基于性能理念的导管架平台阻尼隔震技术及优化

刘 洋, 金 峤, 周 晶

(大连理工大学,大连 116024)

基于性能理念的导管架平台阻尼隔震技术及优化

刘 洋, 金 峤, 周 晶

(大连理工大学,大连 116024)

基于性能的抗震设计理论,提出了面向海洋平台结构的地震设防水准和性能目标,并阐述了平台结构失效模式及量化判别依据。针对胜利油田CB32A导管架平台的特点,在端帽与平台甲板之间设置阻尼隔震层,利用ANSYS有限元数值分析平台,对该导管架式海洋平台的阻尼隔震体系在设计地震及罕遇地震两种作用下的实际抗震性能水平进行分析,并对目标性能达标情况进行评估和结构优化。研究结果表明,隔震技术是海洋平台一种有效的减振控制手段,该平台能够满足结构的性能目标;对其进行截面优化设计也能在保证结构安全的前提下大幅度减少钢材的用量。

基于性能;导管架海洋平台;阻尼隔震;地震作用;优化设计

Abstract:Based on the performance-based anti-seismic design theory,the seismic fortification criteria and structure performance objectives for jacket platform are proposed,structure failure mode of the platform and quantified discrimination are also described.According to the characteristic of CB32A jacket platform of Shengli oil field,a damping isolation system is laid between the jacket cap and the platform deck.Using ANSYS finite element software to analyze actual seismic performances of damping isolation system under two diferent levels earthquakes input force,and situation of the objective performances is also evaluated,the structure is optimized.The result shows that damping isolation system is an effective method for jacket platforms,the performance objectives can be matched well for the system,and steel can be greatly reduced by optimization design with the insurance of the platform safety.

Key words:performance-based;jacket platform;damping isolation;earthquake action;optimization design

0 前言

导管架式海洋平台是目前应用最为广泛的中浅海海洋平台的结构形式,主要由导管架和上部组块两大部分组成,通过桩与海床连接固定,是海洋石油天然气资源开发的基础性设施。作为海上生产作业的主要生活基地,海洋平台长期处在恶劣的海洋环境中,不时承受着风、波浪、海流、地震、冰等环境载荷的作用。其中,波浪和地震是两种典型的动力荷载,能使导管架和上部甲板产生较大的位移和加速度,这不仅影响结构的安全和稳定,而且会降低平台上部机械设备工作效率与威胁工作人员的生命安全。

基于性能的抗震设计思想是由美国学者于20世纪90年代初提出[1],它能使设计出的结构在未来的地震灾害下维持所要求的性能水平,使结构设计从以往只注重结构的安全,到现今对结构的性能、安全、经济等诸多因素的全面重视,即不仅要保证人的生命安全,还要注重结构的稳定和可恢复性,避免结构的倒塌带来更大的经济损失。

近年来,关于海洋平台有效的结构振动控制方法研究取得了很大的发展,如利用 TMD、AMD、MR磁流变阻尼器和平台端部隔震等方法,这对提高结构的抗震性能起到了很大的帮助。随着海洋平台的发展,基于性能的概念也应被应用到此类建筑上来。

本文基于性能的理念,分析了平台结构的失效模式,并给出了量化判别依据,探讨了地震设防水准和结构的性能目标。针对CB32A导管架式海洋平台结构的特点,采用阻尼隔震方法,即在导管架端帽与上部甲板组块之间设置柔性的阻尼隔震层,利用ANSYS有限元软件建立数值模型进行地震作用下的时程反应分析,对平台在性能目标上的达标程度进行了评估,研究平台在不同的地震动荷载作用下、阻尼隔震层采用不同的阻尼和刚度参数时,阻尼隔震方法对平台减振的有利影响。最后,对平台在满足安全条件下进行结构优化,在保证结构安全性能的前提下,节约了钢材的用量,有较大的经济效益。

