海上固定式平台结构安全储备研究综述

徐 彻，杨 飏

(大连理工大学 船舶工程学院，辽宁大连 116024)

为了给予设计结构足够的安全度，一般采用的作法就是在设计过程中将认为结构需要承受的强度提高，例如，在进行结构构件设计时，对设计载荷乘以一个安全系数，这样就使得结构构件具备了一定的“安全储备”。基于这种思想，安全储备的概念被提了出来［1］。而海洋平台结构作为一种海上重要结构，暴露在复杂的海洋环境当中，长期受到恶劣的天气环境以及诸多其它复杂因素的影响，有时还要承受极端的环境载荷、爆炸和地震等偶然载荷作用，因此海洋平台的倒塌事故时有发生。英国北海Piper alpha平台由于凝析油泄露的原因发生爆炸，如图1所示，导致结构整体失效并最终沉没［2］。EI-322 A平台事故如图2所示。该平台由于受到Lili风暴作用影响，主体受到破坏而倾斜，并倚到相邻平台上。由于平台受损过重而无法修理，最终被退役。据不完全统计，自1970年以来，世界范围内造成海上人员伤亡的海上结构物破坏事故近600起，其中固定式平台破坏事故就达到总体的五分之二，并造成了数百人死亡［3］。为了降低此类事故发生的可能性，降低事故对海洋环境造成的危害，保证经济效益与人员安全，就需要平台提供更高的整体安全储备，因此海洋平台结构的安全储备研究就显得十分必要。

图1 北海Piper alpha平台事故Fig.1 Accident of Piper alpha oil production platform

图2 EI-322 A平台事故Fig.2 Accident of EI-322 A platform

近年来，海洋平台的安全储备在国际上受到了足够的重视。API［4］、DNV［5］与 HSE［6］等部门在通过多次对于整体安全性评价方法的修正、安全完整性评价标准的增补以及大量的实验与模拟分析等过程，不断深入讨论不同海域下固定平台结构的整体安全性，提高了平台的抗倒塌能力与整体安全储备。近年，我国对于海洋平台结构的安全性也逐渐开始重视起来。但由于发展较晚，与国外相比仍有一定的差距。这个差距体现在很多方面:1)老龄平台服役期较长，其剩余安全储备的研究不够深入;2)设计标准取自国外，常与我国海域不相符;3)远海平台设计缺乏足够的环境资料与设计经验等。

拟对海洋平台结构安全储备的相关研究进行对比和总结，综述目前对于安全储备的概念、划分策略及性能指标的考虑，通过对比和总结，提出针对平台结构安全储备的研究方法、技术指标及分析思路。

1 安全储备的概念

1.1 基本概念

一般认为，安全储备是指结构和构件在遭受意外超载和意外事件时极限破坏状态与设计目标状态的比值［7］。

1.2 安全储备的分类

由于结构的安全性与结构构件的状态是时刻对应的，且对应于不同类型的结构形式与结构状态，其安全储备也不尽相同。因此，安全储备的概念，应该根据不同的前提予以不同考虑。目前，对于安全储备的分类如图3［8-10］所示。

1.3 安全储备的评价标准

图3 安全储备的分类Fig 3 . Categorization of safety reserve

安全储备的表达一般是通过性能指标来描述的。从定义来看，其指标应为极限变量与设计变量之间的比值。对应于不同的性能，其极限变量的表示方法不尽相同。基于不同的材料特性、载荷形式与失效模式，如何更准确地描述结构构件的极限状态，以及确定合理的极限变量指标，是目前安全储备的主要研究方向之一。

安全储备指标的大小可直接用于体现安全储备量的大小，并可直接用于比较，具有较为明确的意义。对于不同分类方法下的安全储备，也是通过不同类型的性能指标或其结合来综合描述的。对于目前无法利用指标描述的部分安全储备，现有的方法是通过研究其特性，并找到其相关的影响因素，对这些影响因素进行调控以达到提高该部分安全储备的目的。目前，对于性能安全指标与部分安全储备指标，已有学者进行了一些研究，并提出了一些相关参考值，用以对结构构件的安全度进行判断。

