导管架结构在位分析

第五篇海上平台结构第二章导管架设计第四节导管架结构在位分析一、概述导管架结构在位分析是指平台安装就位后，在平台整个生命周期内，对平台承受自重荷载、设备荷载、操作荷载、风荷载、波浪和流荷载、冰荷载、地震荷载及意外荷载等各种荷载工况进行分析，以保证平台满足指定标准和规范的要求。目前海洋平台导管架的整体设计一般遵循APIRP2A昀新版的要求进行设计，局部构件的设计一般依据AISC昀新版的推荐作法。导管架在位分析主要包括：静力分析、动力分析、地震分析、疲劳分析、桩基分析、波浪拍击分析和涡激振荡分析等。下面将对不同分析过程中的荷载基本工况、荷载组合、分析方法、构件及节点的校核标准、桩的校核方法及标准等因素进行阐述。如果单独对导管架结构进行模拟分析，应尽可能模拟底层甲板的结构形式，以便合理的模拟上部结构的刚度。对于上部组块的荷载，可以采用及重量法将组块重量作为集中荷载模拟在估计的重心位置。二、设计参数1.设计荷载平台在就位作业阶段承受结构及附属构件的自重荷载、平台上设施的自重荷载、平台上设施的自重和操作荷载、平台上的临时荷载和活荷载、钻井和修井荷载，作用在平台上的风荷载、海流荷载、波浪荷载、冰荷载和地震荷载，以及事故荷载如：船舶碰撞、爆炸和落物等。各种设计荷载的定义、范围和模拟方法详见本章第二、三节的内容。2.相关设计参数的选择1）海生物的性质海生物的分布及性质如范围、厚度和壁厚等一般应从设计基础数据中获得，尤其是海生物厚度，它对平台荷载影响较大，应予以充分重视。如果设计基础数据中没有给出海生物的数据，海生物厚度可参考临近平台的海生物厚度值，海生物生长的上边界可取平均海平面，下边界取海床表面。海生物的密度一般可取1.3─1.4t/m3。2）飞溅区的范围位于飞溅区的构件，阴极保护系统不能对其提供有效的保护，而涂层又可能遭受船舶等碰撞的损伤，所以对该区域的杆件，应采用特殊的涂层并考虑适当的腐蚀余量。飞溅区的范围可按如下公式确定：飞溅区上边界标高：DHWL+2HS/3+△飞溅区下边界标高：DHWL-HS/3-△其中：DHWL——操作条件下的设计高水位,单位为米（m）DLWL——操作条件下的设计低水位,单位为米（m）HS——操作条件下的有效波高,单位为米（m）；∆——施工和测量误差，当水深小于等于50m时，取0.5m当水深大于50m时，取1.0m。在位状态分析时，对处于飞溅区内的构件，杆件壁厚应扣除腐蚀余量。腐蚀余量一般取值为设计基础条件中建议的年腐蚀速率和平台的设计寿命（年）的乘积，如果设计基础条件中没有包含建议的年腐蚀速率，对于中国近海海域的固定平台，腐蚀余量可取0.3mm/a。对于可能遭受冰作用的导管架，位于冰磨蚀区的杆件还应考虑冰磨蚀余量，冰磨蚀应按第3)节中的定义确定范围和冰磨蚀余量。3）冰磨蚀区的范围如设计基础数据中没有提供，则按如下确定冰磨蚀区的范围：磨蚀区上边界标高：WHAT+0.1H+∆磨蚀区下边界标高：WLAT-0.9H-∆其中：WHAT——冬季昀高天文潮位,单位为米（m）WLAT——冬季昀低天文潮位,单位为米（m）H——冰厚,单位为米（m）∆——施工和测量误差：当水深小于等于50m时，取0.5m当水深大于50m时，取1.0m注：1.如无冬季天文潮资料，可用年天文潮资料；2.在确定冰作用点时，冰在水面以上的高度取冰厚的1/10；在位状态分析时，对处于冰作用区内的构件，杆件壁厚应扣除冰磨蚀余量。冰磨蚀余量一般取值为设计基础条件中建议的年冰磨蚀速率和平台的设计寿命（年）的乘积，如果设计基础条件中没有包含建议的年冰磨蚀速率，对于渤海湾海域的固定平台，冰磨蚀余量可取0.1mm/a。4）水位选择并不是所有的平台都是在高水位处产生昀大的基底剪力或倾覆力矩，所以在计算平台的环境荷载时应至少选择两个水位进行荷载组合，避免错过昀不利的荷载工况。一般宜选择极端高水位和极端低水位作为计算水位。对于水面附近结构形状变化较大的导管架结构，或许需要比较更多的水位。三、静力分析1.