1 阻尼隔震技术

导管架式平台结构的阻尼隔震方案是在导管架端帽与上部组块之间设置阻尼隔震层[2～4],见图1。平台结构的这种端部隔震手段是通过隔震层的集中变形,使阻尼耗能器能充分发挥作用,耗散结构的输入能量,从而减小结构振动的反应。

阻尼隔震层由叠层橡胶隔震支座和阻尼耗能器组成,见图2。隔震层的净高一般为0.4 m～0.6 m,阻尼隔震层的侧向刚度k2和阻尼系数c2是隔震层的两个主要的设计参数,应根据导管架端帽的位移、甲板的加速度以及隔震层的最大相对位移等条件进行分析和设计。但目前还没有确定性的设计方案,本文选用两组隔震层参数进行计算。

2 结构失效模式及地震设防水准、结构性能目标

2.1 平台结构失效模式

基于性能风险设计的基本工作是对结构的失效模式的分析。本文仅考虑在地震荷载作用下结构的主要风险目标,以此建立的多种失效模式以及相对应的量化失效判据(见表1),这为制定平台的性能目标提供了量化性能依据。

表1 平台结构失效模式及判别指标

2.2 地震设防水准和结构性能目标

由于受到近海海域地震研究程度的限制,我国尚未制定专业的海洋平台的抗震设防规范。目前在地震活动性较高的海域内建造规模较大的构筑物,如石油平台,都是参照《工程场地地震安全性评价技术规范(GB17741-1999)》、《建筑抗震设计规范(GB50011-2001)》和《海上平台场址工程地址勘察规范(GB17503-1998)》中的有关规定进行设计,取50年内超越概率10%和0.5%(重现期为500和10 000年)分别作为海上平台的强度设计和变形设计的概率水准。

然而,根据我国渤海海域和南加利福尼亚地震活动特征与地震危险性的对比分析,以及对渤海海域内石油平台的分析计算可知[5],我国相关规范规定的海洋平台设计水准偏于保守:设计地震水平(强度设计下)GB17503-1998规定的地震动值是 RP2A-WSDL规范的1.35～1.46倍;设计罕遇地震(变形设计下),GB17503-1998规定的值是RP2A-WSD规范的1.58～1.60倍。

根据美国API规范规定的海洋工程的抗震设防水准得出[6]:(1)强度设计水准地震的重现期取200年,相当于30年设计基准期内超越概率14%,基本与我国甲类建筑物要求相当;(2)变形设计水准的地震重现期1 000年,相当于30年内超越概率3%,与我国特大型桥梁的抗震水准持平。而 GB17503-1998规范的要求超过了我国甲类建筑物标准,尤其是变形设计水准已经高于三峡大坝的要求,太过保守。综合以上原因,本文采用吕悦军[5]等人选用的海洋平台抗震设防水准(见表2),在考虑两级地震动水平前提下,规定其相应的平台结构性能目标满足以下要求:(1)设计地震,满足强度设计要求,结构与基础在此种地震动下无显著破坏;(2)罕遇地震,满足变形设计要求,结构与基础在此种地震动下无生命损失和严重污染,容许结构与基础有一些损坏,但不至于倒塌。结构的性能水平划分见表3。

表2 平台抗震设防水准

表3 结构性能水平

按照两级地震水准和“四档”结构性能水平,结合海洋平台结构的特殊性和重要性,可以将其抗震性能目标按表4划分。

表4 平台结构性能目标

3 基于性能理念的有阻尼隔震层的导管架平台算例

3.1 CB32A导管架平台数值模型

本文研究的目标海洋平台是位于胜利油田的CB32A导管架式海洋平台,其为典型的标准导管架海洋平台,由平台甲板、平台支撑梁、平面撑、斜撑、桩腿等组成。场地条件为二类场地,设防烈度为8度。平台工作点甲板标高为+12.500 m,平面尺寸为21.7×21 m2(分别是 X向与Y向),泥面以上的标高为-18.200 m,平面尺寸为18.84×16.84 m2,静水位标高为±0.000 m。平台下部为导管架结构,是平台的主要支承部分,结构下部为四条桩腿。导管架在水下分两个水平层,标高分别为-2.500 m和-18.200 m,此两个水平层间有纵横向的交叉斜撑,这使得结构抗侧移的能力大大增强;水平面以上有一个水平层,标高为+4.200 m。在标高+4.200 m和-2.500 m之间没有设置斜撑,相对薄弱。结构简图如图3所示。

