基于USFOS程序的導管架固定平臺倒塌分析

劉東亮

(海洋石油工程股份有限公司 天津300452)

0 引 言

固定平臺倒塌分析是評估固定平臺極限強度的分析手段，對平臺進行倒塌分析的關鍵是，平臺的整體承載能力在超過規范給出的最大允許工況的基礎上進一步提高而不發生災難性后果。因此通過對導管架平臺進行倒塌分析計算可以準確評估導管架平臺的結構極限強度[1]。韓曉風[2]借助 ANSYS軟件來建立無初始缺陷平臺的數值模型，對平臺進行了極端波浪荷載下的靜力動力極限強度分析。夏凡[3]研究了SACS軟件的倒塌分析基本原理并使用 SACS軟件進行了一次導管架平臺的倒塌分析，最后得出了 0°角時導管的儲備能力最小的結論。唐友剛等[4]使用SACS對南海某導管架平臺進行了一次倒塌分析，結果表明平臺的安全裕度很大，并給出了平臺發生倒塌的過程，給出了SACS倒塌分析方法及其步驟。

上述倒塌分析方法 ANSYS分析工具建模和非線性參數指定過于復雜，需要較強的理論基礎才能準確地進行有限元非線性分析。SACS軟件開發初期主要側重于線彈性分析，其后期開發的 collapse模塊因偏于保守而不利于發現平臺結構的真實儲備能力。

USFOS軟件是一款國際廣泛應用的專業海洋工程非線性分析工具，能夠全面考慮非線性分析中的各種機制。劉旭等[4]借助 USFOS工具對一艘自升式鉆井船進行了極限承載力分析，認為對于自升式鉆井船的極限能力分析，USFOS是一種比較先進而且精確的方法。本文使用 USFOS非線性分析程序進行導管架固定平臺的倒塌分析。

1 分析原理

導管架固定平臺的倒塌分析基于如下公式：

式中：R為固定平臺整個系統的抵抗能力；Rs、Rf為上部結構或樁基的抵抗能力；D為結構自重；E為環境力(100年一遇的環境條件)；λ為環境力系。

基于上述公式，倒塌分析時首先加載結構自重，然后逐步增大環境力系數，直至平臺關鍵結構的破壞導致整體不穩定或直接發生倒塌，此時λ即為平臺倒塌抵抗力系數RSR。

如圖1所示，由風、波、流組合而成的環境力首先作用在導管架平臺上。如圖2所示，隨著該環境力載荷逐步加大開始出現第一根屈服桿件，外力繼續增大，該桿件產生第一個塑性鉸，塑性鉸貫穿桿件橫截面后桿件發生失穩，進而結構系統內力發生臨時卸載現象，隨著外力載荷的進一步加大，結構系統載荷重新分布直至達到平臺的極限承載力，隨后再繼續加載，整個結構發生失穩而倒塌。

圖1 導管架平臺倒塌分析模型Fig.1 Analysis model of jacket platform collapse

圖2 倒塌分析力-位移關系機理Fig.2 Mechanism of force-displacement relationship in collapse analysis

按照步步累積法對結構施加載荷，每一次載荷步施加后節點的坐標隨之更新；每一次載荷步施加后，伴隨著桿件材料和幾何參數的變化，桿件本身的剛度不斷調整，最終導致結構整體的剛度更新；每一步載荷施加后，將會校核桿件的受力是否超過其相應截面的塑性能力，一旦發現超過塑性能力，程序自動調整加載步長以便始終匹配桿件的屈服狀態；當桿件受力值達到其屈服面時，塑性較將自動插入，一旦隨后桿件受力變小，低于塑性面桿件的塑性鉸將被移走而重現彈性狀態。

2 分析實例

依據上述理論使用 USFOS軟件進行實例分析。如圖3所示，某平臺為8腿群樁結構，套筒和樁之間灌漿固定，水深 52.7m。整個導管架有 5個水平層，分別為 EL.(+)6.50m、EL.(-)9.50m、EL.(-)25.50m、EL.(-)41.50m、EL.(-)52.7m，上部組塊操作重12000t，設計要求平臺的RSR值不低于1.6。

圖3 USFOS分析模型Fig.3 USFOS analysis model

2.1 載荷條件

USFOS分析模型由 SACS模型轉化，分析所用的基本荷載包括自重，8個方向的環境力(圖4)，自重和環境力的值見分別見表1和表2。

表1 平臺自重荷載Tab.1 Platform deadload

圖4 環境力加載示意圖Fig.4 Diagram of environmental loads

表2 平臺環境力荷載Tab.2 Environmental loads

首先加載重力，進而分別加載 0°、59°、90°、121°、180°、239°、270°、301°方向的環境力，重力和環境力的加載組合按照表3執行，每個方向的環境力按照步步累積的方式逐步加載。當平臺的關鍵結構破壞時，整個結構系統將會失穩，USFOS程序將停止運行，此時讀取環境力的加載系數即為RSR值。

表3 工況組合Tab.3 Combination of working conditions

2.2 分析結果

依據上述分析流程將USFOS的分析結果匯總見表4，結構系統達到最大承載能力整體受力云圖見圖5。

由分析結果可以看出，平臺在 90°方向的儲備能力最差，RSR值為 2.01，仍滿足設計要求不低于 1.6的限制。

0°方向在 RSR值達到 2.75之前，ROWA 面上3根拉筋，ROWB面上1根拉筋已經發生失穩；立面拉筋中 16根桿件，水平拉筋有 4根桿件，已經產生塑性鉸，桿件進入塑性狀態。

59°方向在RSR值達到2.18之前1根拉筋發生失穩；立面拉筋有 5根拉筋產生塑性鉸，水平拉筋有7根產生塑性鉸；5個管節點發生屈服。

90°方向RSR值達到2.01之前1根拉筋發生失穩；6根立面拉筋產生塑性鉸，2根水平拉筋產生塑性鉸。

121°方向 RSR值達到 2.19之前 1根桿件發生失穩；4根立面拉筋產生塑性較，5根水平拉筋產生塑性較；8個管節點發生屈服。

180°方向 RSR值達到 2.91之前 6根桿件發生失穩；15根立面拉筋產生塑性鉸，8根水平拉筋產生塑性鉸。

239°方向 RSR值達到 2.49之前 1根桿件發生失穩；5根立面拉筋產生塑性鉸，7根水平拉筋產生塑性鉸；2個管節點發生屈服。

270°方向 RSR值達到 2.25之前 1根桿件發生失穩；6根立面拉筋產生塑性鉸，8根水平拉筋產生塑性鉸；11個管節點發生屈服。

表4 分析結果(RSR)匯總表Tab.4 Summary of Researve Strength Ratio(RSR)

圖5 塑性利用率云圖Fig.5 Plastic utilization plots

301°方向 RSR值達到 2.49之前 1根桿件發生失穩；6根立面拉筋產生塑性鉸，9根水平拉筋產生塑性鉸；10個管節點發生屈服。

3 結 論

由以上分析理論和分析實例容易看出USFOS分析軟件成功對某固定平臺進行了倒塌分析，分析結果顯示的最小抵抗力系數 RSR為 2.01，滿足設計要求的 1.6，平臺具備充裕的儲備能力。USFOS分析程序作為專業的非線性分析工具，在導管架固定平臺倒塌分析應用方面操作簡單，分析準確，值得推廣應用。