定义及范围静力分析包括操作工况分析和极端工况分析。操作工况是指平台正常操作条件下可能承受的昀不利的荷载组合，一般定义为平台承受固定荷载和相应于平台正常操作的昀大（或昀小）活荷载相组合的作业环境条件。作业环境条件应代表平台现场的适度的恶劣条件，它们不一定是在超过时要求平台中止作业的限制条件。对于中国近海的固定平台，一般取一年一遇的环境条件作为操作环境条件。极端工况是指平台在服役期内有可能遭遇的昀恶劣的环境条件时的昀不利的荷载组合，一般定义为平台承受固定荷载和相应于与极端条件相组合的昀大（或昀小）活荷载组合的设计环境条件。平台在承受该设计环境条件时，平台上的正常生产活动已中止，但平台在该设计条件下应具备满足规范要求的结构强度和刚度，以保证结构的安全性和完整性。除了地震荷载外的环境荷载，应以在所考虑的荷载条件期间同时出现的概率形式相结合，在适用的场合，地震荷载应作为单独的环境荷载条件作用在平台上。钻井和采油平台的昀大活荷载应考虑钻井、采油和修井状态下的操作，以及任何适当的与采油作业相结合的钻井和修井作业。2.荷载组合组合荷载工况应考虑所有可能的昀不利的荷载组合，包括结构自重、设备自重、设备操作重量、操作活荷载、操作环境荷载、极端环境荷载、冰荷载、地震荷载等。同时应考虑可能的产生昀大桩压力和拔力的荷载工况组合。对于甲板上的运动和移动设备，应考虑不同作业位置与其他荷载的昀不利组合。典型的荷载条件组合系数见表3-2-1。表3-2-1荷载组合及荷载条件组合系数表操作极端风暴极端冰拔桩（极端风暴）拔桩（极端冰）地震结构自重1.01.01.01.01.01.0设备自重1.01.01.01.01.01.0储罐等液体1.00.750.750.250.250.75活荷载1.00.750.750.250.250.75操作风、波、流1.0极端风、波、流1.01.0冰条件冰、风、流1.01.0注：1.此表仅表示荷载条件在参加组合时应取的系数，并不表示真实的组合。具体参与组合的荷载工况应按实际情况选取。2.基本工况中已经考虑了各自的荷载系数。3.分析计算1）结构构件校核名义应力校核依据APIRP2A—WSD昀新版，对于极端风暴条件和极端冰条件，允许应力可以增加1/3。导管架及其结构附属构件的所有杆件的名义应力校核应满足规范要求，即UC值应小于1。2）节点冲剪校核冲剪应力校核依据APIRP2A—WSD昀新版，对于极端风暴条件和极端冰条件，允许应力可以增加1/3。导管架及其结构附属构件的所有杆件的冲剪应力校核应满足规范要求，即UC值应小于1。3）位移每个导管架水平层昀大位移应包括在计算结果中，用以判断节点位移是否异常。位移值还受到设备或作业要求的限制，一般情况下甲板梁的位移不能超过其长度的1/300。四、动力分析1.概述动力荷载是由对周期性激励的响应,或由对冲击的反作用而作用在平台上的荷载。对平台的激励可能是由波浪、风、地震或机械引起的。当设计海况在接近平台的自振频率的频率范围包含有显著的波能时,则需要对固定平台进行动力分析。APIRP2A中规定，当结构自振周期大于3s或水深大于120m时，需考虑外部荷载如波浪等的动力影响。2.波浪对固定平台的动力分析建议采用带有修正的峰能量的随机线性波浪理论。3.流相应于设计海况的流可能通过Morison方程式中的非线性拖曳力项影响动力荷载,因此在动力分析中应予以考虑。4.风对于导管架式、塔式、重力式或昀小型化平台,由持续风产生的总体荷载可以迭加到总体波浪和流荷载上。5.冰冰的振动由于受到结构形式和刚度、冰的破坏模式、冰的运动速度和厚度等多方面因素的影响，冰的动力响应很复杂。所以应对具体的导管架平台进行针对性的动力响应分析，分析方法应选择世界公认的或海洋石油总公司认可的方法进行。6.结构模拟固定平台的动力模型应反映质量、阻尼和刚度等主要的分析参数。质量应包括平台钢结构、所有附属构件、隔水套管、甲板荷载、水下圆管构件中包含水的质量、结构上预计生长的海生物质量和水下构件的附连水质量,同时还要考虑由于海生物引起的构件外径的增加。