基于SESAM的导管架平台结构动力响应分析

渠基顺，管义锋，卢燕祥

(江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212003)

0 引言

海洋平台结构复杂、体积庞大、造价昂贵，与陆地结构相比，它处在恶劣的环境中，承受着多种随时间和空间变化的随机载荷，包括波浪、海流、风、潮汐及海冰等引起的载荷的联合作用，同时还受到地震的威胁[1]。对海洋平台进行动力分析，首先进行自由振动分析，确定平台结构的固有频率和振型;其次根据海洋平台的振动周期和平台作业区波浪的周期，分析平台结构发生共振的可能性;最后，对平台进行瞬态响应分析，计算平台在波浪力、风载荷和海流等作用下的动力响应，得到海洋平台在极端载荷下的位移、应力等强度和安全性的评价数据[2]。在波浪力及碰撞力的作用下，导管架与外界环境进行耦合，桩与土之间存在着非线性动力耦合作用。Berge和Penzien提出了波浪作用下结构的随机响应分析方法。波浪环境采用了修正的PierSon-Moskowitz波浪，研究了平台响应对波浪的敏感性问题，该方法最大的贡献在于引入了有限元分析程序。Kareem，Hsieh和Tognarelli[3]分析了海洋平台在非高斯海况载荷下的频域响应，比较了深海导管架平台在高斯和非高斯分布波浪载荷作用下振动响应的概率统计特性，计算了二阶波浪力对平台结构的影响。蔡厚平和谢云飞[4]运用ANSYS软件对导管架平台进行了模态分析，获得平台的模态振动规律，最终得出平台各个方向的模态规律及薄弱部分。

1 模型

1.1 导管架平台模型

本文以渤西油田QK18-2导管架平台为实例，不考虑桩-土的非线性，研究导管架平台在设计波浪作用下的动力响应。平台位于北纬38°36'56.62″，东经117°54'48.01″，西北距塘沽约43 km，海域平均水深8～11 m。平台结构以海平面为基准，导管架结构底部位于EL(－)8.800m处(EL代表高度)，顶部EL7.800 m处，甲板高程EL24.500 m，泥面高程EL(－)7.800 m。平台有6根导管，四角导管斜度均为10:1;中间立面斜度为7.071:1;EL (－)7.800 m至EL(－)1.200 m之间的主腿采用Φ1 333 mm×19 mm的钢管，EL(－)1.200 m至EL5.800 m的主腿采用Φ1 345 mm×25 mm的钢管。导管架设3个水平层，水面以下2层水平撑之间设有竖向斜撑。上部甲板结构采用空间板梁框架式，分为 3层，标高分别为 EL12.500 m，EL19.500 m，EL24.500 m。甲板铺满20 mm钢板。

平台模型如图1所示。

1.2 有限元模型

本文应用 SESAM软件中 Genie模块建立QK18-2平台模型。模型质量对分析结果的准确度有着重要影响，网格划分越精细，节点越多，计算结果越精确，但耗时较多。设置好网格单元的长度或数量，Genie可以自动对结构进行有限元划分，并赋予单元相应的属性。有限元计算对计算机性能要求较高，综合考虑计算时间和计算质量，导管架结构单元长度设置为0.8 m，上部平台结构单元长度设置为1.0 m，离散后导管架平台有限元模型见图2。

该有限元模型含有21 088个单元，11 374个节点，总计68 244个自由度。

图1 QK18-2平台模型

图2 QK18-2平台有限元模型

2 环境载荷

平台所处的环境非常恶劣，其载荷是多种多样的，不仅受到海风、海浪、海冰、潮汐的长期作用，而且还受到地震载荷的威胁。载荷可以分为以下几个种类:环境载荷、使用载荷、施工载荷。环境载荷要素见表1。

2.1 波浪载荷

Genie基于API-RP-2A规范计算作用在结构上的波浪载荷。对于给定的设计波高与其相应的波周期见表1，计算波浪力的步骤[5]如图3所示。与波浪同向的流能使波长加大，而与波浪方向相反的流能使波长缩短。本文考虑海流与波浪的传播方向一致，在Genie中，勾选多普勒效应，波浪的表观周期可以通过软件计算获得。对于该导管架平台所处海域海浪环境资料，考虑最不利情况，计算H/T2、d/T2值。

