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深浅海自升式平台结构非线性分析方法研究

任宪刚  
【摘要】:随着海洋石油开发力度的加大,自升式平台逐渐走向较深水和环境恶劣海域。在这样的海域应用自升式平台的关键在于精确反映平台与环境之间发生的物理过程。本文主要研究适合于深水和恶劣海域的自升式平台动态评估的模型、边界问题以及科学的分析方法。本文目的在于寻求科学、高效的方法进行结构、桩基和波浪载荷的非线性分析。 随着水深的增加,自升式钻井平台的桩腿长度和主尺度均发生很大的增加,其固有周期相对固定式平台来说增加了很多,并逐渐接近波浪的主要周期范围,因此平台的动态响应问题变得非常明显。解决深浅海(水深超过90米)自升式钻井平台的结构非线性分析方法问题,是改进深浅海自升式平台性能,降低深浅水油气开发成本的一个关键。本文围绕以下几个方面进行深入研究: 1)深浅海自升式平台结构性能分析方法研究,对比了传统的设计波法和更加高级的随机分析方法在海洋结构性能分析中的应用,深入研究了这两种方法的针对深浅海海域(水深大于90米)的适用性与局限性,总结出适合于深浅海自升式平台动态性能分析的方法,降低传统分析方法中不必要的保守,提高平台的整体性能。还提出深浅海自升式平台结构性能研究分析的一般指导性思路,以及自升式钻井平台动态响应分析的四种方法。为深浅海自升式钻井平台的结构非线性的关键技术研究及系统研究提供了基础。最后尝试以国际主流的三种桩腿结构的自升平台为例进行分析,验证和实践前述的理论。 2)自升式平台桩基固定性研究,自升式平台的桩基固定性研究一直以来都是改善自升平台性能的焦点问题,在浅水中桩基的固定性问题对平台动态性能的影响很小,因此常常忽略,但是随着水深增加到深浅水海域,其固定性问题变得异常突出,对平台的动态响应分析产生较大影响,必须采用合理的方法解决其固定性问题,降低其对平台性能的影响,提高平台整体性能。本文对比研究了解析法和数值分析法获得的桩基-土壤相互作用结果曲线,并采用考虑土壤应变硬化规律的模型C理论对平台桩基土壤的弹塑性边界问题进行研究,以确定桩基与土壤之间的固定刚度,用于模拟桩基在土壤中的组合垂直、力矩和水平载荷,改善桩基-土壤之间的设计边界,希望可以大大提高深浅海域自升式平台的动态性能。 3)应用前面阐述的结构性能研究方法、采用应变硬化理论的桩基-土壤边界,结合NewWave理论对深浅海自升式平台的动态非线性问题进行研究,通常在计算波浪与结构物相互作用时都采用规则波假定,例如Airy波和Stokes波,波高一般采用实测有效波高,这种方法认为所有的波浪能量都集中在一个波浪频率上,从而忽视了海洋波浪实际的宽谱特征使得计算出的结构物动态响应不具有代表性。 文章阐述了新波浪理论(NewWave)的基本概念,介绍了一种新型的极限入射波浪模型,该模型考虑了海浪的随机性、谱性和非线性。新建立的波浪模型不仅可以作为恶劣海域海洋结构计算时最不利波浪力设计标准,而且可使平台的全向二阶波浪力计算得到极大的简化,节省大量的时间成本。文中还阐述了NewWave理论模型引入到波浪与结构物相互作用水动力计算的方法和步骤。最后对基于NewWave理论的三种不同桩腿结构形式的自升式平台的非线性动态响应进行分析,同时对比基于国际通用的传统设计方法的自升式平台的非线性响应分析结果,总结出分析方法和边界问题在深浅水自升式钻井平台设计中的重要地位,对于提升深浅海自升式平台的结构设计起到极大的改善。


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