海洋导管架平台疲劳问题分析

张淑华，徐 磊，钱 进

（河海大学，南京210098） ＊

海洋导管架平台疲劳问题分析

张淑华，徐 磊，钱 进

（河海大学，南京210098）＊

疲劳破坏是海洋工程结构的一种主要破坏模式。导管架平台受到海洋复杂载荷的作用，由于交变应力的随机性以及材料性能的分散性，结构的疲劳具有随机性和不确定性，因此要从概率的角度进行疲劳可靠性分析。采用ANSYS软件对导管架平台建模，利用S－N曲线模型以及Miner线性损伤理论，对结构的疲劳可靠性进行评估。将整个导管架结构系统简化成串并联模式，应用分枝限界法来寻找系统的主要疲劳失效模式，并对系统的可靠性作出评价，以供工程实际参考。

导管架；疲劳；系统可靠性

导管架平台是我国最主要的一种海洋平台形式［1］。在服役期间，导管架结构受到波浪、海流、风、冰等复杂的环境载荷作用，疲劳破坏是其主要破坏形式［2］。结构最主要的交变应力是由于波浪的不规则变化形成的，事实上任一载荷都不是确定的，而是随时间不规则变化的。结构的疲劳破坏是一个累积损伤过程，载荷不管大小都会在一定时间内对结构造成一定的疲劳损伤。把这些不规则变化当成随机变量处理，研究在这些随机变化下结构不产生疲劳破坏的概率，即结构的疲劳可靠性分析。

现行的抗疲劳设计方法有名义应力法、局部应变法、损伤容限法等。局部应变法是一种基于应变的、考虑弹塑性变形的疲劳寿命估算法，此方法对以弹性变形为主的疲劳进行计算时经常产生较大误差，但却是一种很有研究前景的疲劳估算法。损伤容限法是在断裂力学的基础上通过估算裂纹扩展速率的一种新方法，此法只能对裂纹扩展阶段的寿命进行评估。本文采用的名义应力法计算简便，且有大量的数据积累，在海洋工程中得到了广泛的应用。在导管架的疲劳计算中采用美国石油学会推荐的API－X曲线［3－5］。

1 疲劳可靠性分析

1.1 疲劳破坏机理

疲劳破坏与静强度破坏有着本质的区别。静强度破坏是构件危险截面上的应力超过其抗拉强度而造成断裂失效，或是超过其屈服点发生过大的残余变形引起最终失效。疲劳破坏在构件的局部应力最大处出现，在循环应力作用下出现微裂纹，再继续扩大成宏观裂纹，宏观裂纹再继续发展就导致了疲劳断裂。疲劳破坏具有低应力性、突然性、时间性、敏感性。

1.2 疲劳分析方法

本文采用的名义应力法以S－N曲线和Miner线性累积损伤理论为基础。Miner理论简单、方便，在工程中得到了广泛的应用，它认为疲劳过程是一个临界值的积累过程，交变应力下的任一循环都会对构件产生一定程度的疲劳损伤，因而就会消耗一定程度的结构寿命［6］。结构疲劳损伤总量就是按照适当的原理将由不同幅值的应力循环产生的疲劳损伤相加得到的，即

式中，Δσ即应力范围S，MPa；Δσref为在N＝2×106处的应力范围值。

对X曲线，m＝4.38，Δσref＝100MPa，其对数表达式为

1.3 疲劳寿命可靠度［7－9］

交变应力的随机性以及材料性能的分散性说明，用确定性的方法来描述不确定因素是不适合的，因此要应用结构可靠性理论，从概率的角度对结构的疲劳寿命进行合理预测。结构可靠性理论通过随机变量或随机过程对各种不确定因素进行描述，用在服役期内结构不出现疲劳破坏的概率衡量结构寿命是否合格。

用pr来表示结构疲劳寿命的可靠度，即疲劳寿命Tf大于或等于设计寿命TD的概率，即

式中，ni为给定应力幅值下的循环次数；Ni为S－N曲线上给定应力幅值的允许循环次数。

API－X曲线是由美国石油学会推荐的，其表达

式为

而Tf＜TD的概率就是结构的疲劳失效概率，用pf表示为

安全余量为

此时，可靠性指标可表示为

式中，μlnΔ、μlnA、μlnB分别为lnΔ、lnA、lnB的均值；σlnΔ、σlnA、σlnB分别为lnΔ、lnA、lnB的标准差。

这样得到的结构疲劳可靠度以及疲劳失效概率分别为

如果用基本随机变量A、B、Δ的中值及变异系数来表示，可得可靠性指标为

式中，A、B、Δ为基本随机变量；G为极限状态函数。

在海洋工程结构中，对数正态格式是计算结构疲劳寿命可靠度的最常用做法。式（6）的安全余量在对数正态分布下可以写为

2 海洋导管架平台系统疲劳可靠性分析

海洋导管架平台是由大量结构构件组成的一个复杂系统，有时1个甚至几个管节点毁坏并不一定代表整个系统毁坏。若仅从某一个构件的角度来估算整个结构的疲劳寿命是不适当的，因此要通过结构可靠度，从整个系统的角度来研究。