表1 环境载荷要素

式中:H为波高，H=5.2 m;d为静水面下高度，d= 7.8 m;T为波浪周期，T=7.6 s。

H/T2、d/T2的值处于Stokes5阶波理论适用范围，故本文的各个方向的波浪形式选择Stokes5阶波。本文计算过程中3个方向的波浪运动系数取值均为1.00。平台为6桩腿导管架结构，波流0°、64°、90°入射时的流速阻挡系数分别取0.75、0.85、0.80。

导管架海洋平台构件(忽略绕射作用)受到的波浪载荷(拖曳力和惯性力)可采用Morison公式计算。本文中的流体阻尼系数Cd和升力系数Cm按照API规范并结合工程实践经验分别取值为0.6和2.0。

2.2 风载荷

风荷载作为侧向载荷作用于平台结构上，其力的作用点高，力矩大，并有动力效应，使平台产生位移、摇动或疲劳[6]。因此，风载荷是平台设计必须考虑的自然环境载荷之一。

风速和方向随空间和时间不断的变化而变化。但对于典型的较大的海洋结构，在1 h持续时间段内的风的统计性质(如风速的平均值和标准偏差)在水平面内并不变化，只是在高度方向上变化。

API规范中，对于极端风暴条件下，海平面以上z处一个对应的平均时间段t[t≤t0;t0=3 600 s]内设计风速值u(z，t)由下式决定:

式中:z为相对于海平面的垂向高度，m;t为时间段的长度，s;V为在海平面以上10 m处1 h平均风速，m/s;Im为海平面以上z处紊旋强度。

我国《工业与民用建筑结构载荷规范》规定设计风速的重现期为30年;海洋建筑物由于所处海洋环境要比陆地恶劣，且一旦失事后果严重，因此其重现期比工民建规范要高，而定为50年。依据长期的实测资料，QK18-2平台处重现期为50年，极端风速为26.9 m/s。

图3 波浪力计算步骤

2.3 海流载荷

海流是指由于潮的作用、风的拖曳等原因引起的比较稳定的水流运动。

海流流速随水深而变化，其变化规律应按现场实测资料确定。实测资料不足时，泥面以上x高度处的海流速度u可按如下公式计算:

式中:u1为水面的潮流速度，m/s;u2为风在水面引起的海流速度，m/s;x为相对于泥面的垂向高度，m。

需要指出的是，此时公式中u应取波浪水质点速度矢量与海流速度矢量之和在垂直于杆件方向上的矢量。

3 计算工况

载荷的组合就是将各种可能最不利的条件下出现的载荷作为平台的载荷，据之进行结构内力分析，从而找到各构件在不同载荷组合情况下最不利的受力情况，作为结构设计的依据。

本文的目的在于分析平台结构的动力响应，主要将波浪载荷、风载荷、海流载荷列为控制载荷。考虑最不利环境，将极端波浪载荷、极端风载荷、极端海流载荷设置为从同一方向同时向平台结构进行入射。方向取沿0°(X轴)、64°(对角线)、90°(Y轴)。得平台动力分析3种计算工况:

自重+设备载荷+活载荷+极端风(0°)+极端波流(0°)、自重+设备载荷+活载荷+极端风(64°)+极端波流(64°)、自重+设备载荷+活载荷+极端风(90°)+极端波流(90°)。

文中各环境载荷系数均按照中国海洋石油天然气行业标准《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法-载荷抗力系数设计法》中的有关规定选取。

4 结果分析

4.1 模态分析结果

模态分析是其他各类型动力学分析的基础，主要是用于确定结构的振动特性，比如固有频率和各阶振型。固有频率和各阶振型是结构承受动力载荷设计中的重要参数，在确定出海洋平台的自振周期后，与平台作业区的波浪振动周期进行比较，来判断结构是否发生共振。使用Lanczos算法抽取QK18－2平台前10阶模态，见表2，部分振型图见图4。

表2 QK18-2平台各阶模态参数

由以上模态分析结果可知:

