海上固定式导管架结构Pushover分析

马东

摘 要：本文介绍了海上导管架平台结构的倒塌原理，阐述了Pushover分析方法。利用海工建模软件建立海上导管架结构并施加基本载荷和环境载荷，计算出结构构件所受波浪力，在非线性分析软件中，逐级增加该波浪力，直至结构发生倒塌破坏，得到其极限承载力，并得出了结构的安全储备系数及薄弱位置，为将来固定式海工结构物及海上风电基础的安全性计算和延寿分析提供了参考。

关键词：导管架；Pushover；波浪载荷；储备系数

引言

导管架平台结构整体性好，承载能力较高，对打桩设备要求较低，且其整体结构是在陆上预制而成，施工相对方便，在海上采油平台及风电基础中得到了广泛的应用。

当结构超过其设计使用寿命时，可以做报废处理，也可通过不断升级改造和加固，延长其使用寿命。由于海洋环境的影响和意外情况的发生，结构在长期使用中势必会受到一些损伤破坏，从而导致结构结构强度下降，影响平台的安全性能。因此，对该类结构尤其是老龄结构进行极限承载力研究则十分重要。极限承载力研究平台结构安全风险评估的最重要的手段和方法。

1 基本理论

海上平台结构或风电基础结构较复杂，冗余度较高，属于高次超静定结构，冗余杆件的存在为整体结构提供了较大的强度保障，但结构构件在制作、安装及服役期间都有可能受到碰撞损伤、腐蚀、变形和疲劳破坏等，部分杆件的失效会引起整个结构的应力重新分布，从而使结构的非线性表现突出直至结构达到极限受损失效，极限承载力下降。因此该类结构物的安全风险评估必须研究结构体系的极限承载力。

基于非线性结构分析软件对导管架平台结构进行极限承载能力分析，对结构施加环境载荷，采用增量方式对环境载荷进行逐级放大，直至其发生倒塌其间主要经历屈服、塑性铰、杆件失稳、应力重分布、承载极限、结构倒塌等过程。

首先利用建模软件建立有限元结构模型，并利用水动力分析模块进行波浪载荷的计算，得到结构T.FEM文件及载荷L.FEM文件，将T文件及L文件合并为新的FEM文件。将该新文件导入非线性分析软件中，定义合理的工况组合及载荷步控制参数并进行计算，通过逐步加载的方式得到计算结果。

2 Pushover分析计算

2.1 结构模型

结构坐标系：采用笛卡尔坐标系，北向为X轴正向，西向为Y轴正向，垂直水面向上为Z轴正向，并取泥面处为Z=0，力和长度单位分别采用kN和m。

选取的导管架结构共有5个水平层，外部4根弦杆均为双倾设计，其中75m高度以上部分直径为2.2m，75m高度以下部分直径为3.2m。分别在高度为5m、40m、75m、105m及135m处设置水平X型支撑，并在各高度之间设置垂向X型支撑。另外，在高度为5m、105m、135处设置水平横向支撑，4个弦杆顶部分别设置4个NODEMASS，模拟甲板载荷，每个NODEMASS的值为5000t，结构总质量为25491.5t。整个结构包含53个节点，共划分128个单元。计算中每个杆件作为一个单元，因此模型所划分的单元数比其他软件大大减少，缩短了计算时间。本次分析暂不考虑桩土作用，因此可在每个导管腿底部设置6个自由度的弹簧约束模拟土壤对结构的作用，图1即为结构的有限元模型.

2.2 载荷

（1）基本载荷：

作用在导管架结构上的基本载荷包括结构的自重、甲板上的设备重力（已用NODEMASS模拟）及其所受到的浮力。

（2）环境载荷

本次模拟仅考虑Y方向正向的波浪载荷及流载荷。波浪周期为T=15s，波高H=28m，方向为Head=90°。波浪载荷的计算采用Stokes五阶波理论，由于导管架结构的构件均为细长结构，因此采用Morison公式计算载荷。

2.3 计算结果

本报告中，首先在结构上陆续加载结构自重、设备载荷和浮力作用，在这三个载荷作用之后，再继续加载波浪载荷及流载荷，对于波浪载荷程序可以自动搜索得出所有相位角对应的作用力最大的波浪载荷，并以此确定环境载荷作用下导管架结构所受的最大基础剪力，即参考载荷，此后，逐渐加载参考载荷直至结构倒塌，结构倒塌的标志是其所受的基地剪力趋于平缓或开始下降，倒塌时的基底剪力决定了结构的强度储备系数。

分析过程中，当结构加载至参考载荷的5.74倍时，结构开始出现倒塌，此后控制点的位移在增大，结构的基地剪力却在逐渐减小，即该结构的强度储备系数为5.74。

图2所示为结构Pushover分析结束时的变形图，由图中可以看出，结构破坏的位置是75m高度处至105m高度处的X型支撑，最后发生断裂，即该处的杆件强度较为薄弱。

结论

（1）本文所分析导管架结构的安全储备系数为5.74；

（2）该结构的薄弱位置为75-105m高度处的垂向X支撑，在类似结构的实际设计中可以作为参考；

（3）本文的研究方法可以推广到其他固定式海洋结构物的安全和风险分析中，对导管架平台类结构物在服役期间的安全评估及维修加固具有一定的指导意义。

参考文献

[1]API Recommended Practice 2A-WSD，Planning，Designing and Constructing Fixed Offshore Platforms，TWENTY-FIRST EDITION，December，2000

[2]孫斌，王晋等.深水导管架平台极限承载能力分析 [J].石油机械，2014，42，（11）：142-146.

[3]张兆德，韩晓风等.后服役期导管架式海洋平台的极限承载力分析 [J].石油机械，2007，35（10）：1-4，32

（作者单位：明阳智慧能源集团股份公司）