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基于性能的抗冰导管架结构风险设计研究

张大勇  
【摘要】: 基于性能的结构设计是使设计出的结构在未来的灾害荷载下能够维持所要求的性能水平,它要求在结构设计中从以往只注重结构的安全,向全面注重结构的性能、安全、经济等诸多方面发展。针对我国渤海边际油田抗冰导管架平台设计中出现的问题—基于极端静冰荷载,没有考虑冰激振动带来的巨大风险。本文结合“863”国家高技术研究发展计划“新型平台抗冰振技术”(编号2001AA602015)项目,对边际油田抗冰导管架结构进行基于性能的风险设计,建立了柔性抗冰结构的失效模式,即设计准则,并提出了相关判据;基于投资—效益准则进行海洋平台抗冰振设计,将此转化为以结构整个寿命周期内总费用最小为目标函数的结构最优设计问题。本文研究内容包括如下几个方面: 第一章介绍了本研究的背景、意义,回顾了边际油田抗冰结构设计思想的发展概况,概括了抗冰结构动力分析与优化设计的研究状况以及本文的研究工作。 第二章从投资-效益准则、结构寿命周期内总费用评估、初始造价评估、结构失效损失值估计等方面,对基于性能的抗冰导管架结构设计理论中的有关问题进行了讨论,认为抗冰结构的动力分析及失效模式,即设计准则是基于性能设计的瓶颈。 第三章基于现场原型试验,对取得的冰荷载研究成果进行了归纳,并且通过对渤海辽东湾抗冰结构及上部设施的实时测量,进一步明确冰激振动对边际油田抗冰导管架结构的影响。本章研究为抗冰结构性能设计的失效模式及结构动力分析提供可靠的理论基础。 第四章基于多年现场冰与结构作用观测以及冰荷载的研究成果,明确了冰激振动对抗冰导管架直立结构和锥体结构的影响,即冰致抗冰结构动力放大明显。通过对失效构件的力学分析、春季检修法兰松动统计、法兰松动失效机理解释及室内试验,进一步论证了渤海石油柔性抗冰结构的动力失效模式,并确定了各种失效模式的失效判据。分析结果表明,渤海特殊的环境条件及石油分布决定了渤海导管架平台为典型的柔性抗冰结构;冰振不仅可以引起显著的管结点疲劳应力;还可以引起较大的甲板加速度响应,危害平台上部管线的安全,降低作业人员的工作效率。 第五章基于前一章节对抗冰结构失效模式的分析,建立了冰激振动下结构的动力失效量化分析方法。包括基于监测的抗冰结构疲劳寿命估算、冰激振动对作业人员的风险评估、以及冰激抗冰平台上部管线系统的振动分析。本章研究弥补了抗冰结构设计和安全评估中忽略冰激振动的不足,很大程度上促进了现役抗冰平台在冰激振动下的安全评估,为形成更好的平台失效标准创造良好的理论基础。 第六章针对抗冰海洋平台不同类型的失效模式,提出了相应的可靠度计算方法。首先,利用Monte-Carlo随机抽样,通过对大量样本统计分析,得到了冰区导管架海洋平台结构整体抗力及极值冰力响应的概率统计,在此基础上提出了冰区海洋平台整体可靠度分析的高效近似算法。其次,采用首次超越破坏机制来研究海洋平台冰振动力可靠性问题;最后,结合现有的冰疲劳环境荷载及冰力谱函数,提出了相对冰速、冰厚随机冰载的等效应力幅值的近似计算方法,进行疲劳寿命及可靠性分析。本章的研究是基于性能的抗冰结构风险设计中的基本工作。 第七章基于投资—效益准则进行海洋平台抗冰振设计,将此转化为以结构整个寿命周期内总费用最小为目标函数的结构最优设计问题。确定了冰区海洋平台全寿命总费用的评估模型;考虑了抗冰平台结构多种类型的性能要求(结构、设备、人员),建立极端冰荷载和动冰荷载下各种失效模式的损失值评估方法。基于先前建立的抗冰结构各种失效模式的失效概率计算,以渤海某抗冰平台为例,实现了全寿命总费用最小的抗冰海洋平台优化设计。结果表明,基于投资-效益准则的风险设计模型对冰区海洋平台最优设计是可行的,并且与基于规范的静力设计和考虑动力的最优设计相比更加合理。 最后,对全文工作进行总结,并提出了需要进一步研究的内容。


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