根据CB32A导管架平台的的相关数据,利用ANSYS软件建立有限元模型,见图4。

利用ANSYS单元库中的SHELL163单元模拟平台甲板,BEAM188单元模拟平台甲板上的主梁和次梁,PIPE59单元模拟泥面以上的导管架部分,PIPE16单元模拟泥面以下的桩腿结构,COMBIN14单元模拟桩-土之间的相互作用,MASS21单元模拟甲板上部组块单元质量,COMBIN14单元模拟阻尼隔震层。坐标原点位于静水面。

3.2 阻尼隔震层参数

根据对CB32A平台结构的有限元模型进行动力特性分析,得到原结构的相关参数如下:

m=2981.751 T,k=1.2252×105kN/m,c=382.27 kN·s/m,结构基频ω=1.0202 Hz

利用简易化的两自由度体系(见图5),采用强行解耦法,得到第一振型阻尼比同c2的线性关系,隔震层参数根据以下原则确定[3]:(1)阻尼隔震层的层间位移不宜过大,务要满足海上平台施工工艺的要求;(2)当结构阻尼比大于20%时,增加结构阻尼比的减振效果不再明显。

为了比较不同隔震层参数对结构的影响,以及其满足性能目标的效果,本文针对CB32A平台本身刚度较大的特点选取了两组参数进行分析,见表5。

表5 CB32A平台阻尼隔震参数

图5 简化的两自由度体系

3.3 地震动输入参数

根据对我国渤海海域地震活动特征的研究[6],动力分析时选择了二类场地,按照我国 GB17503-1998规范对地震动参数的规定,分别选取地震加速度峰值为0.19 g(设计地震)和0.38 g(罕遇地震)的水平人工波和天津波,对CB32A平台的有限元模型进行了地震加速度时程分析,其中荷载工况的输入方向为Y方向。

4 地震荷载作用下CB32A平台结构的性能评估

4.1 平台结构安全

本结构钢材的抗拉强度为σs=315 MPa,工作环境下容许正应力为[σ]=189 MPa,容许剪应力为 [τ]=126 MPa,考虑无隔震及隔震(分别考虑 k2=0.2k1、k2=0.5k1两种参数)情况下的计算结果见表6。

表6 平台单元应力分析结果

从以上数据可以看出:(1)在给定的荷载工况下,结构单元应力都远小于材料的许用应力,都能达到结构在设计地震下安全正常使用无损害的性能指标;(2)增加隔震层之后,结构单元应力明显减小,说明端部隔震是海洋平台有效的振动控制方法;(3)本例中结构在罕遇地震下也能保证结构安全无损,说明结构安全冗余度较高,这与我国海上平台设计较保守、所研究的荷载工况较简单等情况有关,这为平台结构的进一步优化提供了条件。