1.4 安全储备的性能指标

从性能上看，承载力安全储备主要由承载力系数描述，定义为结构或构件最大承载力与设计目标实际受力之比，目前整体结构安全储备的研究也主要集中于承载力安全储备的研究范畴;而变形能力的安全储备主要由延性系数来描述，定义为结构或构件的极限变形与屈服变形之比。传统海工结构中的构件设计由于仍主要采用钢结构设计，因此在目前的研究中仍以延性系数作为变形能力的安全储备指标进行性能研究。

近年来，一些新型材料(例如:FRP材料)的使用，其性能与传统钢构件不同，当结构进入屈服后，仍主要体现为弹性变形。为了能够描述新型材料的变形能力安全储备，变形性系数的概念被提出，定义为极限曲率与混凝土梁受压边缘应变εc=0.001时的曲率的比值［11］。而这个定义由于仅适用于FRP配筋混凝土梁，因此有很大的局限性。为了扩充该指标的描述范围，该指标又被定义为结构构件的极限变形与设计变形之间的比值［12］，以完成对于不同类型结构构件的综合性描述。

另外，为了对于结构或构件的综合性能安全储备进行全面的描述，采用将承载力系数与变形性系数等性能指标的合理结合成为了目前研究的重点。目前，这类考虑了构件屈服后的延性储备以及考虑结构在动力载荷作用下的变形能力储备的综合安全储备评价思想才刚刚发展起来，因此在海洋结构中的应用较少。表1中回顾了现有的一些综合性指标及其含义。

表1 综合性能指标及含义Tab.1 Synthetic indices and index significance

2 基于确定性研究方法的平台结构安全储备

系统的安全性评估方法主要有确定性评估方法与可靠度分析和定量风险分析的概率方法两类。两种方法在海洋平台结构的安全评估研究过程中都具有一定的意义。确定性评估方法主要基于对结构在载荷作用下失效过程的模拟，记录结构的整体响应过程，并通过极限状态与设计状态下某变量的比值来进行安全储备的定量分析。整体结构的确定性安全储备研究主要基于静力非线性分析(Pushover)方法。

2.1 构件层次的安全储备

基于确定性方法的构件设计主要依照工作应力设计(WSD，working stress design)方法进行设计。对于构件的安全性校核，一般是利用安全系数K来体现构件的综合安全储备:

式中:σu为屈服应力，σ为载荷效应。安全系数K是对于构件安全性的综合考虑，包括了很多的不确定因素。该指标简洁实用，使构件强度有了一定的安全储备，我国和国外的海洋平台设计至今仍采用该设计方法。但对于具有塑性性质的材料，这种方法无法考虑其塑性阶段继续承载的能力，且对于其包含的各类不确定因素对于K指标的影响无法确定，因此K指标的大小只有靠经验给出，无法进行定量的深入分析。

2.2 整体结构的安全储备

2.2.1 储备强度比

海洋平台结构的安全性指标为储备强度比RSR［4］。一般地，RSR可表示为

储备强度系数定义为平台结构的极限强度与设计强度的比值。在API规范中，RSR指标定义为平台极限载荷与100年环境载荷的比值。RSR是固定式海洋平台结构安全度评价中最为常用的安全储备指标，其定义明确，能够得到较为直观的结果，因此RSR指标目前在对于冰载荷、波浪载荷或地震载荷等环境载荷作用下的确定性安全性评价中受到广泛的应用。对于固定式平台，当平台结构安装水深大于30 m时，宜用结构的倾覆力矩定义结构的储备强度系数;安装水深小于30 m时，采用结构基底横向力定义强度储备系数更为适合［15］。

图4 Pushover法程序框图Fig 4 . Program block diagram of Pushover analysis

对于RSR指标极限承载力的判定是目前研究的重点。目前的判定方法主要是根据一系列的“推倒”过程，通过静力非线性结构响应分析来获得结构的倒塌极限，即Pushover方法。Pushover分析的大致步骤如图4所示。Pushover分析在理论上并不完备，无法考虑波浪作用时甲板上浪情况等问题，无法考虑到海上环境载荷的动力效应，在进行抗震研究时横向载荷的加载方式也存在一定的争议。但该方法过程简单，计算方便，得到了业界的广泛认可。美国ATC-40和FEMA273均将Pushover方法列入了抗震规范体系;美国API规范中也推荐Pushover方法作为平台整体安全储备的研究方法。近年来，英国HSE将原静力载荷转化为具有周期性的动力载荷，利用Abaqus软件对Kittiwake平台进行了一系列基于“动力Pushover方法”研究［16］。动力 Pushover方法符合目前确定性安全储备研究的发展方向，但这种方法目前还尚不成熟，仍有待进一步研究与推广。