2.1 结构的基本系统模型

结构的系统失效可分为串联系统、并联系统和串并联系统3种类型。在串联系统中只要有1个失效即整体失效。并联系统认为所有极限状态都失效，整体才失效。串并联系统由串联系统和并联系统组合而成，一般认为串并联系统才是最接近工程实际的。串并联系统认为系统失效是由一定量的失效模式构成的串联系统，而每一个失效模式一定量的结构构件失效事件构成的并联系统，只有当某一个失效模式中的每一个构件失效事件都出现时，才会出现系统失效。

本文计算时采用串并联系统模型，如图1。

图1 串并联模式

2.2 结构系统主要失效模式的判别

用所有的失效途经来计算整体的可靠度是不现实的，系统的主要失效模式是指对系统的疲劳失效起着重要影响作用的关键失效途径。计算结构系统可靠性时只需寻找到这些发生概率较大的主要疲劳失效模式就可以了，其余的失效途径对系统的影响可以忽略。

本文应用分支界限法来寻找系统的主要疲劳失效模式。分支界限法是一种系统化的解法，它将问题的解像树的分支一样展开，接着在每一个分支中搜索最佳解。分支界限法在运行时把所有可能的解不断分割，形成一个个分支，把每个分支的解都设置一个上界或下界，剔除超出界限的解，这样就缩小了搜索范围，不断进行此过程直至寻找到可行解。其过程原理如图2所示。

图2 分支限界过程

图中，CS代表主要失效模式；DL代表已经被删除了的失效途径；CF代表继续向前搜寻的失效途径；K表示失效级。

结合海洋导管架平台，本文采用如下3个判断：①1个桩腿疲劳失效；②任意2个横撑疲劳失效；③任意3个构件疲劳失效。只要出现上述三者之一，即判断整个系统失效。

3 算例［4－10］

导管架由4根直径∅1 326mm×25mm的导管组成，设有3道水平横撑，横撑规格为∅610mm ×20mm，潮差段以下设置∅610mm×14mm的斜撑。导管架上部由立柱、斜撑、甲板构成，上部平台面积是24×17.125m2，上、下2层甲板的厚度分别为80mm、30mm，斜撑为∅406.4mm×15.88mm，立柱采用∅1 326mm×25mm。导管架整体高度为15.5m。导管架插入4根桩基中，桩基深入泥下42 m，导管架和桩基之间的空间用水泥浆灌入。

导管架所处的环境条件如表1～4所示。

表1 水深和潮位

表2 波浪

表3 海流流速

表4 风速

用ANSYS软件建立平台有限元模型如图3。

图3 平台有限元模型

计算得出的结构未失效时的结果如表5所示。

由上表可以看出节点1519首先脆性断裂。为此，计算以节点1519为起点的失效途经产生的概率。如此，采用分支限界法后共可得到14条关键失效途经，各关键失效途经的代码及疲劳可靠度如表6所示

表6 各失效路径的可靠度

用简单上下限法计算整个导管架平台结构的可靠度为

4 结语

导管架平台作为我国最主要的海洋平台形式，研究其结构的疲劳寿命具有重要的现实意义。为方便计算，本文仅考虑了波浪、海流及风载荷的作用，随着水深的增加，载荷将更加复杂，考虑到他们的耦合作用及地震、冰载荷等随机载荷的影响，导管架结构寿命的计算会更加困难。因此，需要采用更先进的结构疲劳寿命估算方法，以便对现役导管架平台的剩余寿命评估提供参考。

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Fatigue Analysis of Offshore Jacket Platform

ZHANG Shu－hua，XU Lei，QIAN Jin
（Hohai University，Nanjing210098，China）

Fatigue Failure is a main failure mode，especially for jacket platform structure.The marine loads have complicated effect on offshore jacket platform.Because of the randomization of alternating stress and material dispersion，structural fatigue own uncertainty and randomization，the probability method is used to analyze fatigue reliability.The ANSYS was adopted to calculate and evaluate the fatigue reliability of jacket platform through finite element model technique.The fatigue life of structural elements is estimated based on the S－N curve and Miner＇s theory.The system of jacket platform is simplified to series parallel mode，using branch and bound method to search the mainly fail model，and evaluate the system reliability.It can be used as a reference for engineering practice.

jacket；fatigue；system reliability

1001－3482（2012）11－0016－04

TE951

A

2012－05－11

张淑华（1964－），女，辽宁大连人，教授，博导，主要从事波浪与建筑物相互作用方向的研究。