海洋平台结构优化设计理论与方法研究

【摘要】： 本文以结构优化设计理论、决策理念、工程模糊集理论以及结构可靠度分析方法为基础，在总结已有研究成果的基础上，对海洋平台的优化设计理论和方法进行了研究，具体开展了以下几方面的工作： 1．考虑桩—土之间相互作用的非线性特性基础上，采用非线性等效弹簧模拟海底土层对桩基的作用，对桩基进行有限元分析。采用两级模糊模式优选方法，对选取的5种桩基贯入深度方案进行了4个指标的综合评判，使选取的方案能同时满足海洋平台桩基建造、服役期间的经济性和安全性等多个目标的要求。最后得出了适合给定荷载和海底地质条件下合理的桩基贯入深度方案。 2．综合考虑初期投资、建造运营期间的安全性、维修费用、耐疲劳及腐蚀性能、施工工期、施工难易程度和对环境的破坏程度等多项条件，建立了基于水深和地质条件的海洋平台选型多目标优化模型。采用三标度层次分析法，同时引入梯形模糊数的概念，提出了三标度模糊层次分析法(T-FAHP)。针对我国近海油田开发的特点，将水深划分为6个深度区间，为每一深度区间提供备选的平台型式，同时将海底地质条件划分为4种类别。通过实例分析表明，利用该模型，可以选择出适合给定水深范围和海底地质条件的最佳平台型式，为海洋平台的初步设计和建造提供依据和参考。 3．分析了预应力混凝土海洋平台配筋优化设计的特点，建立了截面配筋的混合离散变量优化设计模型。模型中将竖向和环向单位宽度范围内预应力钢绞线、普通钢筋的根数以及单根受力筋的截面面积或者直径作为离散变量，截面壁厚作为连续变量，以单位宽度范围内的材料总造价作为目标函数，以规范对混凝土平台的强度、抗裂及构造等要求作为约束条件。 4．分析了混凝土—钢组合平台的结构及构造特点，指出由于其涉及混凝土、钢筋和钢等多种材料，结构型式较为复杂，采用传统的尺度优化方法会遇到许多困难，甚至无法将优化进行下去。将多级优化方法应用到混凝土—钢组合平台的优化设计中，把平台的整个优化过程分为系统级优化和子结构级优化，系统级优化采用连续变量优化设计方法，对于截面配筋的子结构级优化采用混合离散变量优化设计方法。优化原则为在系统和子结构之间进行迭代协调，直到最后收敛。计算结果表明，这一方法在混凝土—钢组合平台结构优化设计中的效果是明显的。 5．对钢质导管架平台而言，海洋环境的强腐蚀性是一种极大的危害。已有的优化设计方法仅仅考虑平台的初始造价最低或者重量最轻，这种方法得到的最优设计实际上是在平台投入使用时刻满足规范要求条件下的最低水平设计。然而由于海水的腐蚀作用，平台的截面几何尺寸会逐渐减少，钢材的性能会逐渐降低，因此即使经过很短的时间某些约束条件就会得不到满足，这样就需要对结构进行维修加固，从而增加了维修加固的频率和费用，也就是说初始的最优设计实际上并不是最优的。本文基于此建立了考虑腐蚀影响的导管架平台模糊优化设计模型，通过建立腐蚀规律方程，将设计变量及材 摘 要 料性能根据计划维修时间进行折算后再代人约束条件，而目标函数则取设计变量的原始 值。利用本文建立的导管架平台灵敏度分析的解析方法，将约束条件对设计变量的隐式 函数显式化，可以在很大程度上提高计算精度，减少结构重分析的次数。通过对渤海 BZ28上 油田储油平台的优化计算验证了本文建立的模型的有效性及考虑腐蚀影响的必 要性，并且分析了计划维修时间及约束容差系数对目标函数的影响规律。 6．基于海洋导管架平台的工作环境和结构特点，将其设计投资、维修费用及失效 损失结合起来，提出了导管架平台的全过程优化设计模型。该模型以平台结构系统服役 期内的总费用为目标，以划分的结构层单元的初始可靠度为设计变量，推导出了总费用 模型中的各组成部分关于初始可靠度的解析表达式，并且根据是否考虑系统可靠度约束 得到了不同的优化模型。通过对一实际平台的全过程优化计算表明，这一方法不仅能够 提高导管架平台的初始设计水平，而且还可以指导其在使用操作过程中的检测、维修， 既能节省其整个寿命过程中的投资费用，又能保证运营期间的安全性。