肖仪清等人［17］针对老化平台和有损平台，提出了剩余储备强度系数指标，该系数反映了在役平台结构在当前有损状态下的剩余储备强度:

式中:Rs是平台结构体系的储备强度系数;Rr是剩余强度系数。结构的剩余强度系数是指受损结构倒塌载荷与设计载荷之比。剩余强度主要由结构当前损伤状况、结构冗余度、构件利用率和构件的重要性等因素决定。Fud与Fd分别为结构在有损状态极限载荷作用下和在设计载荷作用下的基底横向力或倾覆力。当系数Rsr＞1时，有损状态的平台结构遭遇原设计载荷时不会倒塌。通常要求在役平台的剩余储备强度系数大于1.5。

剩余储备强度指标的获得方法与RSR类似，但由于考虑了缺陷、损伤和腐蚀等一系列因素的影响，因此需要在分析过程中对结构中构件节点的模型形式、尺寸与刚度等进行修正与调整，以达到模拟真实结构状态的目的。通过对调整后的结构进行倒塌分析能够得到在有损状态下结构性能，还可以进行安全储备的预测与评估、对平台寿命进行合理估计以及维修的需求与策略等研究。

3 基于概率研究方法的平台结构安全储备

另一类评估方法是基于概率性评估方法的安全储备分析，是目前研究的主要趋势之一。Marshall P W和Bea G F［18-19］最先将结构可靠性理论运用到海洋平台风险分析和环境载荷的标准选取中，为海洋平台结构的可靠性研究奠定了基础。其思想主要源于载荷的形式、分布与作用效应等不确定性因素，通过大量的环境数据与结构响应分析，计算得到结构的可靠性指标和失效概率等安全性相关变量。另外，由于动力方法下的倒塌分析仅通过一次或一条记录下的作用分析无法体现结构整体的综合安全性能，因此一般需要进行大量的动力载荷作用分析，并通过与概率方法的结合得到结构的安全储备性能，因此仍可视为一种概率性方法。

3.1 构件层次的安全储备

基于概率研究方法的构件设计主要依照载荷与抗力系数(LRFD)方法进行，其一般表达式为:

式中:Fi为由i载荷作用引起的名义载荷效应;γi为i载荷的作用效应分项系数;R为名义强度函数;φ为抗力系数;M、F和P分别描述了材料的差异性、制造的差异性与专业人员或公式的差异性。γi、φ、M、F和P共同组成了构件层次的安全储备。LRFD方法是基于可靠度的设计方法，同时考虑了较多外界因素作用。因此这种方法对于构件层次的安全储备描述较为合理。但由于环境资料的缺乏，结构响应特性分析不足，仍需要很长的时间才能够制定出适宜中国海上环境的设计规范。

3.2 整体结构的安全储备

3.2.1 倒塌安全储备CMR(collapse margin ratio)

小企业竞争靠产品，大企业竞争靠文化。文化就是生产力，文化就是竞争力。广汽研究院虽然建院才短短的十来年,但一直以来就提出和构建了自身的企业文化。在秉承广汽集团的“人为本、信为道、创为先”、“至精.志广”以及“创无止境 心有未来””的集团企业理念下，提出了广汽研究院自身的企业文化精髓：爱岗敬业，享受工作；操守垂范，厚德自强；业务精湛，勤勉创新；办事干练，执行得力；挥洒个性，团队共进。

CMR是基于结构地震作用而提出的一个倒塌安全储备指标。近年来，美国ATC委员会组织了一系列有关倒塌储备系数的研究［20］。所谓倒塌储备系数，就是比较结构的实际抗地震倒塌能力和设防需求之间的储备关系［8］，表达方式如下:

