基于性能的抗冰導管架結(jié)構風險設計研究.pdf

1、基于性能的結(jié)構設計是使設計出的結(jié)構在未來的災害荷載下能夠維持所要求的性能水平，它要求在結(jié)構設計中從以往只注重結(jié)構的安全，向全面注重結(jié)構的性能、安全、經(jīng)濟等諸多方面發(fā)展。針對我國渤海邊際油田抗冰導管架平臺設計中出現(xiàn)的問題一基于極端靜冰荷載，沒有考慮冰激振動帶來的巨大風險。本文結(jié)合“863”國家高技術研究發(fā)展計劃“新型平臺抗冰振技術”(編號2001AA602015)項目，對邊際油田抗冰導管架結(jié)構進行基于性能的風險設計，建立了柔性抗冰結(jié)構的失

2、效模式，即設計準則，并提出了相關判據(jù)；基于投資～效益準則進行海洋平臺抗冰振設計，將此轉(zhuǎn)化為以結(jié)構整個壽命周期內(nèi)總費用最小為目標函數(shù)的結(jié)構最優(yōu)設計問題。本文研究內(nèi)容包括如下幾個方面： 第一章介紹了本研究的背景、意義，回顧了邊際油田抗冰結(jié)構設計思想的發(fā)展概況，概括了抗冰結(jié)構動力分析與優(yōu)化設計的研究狀況以及本文的研究工作。 第二章從投資一效益準則、結(jié)構壽命周期內(nèi)總費用評估、初始造價評估、結(jié)構失效損失值估計等方面；對基于性能的抗

3、冰導管架結(jié)構設計理論中的有關問題進行了討論，認為抗冰結(jié)構的動力分析及失效模式，即設計準則是基于性能設計的瓶頸。 第三章基于現(xiàn)場原型試驗，對取得的冰荷載研究成果進行了歸納，并且通過對渤海遼東灣抗冰結(jié)構及上部設施的實時測量，進一步明確冰激振動對邊際油田抗冰導管架結(jié)構的影響。本章研究為抗冰結(jié)構性能設計的失效模式及結(jié)構動力分析提供可靠的理論基礎。 第四章基于多年現(xiàn)場冰與結(jié)構作用觀測以及冰荷載的研究成果，明確了冰激振動對抗冰導管架

4、直立結(jié)構和錐體結(jié)構的影響，即冰致抗冰結(jié)構動力放大明顯。通過對失效構件的力學分析、春季檢修法蘭松動統(tǒng)計、法蘭松動失效機理解釋及室內(nèi)試驗，進一步論證了渤海石油柔性抗冰結(jié)構的動力失效模式，并確定了各種失效模式的失效判據(jù)。分析結(jié)果表明，渤海特殊的環(huán)境條件及石油分布決定了渤海導管架平臺為典型的柔性抗冰結(jié)構；冰振不僅可以引起顯著的管結(jié)點疲勞應力：還可以引起較大的甲板加速度響應，危害平臺上部管線的安全，降低作業(yè)人員的工作效率。 第五章基于前一

5、章節(jié)對抗冰結(jié)構失效模式的分析，建立了冰激振動下結(jié)構的動力失效量化分析方法。包括基于監(jiān)測的抗冰結(jié)構疲勞壽命估算、冰激振動對作業(yè)人員的風險評估、以及冰激抗冰平臺上部管線系統(tǒng)的振動分析。本章研究彌補了抗冰結(jié)構設計和安全評估中忽略冰激振動的不足，很大程度上促進了現(xiàn)役抗冰平臺在冰激振動下的安全評估，為形成更好的平臺失效標準創(chuàng)造良好的理論基礎。 第六章針對抗冰海洋平臺不同類型的失效模式，提出了相應的可靠度計算方法。首先，利用M0nte-Ca

6、rlo隨機抽樣，通過對大量樣本統(tǒng)計分析，得到了冰區(qū)導管架海洋平臺結(jié)構整體抗力及極值冰力響應的概率統(tǒng)計，在此基礎上提出了冰區(qū)海洋平臺整體可靠度分析的高效近似算法。其次，采用首次超越破壞機制來研究海洋平臺冰振動力可靠性問題；最后，結(jié)合現(xiàn)有的冰疲勞環(huán)境荷載及冰力譜函數(shù)，提出了相對冰速、冰厚隨機冰載的等效應力幅值的近似計算方法，進行疲勞壽命及可靠性分析。本章的研究是基于性能的抗冰結(jié)構風險設計中的基本工作。 第七章基于投資一效益準則進行海

7、洋平臺抗冰振設計，將此轉(zhuǎn)化為以結(jié)構整個壽命周期內(nèi)總費用最小為目標函數(shù)的結(jié)構最優(yōu)設計問題。確定了冰區(qū)海洋平臺全壽命總費用的評估模型：考慮了抗冰平臺結(jié)構多種類型的性能要求(結(jié)構、設備、人員)，建立極端冰荷載和動冰荷載下各種失效模式的損失值評估方法。基于先前建立的抗冰結(jié)構各種失效模式的失效概率計算，以渤海某抗冰平臺為例，實現(xiàn)了全壽命總費用最小的抗冰海洋平臺優(yōu)化設計。結(jié)果表明，基于投資.效益準則的風險設計模型對冰區(qū)海洋平臺最優(yōu)設計是可行的，并且