基于性能的抗冰導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)研究.pdf

1、基于性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是使設(shè)計(jì)出的結(jié)構(gòu)在未來的災(zāi)害荷載下能夠維持所要求的性能水平，它要求在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中從以往只注重結(jié)構(gòu)的安全，向全面注重結(jié)構(gòu)的性能、安全、經(jīng)濟(jì)等諸多方面發(fā)展。針對(duì)我國(guó)渤海邊際油田抗冰導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的問題一基于極端靜冰荷載，沒有考慮冰激振動(dòng)帶來的巨大風(fēng)險(xiǎn)。本文結(jié)合“863”國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃“新型平臺(tái)抗冰振技術(shù)”(編號(hào)2001AA602015)項(xiàng)目，對(duì)邊際油田抗冰導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于性能的風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)，建立了柔性抗冰結(jié)構(gòu)的失

2、效模式，即設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并提出了相關(guān)判據(jù)；基于投資～效益準(zhǔn)則進(jìn)行海洋平臺(tái)抗冰振設(shè)計(jì)，將此轉(zhuǎn)化為以結(jié)構(gòu)整個(gè)壽命周期內(nèi)總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)的結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)問題。本文研究?jī)?nèi)容包括如下幾個(gè)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(gòu)設(shè)計(jì)思想的發(fā)展概況，概括了抗冰結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究狀況以及本文的研究工作。 第二章從投資一效益準(zhǔn)則、結(jié)構(gòu)壽命周期內(nèi)總費(fèi)用評(píng)估、初始造價(jià)評(píng)估、結(jié)構(gòu)失效損失值估計(jì)等方面；對(duì)基于性能的抗

3、冰導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論中的有關(guān)問題進(jìn)行了討論，認(rèn)為抗冰結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析及失效模式，即設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是基于性能設(shè)計(jì)的瓶頸。 第三章基于現(xiàn)場(chǎng)原型試驗(yàn)，對(duì)取得的冰荷載研究成果進(jìn)行了歸納，并且通過對(duì)渤海遼東灣抗冰結(jié)構(gòu)及上部設(shè)施的實(shí)時(shí)測(cè)量，進(jìn)一步明確冰激振動(dòng)對(duì)邊際油田抗冰導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)的影響。本章研究為抗冰結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的失效模式及結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析提供可靠的理論基礎(chǔ)。 第四章基于多年現(xiàn)場(chǎng)冰與結(jié)構(gòu)作用觀測(cè)以及冰荷載的研究成果，明確了冰激振動(dòng)對(duì)抗冰導(dǎo)管架

4、直立結(jié)構(gòu)和錐體結(jié)構(gòu)的影響，即冰致抗冰結(jié)構(gòu)動(dòng)力放大明顯。通過對(duì)失效構(gòu)件的力學(xué)分析、春季檢修法蘭松動(dòng)統(tǒng)計(jì)、法蘭松動(dòng)失效機(jī)理解釋及室內(nèi)試驗(yàn)，進(jìn)一步論證了渤海石油柔性抗冰結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(dǎo)管架平臺(tái)為典型的柔性抗冰結(jié)構(gòu)；冰振不僅可以引起顯著的管結(jié)點(diǎn)疲勞應(yīng)力：還可以引起較大的甲板加速度響應(yīng)，危害平臺(tái)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(duì)抗冰結(jié)構(gòu)失效模式的分析，建立了冰激振動(dòng)下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力失效量化分析方法。包括基于監(jiān)測(cè)的抗冰結(jié)構(gòu)疲勞壽命估算、冰激振動(dòng)對(duì)作業(yè)人員的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、以及冰激抗冰平臺(tái)上部管線系統(tǒng)的振動(dòng)分析。本章研究彌補(bǔ)了抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全評(píng)估中忽略冰激振動(dòng)的不足，很大程度上促進(jìn)了現(xiàn)役抗冰平臺(tái)在冰激振動(dòng)下的安全評(píng)估，為形成更好的平臺(tái)失效標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)造良好的理論基礎(chǔ)。 第六章針對(duì)抗冰海洋平臺(tái)不同類型的失效模式，提出了相應(yīng)的可靠度計(jì)算方法。首先，利用M0nte-Ca

6、rlo隨機(jī)抽樣，通過對(duì)大量樣本統(tǒng)計(jì)分析，得到了冰區(qū)導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體抗力及極值冰力響應(yīng)的概率統(tǒng)計(jì)，在此基礎(chǔ)上提出了冰區(qū)海洋平臺(tái)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(jī)制來研究海洋平臺(tái)冰振動(dòng)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(duì)冰速、冰厚隨機(jī)冰載的等效應(yīng)力幅值的近似計(jì)算方法，進(jìn)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(gòu)風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)中的基本工作。 第七章基于投資一效益準(zhǔn)則進(jìn)行海

7、洋平臺(tái)抗冰振設(shè)計(jì)，將此轉(zhuǎn)化為以結(jié)構(gòu)整個(gè)壽命周期內(nèi)總費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)的結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)問題。確定了冰區(qū)海洋平臺(tái)全壽命總費(fèi)用的評(píng)估模型：考慮了抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)多種類型的性能要求(結(jié)構(gòu)、設(shè)備、人員)，建立極端冰荷載和動(dòng)冰荷載下各種失效模式的損失值評(píng)估方法。基于先前建立的抗冰結(jié)構(gòu)各種失效模式的失效概率計(jì)算，以渤海某抗冰平臺(tái)為例，實(shí)現(xiàn)了全壽命總費(fèi)用最小的抗冰海洋平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，基于投資.效益準(zhǔn)則的風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)模型對(duì)冰區(qū)海洋平臺(tái)最優(yōu)設(shè)計(jì)是可行的，并且