(1)模型前3阶振型为绕Z轴扭转振型，第4阶振型为绕X轴扭转振动，第5阶振型为绕Y轴扭转振动。第6阶起，开始出现局部振动。

(2)整体振动最大周期约为0.87 s，大大小于风暴波浪周期，因而出现整体振动的几率不大。

(3)振动主要位于导管架部分，上部平台振动幅度则很小，说明上层平台整体刚度大于导管架部分刚度。

图4 各阶模态振型图

4.2 动力响应分析结果

结构受风和波浪的作用，桩基承受巨大的水平剪力和倾覆力矩，特别是倾覆力矩较大时，桩还可能承受与压力载荷同量级的拉力载荷。限于文章篇幅，只截取第1种工况的部分结果图。

当风、波浪、海流入射方向为0°(沿X轴)时，泥面处导管架基座的水平剪力和倾覆力矩的大小随波浪行进的曲线如图5(a)至图5(d)所示。

图5 入射方向为0°(沿X轴)导管架基座的水平剪力和倾覆力矩

选取最上层甲板上的中心节点(2 049)为观察点，通过Xtract后处理模块搜索该节点位移最大响应值:

当波浪入射方向为0°时，该节点位移最大响应值为0.019 2 m，此时的波浪相位及杆件应力图分别如图6及图7所示。对应杆件的最大名义拉应力为17.82 MPa，最大名义压应力为53.84 MPa。

图6 最大位移响应对应杆件轴向应力(0°)

图7 最大位移响应对应杆件本地坐标系Y向剪切应力(0°)

通过对QK18-2平台结构的有限元动力响应分析，可以得出以下结论:

(1)根据固定式海洋平台规范要求，上甲板中心节点位移，容许位移取值小于平台高度的1/350～1/500，本平台允许位移最大值为0.045 m。当波浪由0°方向入射时，最上层甲板中心处位移响应最大，最大值为0.019 2 m≤0.045 m，即在极端风暴下的位移响应符合规范要求。

(2)根据固定式海洋平台规范的要求，平台结构容许正应力取值为0.6σr，σr为屈服应力取值为0.587σr。本平台使用临界应力σr为355 MPa高强度钢，允许最大正应力为213 MPa。

(3)当波浪由90°方向入射时，导管架杆件最大正应力为20.60 MPa，远远满足要求。平台主要受力构件为导管架，其受力变形也最为明显，因此在设计工作中，导管架结构的应力校核是重中之重。

5 结语

本文以渤西QK18-2导管架平台为例进行结构的波浪动力响应分析，目的是为了评估该平台的结构设计是否合理，平台结构是否具有足够的安全裕度。本文的主要内容和结论如下所述:

(1)本文介绍了海洋结构物设计中考虑的各种工况。因平台尺度较小，在建模过程中并没有将上层甲板平台进行简化，所有的围壁及舱室都已建出。事实上，在接下来的分析过程中，上层建筑的强度是绰绰有余的，没有出现明显的变形。

(2)因本文属于定性分析，因此建模过程中，将平台及导管架结构简化成空间刚架结构，但并未忽视管节点建模的基本要求。利用SESAM建立平台水动力模型后，随即进行平台的模态分析，发现最大自振周期远远小于设计波浪周期，得出该平台发生共振的可能性很小的结论。之后评估了平台在极端风暴下的位移的响应情况，从而对平台的振动水平进行评估。这种设计方法能够使平台结构的设计得到提前预估，从而提高平台的安全性能。

(3)从3种工况下平台的动力分析结果来看，平台的强度远远满足要求，留有充分的安全裕度。平台在3种极端风暴工况下，桩基始终都未出现拉应力，故可确认平台不会出现倾覆破坏。

[1] 欧进萍，段忠东，肖仪清.海洋平台结构安全评定理论、方法与应用[M].北京:科学出版社，2003.

[2] 李茜，杨树耕.采用ANSYS程序的自升式平台结构有限元动力分析[J].中国海洋平台，2003，18(4):41－46.

[3] Hsien Hua Lee，Ruey Ji.Vibration Mitigation of Structure in the Marine Envirnment[J].Ocean Engineer，1996，23(4):741－759.

[4] 蔡厚平，谢云飞.基于ANSYS的导管架平台模态分析[J].南通航运职业技术学院学报，2009，8(2):56－58.

[5] SY/T10030一2002，海上固定平台规划、设计和建造的推荐做法——工作应力设计法[S].2002.

[6] 竺艳蓉.海洋工程波浪力学[M].天津，天津大学出版社，1991.