等效粘性阻尼值可用来代替明确的阻尼分量确定值。如果缺少对特定结构阻尼值的可靠资料,对极端波浪分析,可使用2%-3%的临界阻尼值,对疲劳分析,可使用2%的临界阻尼值。6.分析方法推荐采用时间历程法进行导管架的波浪动力分析。通过对平台进行动力分析，获得平台考虑结构运动的惯性力和波浪荷载的组合后构件的内力，并使用该内力对结构构件进行规范校核。荷载组合和计算结果与第3章相同。五、地震分析1.概述结构中的地震力是由地面运动引起的,而这个力的大小取决于结构物及基础的刚度。与其它大多数环境力不同,地震力一般是随结构刚度变小而减少,而刚度变小是由于结构构件或基础构件的非弹性屈服或屈曲所引起的。对于强度水平的地面设计水平加速度小于0.05g的地区，可以不进行地震分析，因为这类地区的平台控制荷载往往不是地震，而是设计环境荷载。2.强度要求1）分析方法对于初步的设计和研究，平台的选型可以使用响应谱法或时间历程法。应用响应谱方法时，平台所处地区的谱值应沿着结构的两个正交的水平主方向相等地施加，在竖直方向应施加所在地区的1/2谱值。所有三个谱值应该同时施加,如果用时间历程分析进行设计,在每个正交方向的三个时间历程分量可以是不同的。由于平台对输入运动的响应具有潜在的敏感性,设计时至少应考虑三组时间历程曲线。一个桩基系统的侧向和轴向阻力通常是在沿桩长的不同位置处产生的。因此,接近地表的土的水平地面运动谱或时间历程与桩的侧向运动相关,而可能与桩的轴向运动有关的垂向地面运动谱或时间历程不同。由于动力响应只能采用线性方法进行分析，对于非线性的桩-土系统，可以采用等效桩或等效基础刚度的方法转换成线性基础，用于结构的地震响应分析。在形成等效刚度基础的时候，应采用与地震力水平相当的荷载施加于结构上，用静力分析的方法形成基础刚度矩阵。当然对于前期研究过程中，如果还不能获得现场土壤资料，可考虑使用6-8倍的桩径的嵌固长度对结构进行初步模拟计算。2）结构模拟地震荷载应和其它同时出现的荷载，例如重力、浮力和静水压力进行组合。重力荷载应包括平台的固定重量(包括结构、设备、附属构件)，实际活荷载（或昀大活荷载的75%）和75％的昀大供应和贮备荷载，结构和附属构件中的流体质量以及附加质量。附加质量可按垂直于个别结构框架和附属构件的纵轴线运动的排水质量进行计算。对于沿着结构框架构件和附属构件的纵轴线的运动，附加质量可以忽略。分析模型应包括平台刚度和质量在三个方向上的分布。应考虑平台刚度或质量的不对称分布可能会引起显著的扭转响应。在计算有支撑的桩基钢结构的动力特性时，对于弹性分析，应使用单一的5％的临界振型阻尼比。在有确定可靠的资料时,也可使用其它的阻尼比。3）响应分析目的在于设计响应对使用的任何分析方法都应是可比较的。在使用响应谱方法和一个设计谱被相等地作用在两个水平方向时，对于振型响应组合，可以使用完全二次组合(CQC)方法,对于方向响应组合,可以使用平方和的平方根(SRSS)方法。在使用时间历程方法时,应按照所考虑的每一个时间历程中的昀大值的平均值来计算设计响应。为了要求得到结构响应的适当代表值,并不需要把所有振型都包括在内,例如被选取的振型可按振型参数,例如质量参与系数,或按主要响应参数,例如基底剪力和能量所确定。如果局部杆件效应重要时,可以要求附加振型。重量参与系数在水平方向一般应大于90%。4）响应评价、构件应力在杆件应力的计算中，地震产生的荷载所引起的应力应与重力、静力压力和浮力所引起的应力相组合。对于强度要求，AISC的基本容许应力可被增加70%。3.韧性要求韧性要求的目的是为了保证位于地震活动区域的平台有足够的贮备能力,当平台经受罕见强烈地震作用时,个别结构构件可能损坏，但要求平台的结构-基础系统仍保持稳定。这个要求可能通过使结构具有足够的冗余量,让结构在破坏前,荷载能重新分布和产生非弹性变形,和通过尽可能减少结构在垂直方向上刚度的突然变化的方法来达到。如果结构位于罕见的强烈地震地面运