能的正常發揮，到出現損壞的構件超過一定數量，則會引起結構局部倒塌。一般海洋平臺結構構件失效的模式有很多，這會影響結構的安全度，必須采用有效的方法對其安全度進行評定。在導管架結構設計時，設計人員一般采用的都是保守的設計理念，而且結構安全裕度比較大，這很難控制結構的安全性以及穩定性。在對海洋平臺結構進行動力優化時，需要根據結構破壞程度采用不同的優化方法，設計人員需要考慮結構的承載能力，還要衡量結構的抗震能力。抗震安全裕度系數有著不同的標準，在中等破壞狀態與局部倒塌狀態下，設計人員要參考不同的安全裕度標準。地震倒塌極限與平臺抗震標準的差值，與平臺設防標準的比值就是該破壞狀態下形成的抗震安全裕度系數，根據這一系數可以對導管架海洋平臺結構進行動力優化，通過變量設計，可以保證結構的抗震效果。

二、結構優化模型與分析過程

1 結構分析模型

以渤海BZ28-1儲油平臺為例，計算結構模型如圖1所示。平臺構件容許正應力[σ]＝192MPa，容許剪應力[τ]＝128MPa，導管架頂部節點容許側位移u＝12.5cm，樁頂容許側位移y＝3.5cm。這里，樁的處理按等效樁計算，在泥面下10m處固支。分析模型共有32個節點，68個管單元。平臺構件分為四組：樁、導管腿、弦管和斜撐，截面設計變量8個。

2 分析過程

計算質量有自重和設備荷載確定，同時在動力計算中考慮了附連水質量和海生物厚度的影響。通過結構動力分析可獲得結構構件的內力，以建立優化模型中的約束方程。優化計算以優化算法軟件OPB-2為基礎，采用成熟的約束變尺度法（CVM01）。W（j）和W（j-1）分別為第j-1次和第j次迭代目標函數值，ε為目標函數收斂精度。

結語

在對海洋平臺結構進行優化時，需要應用多種技術，在分析的過程中，相關技術日趨完善，工作效率提高了，而且受外界因素的影響也比較小。本文對地震作用下，導管架海洋平臺結構動力優化設計進行了分析，采用動力分析方法，有著較大的難度，研究人員將導管架海洋平臺看做是鋼框架結構，然后對地震荷載作用下，結構的優化方法進行了介紹，設計人員要提高結構的穩定性，還要增強構件的強度以及剛度，保證樁基的承載能力，這樣才能保證海洋平臺工程效益的最大化。

參考文獻

[1]鄭雪坤，陳義厚，王松.導管架海洋平臺波浪地震荷載分析及研究[J].內蒙古石油化工，2007（05）.

[2]周廣利，白若陽.導管架平臺的動力分析[J].中國海洋平臺，2006（01）.

中圖分類號：P725

文獻標識碼：A