关于结构管节点的冲剪应力和结构构件的稳定性计算,也都能满足结构安全无损的性能指标,且加隔震层之后的效果都比较明显。

4.2 人员感受和平台施工及设备要求

人员感受失效的主要指标就是甲板加速度,而施工工艺和上部机械设备工作要求则是甲板位移以及隔震层之后的甲板和端帽之间相对位移的大小,计算结果见表7。

表7 人员感受和机械设备的地震响应分析结果

由计算结果可知,端帽位移的减振效果大部分在70%以上,平台结构不会出现倒塌事故,对平台上部机械设备的影响应根据设备的具体要求来评估。甲板加速度减振效果达35%以上,即使在罕遇地震作用下也能达到20%以上,减振效果相当明显。在水平方向地震作用下人员具体感受可参照表8。在地震作用下如果没有阻尼隔震层,人员的生命安全会受到威胁;增加阻尼隔震层之后,虽然工效降低(或者不能工作),但人员的安全可以保证。其中,隔震层的刚度越小,隔震效果越好,人员越安全;隔震层刚度越大,人员的功效降低率会偏大,但人员的安全能得到保障。阻尼隔震层的层间位移的大小也会对平台上部机械设备有一定的影响,故位移不宜过大。隔震层相对位移的大小不仅跟地震的大小和形式有关,也与隔震层的设计参数有关:横向刚度越小,隔震层相对位移越大(但可能不会满足海上平台施工工艺和机械设备正常工作的要求);相反,横向刚度越大,相对位移越小。层间位移的大小应该根据具体设备的要求来设计。

表8 人体在水平振动下感受的各个阶段加速度临界值表 单位:(m/s2)

5 平台的优化设计

由上述工程实例的计算结果可知,导管架平台在增加了阻尼隔震系统之后,结构的单元应力大幅度减小,平台甲板的加速度和端帽的位移也明显减小,既保证了结构的安全、机械设备不受损害,也保证了工作人员的安全。但结构的安全冗余度过高,对于以后如大规模开采海洋油气资源而大量建造海洋平台,在经济上就会造成巨大的浪费,不符合我国国情。所以,本文对该平台进行了基于地震作用的结构截面优化设计,优化模型为

表9 CB32A平台优化结果

模型中:以导管架管的直径和壁厚 D、t作为设计变量(DV);以导管架单元的容许应力、导管架端帽的位移、甲板的加速度、管径和壁厚的上下限制作为约束条件 Gk(D、t),也即状态变量(SV);W(D、t)为目标函数(OBJ),目的是使结构用料的总体积最小,从而得到最低的造价。

本文采用ANSYS软件提供的子问题法(Sub-Problem)建立优化分析文件,对CB32A导管架平台进行优化设计计算。考虑水平人工波和天津波的罕遇地震的极端荷载工况(0.38 g)。部分管截面尺寸及导管架材料总体积的优化结果见表9。

由以上结果可以看出,增加阻尼隔震之后的平台,在能够满足结构、设备及人员安全的情况下,即使是极端地震荷载工况,也能节约25%以上的材料,这对于以后海洋平台大规模的建造在经济上提供了保证。

6 结论

我国海域辽阔,蕴藏着丰富的油气资源。海洋油气的大规模开发,使人类对海洋的利用越来越重视。故对长期处于恶劣海洋环境中的海洋平台,我们要求在保证其结构安全稳定的前提下,还要考虑到人的生命安全,并避免不该造成的巨大的经济损失。

根据以上情况,基于性能的抗震设计理念,本文在考虑地震作用条件下,针对海洋平台结构的地震设防水准进行了探讨,提出了平台结构的性能目标,并结合CB32A平台建立了有限元模型,研究阻尼隔震层的设置对平台结构抗震性能的影响。结果表明,作为国内典型导管架平台的代表,采用弹性设计的该海洋平台结构抗震安全冗余度较高,在不采用隔震措施的情况下,遇到罕遇地震作用时能保证结构安全,但不能保证平台上工作人员的生命安全;加装隔震系统后,不但使结构各项应力峰值大幅降低,而且平台端帽位移和甲板加速度的有效降低能提高平台工作人员的安全度与平台设备的完好率。最后,针对结构安全冗余度较高的情况,进行了结构的截面优化设计,能够有效节省大量的材料。总之,隔震技术的使用对提高固定式海洋平台的抗震安全性意义重大,结构的优化能为以后海洋平台的大规模发展节省大量资源,满足经济的要求。

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Study and Optimization Design of Jacket Platform with Damping Isolation System Based on Performance Theory

LIU Yang, J IN Qiao, ZHOU Jing
(Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

TU 352.12

A

1001-4500(2010)02-0011-07

2009-09-10

刘 洋(1985-),女,硕士研究生,从事结构的振动控制研究。