式中:IM50%collapse为对应50%倒塌概率的地震动强度指标;IMMCE为结构设计大震对应的地震动强度指标。对于强度指标的选择，除了传统运用的PGA和PGV指标外，ATC-63建议利用结构第一周期地震影响系数Sa(T1)作为地面运动强度指标。关于CMR指标的研究目前仍主要集中于土木结构中，海洋平台结构关于地震载荷的设防要求较为不足，平台结构与载荷作用方式也可能与地上不同。因此，对于海洋平台结构，相关指标是否可以直接照搬使用还有待进一步的讨论。但由于目前由静力分析下的安全储备向动力发展的必然趋势，相关的动力载荷下的安全储备指标会在方法与描述范围的深入研究与讨论中逐渐明确。

CMR指标的获得主要依靠增量动力分析方法 (IDA方法，incremental dynamic analysis)。目前，国际上对于平台结构的地震响应已经开展了一些关于IDA方法的研究［21-22］。IDA方法主要针对于结构地震动力分析，其思想在1977年由Bertero提出，并在近十年间得到研究者的广泛重视，成为抗震结构安全性能评估的一种有效手段［23］和结构整体抗倒塌能力的一种评估方法［24］。其主要思想是:对于多个记录地震载荷进行不断增幅，进行一系列的非线性时程分析，直到达到结构无法承受的最大动载荷为止，并进行统计分析，直到形成一条结构响应值与强度指标值形成的IDA曲线，用来判定结构在地震载荷下的结构性能。

3.2.2 基于极限波浪载荷作用概率的强度储备

其安全储备指标PRSR(probabilistic-based RSR)［25］可表示为:

式中:Vc为倒塌风险概率下的相关基底剪力。该指标相对于传统RSR指标能够得到与实际情况更为接近的强度储备。

为了得到PRSR值，Glafshani等人［25］提出了PIWA(probabilistic incremental wave analysis)方法。其主要思想是:利用不同波高下的波浪载荷对于多个平台模型进行横向作用，对受到某一波高载荷作用下的平台结构进行非线性静力或动力分析(类似于Pushover方法或IDA方法)，产生一个针对不同波浪危险级别与结构响应的特定曲线，并结合年超出频率与波浪高度之间的关系，得到基于倒塌风险概率下的基底剪力曲线。该方法考虑了甲板上浪的情况，并在一定波高范围内对多个结构模型进行了波浪载荷作用的结构分析，因此更能反映平台结构的真实倒塌模式。

3.2.3 基于可靠度的强度储备

可靠度方法下的安全储备［26］考虑了动态载荷系数和安全指标等参数对RSR值的影响。通过这种方法，Amari等人［27］对波斯湾海域环境的RSR指标进行了研究。其表达方法如下:

式中:Fe为动载效应系数;BS为最大横向承载力的中位数偏差;BR为最大横向载荷的中位数偏差。这些偏差系数的运用主要基于对实体的不确定性估计，体现为最好观测值或实际值与预测值之间的比。β为安全指数;S为百年一遇波的设计载荷;σlnS为横向最大环境载荷的对数标准差;σlnSR为环境载荷与工作载荷之间的组合值。这种评估方法是基于对RSR相关风险的评估。同时还考虑了财产、生产力、人员和环境等因素。此外，这种方法还考虑了结构延性，以及平台结构的非线性响应。但是，由于该方法的RSR值是根据大量实际数据的综合统计和经验得出的，因此详细的RSR指标值还有待总结。

3.2.4 基于模型修正系数法MCFM(model correction factor method)下的安全储备

基于模型修正系数法的安全储备［28］模型的极限方程可表示为:

式中:RSR0为初始的强度储备系数，H100为百年一遇波高，Ws为某波高下的基底剪力或倾覆力矩，QS为波浪作用的负载效应，QD为甲板上浪的负载效应，XR为考虑了屈服强度下的抗力不确定性系数。这种方法首先建立一个简化模型，通过不断进行简化模型的修正，最终形成一个复杂而完整的非线性模型，通过迭代确定最优的RSR值。其校准过程确保了简化模型的相对准确性。并且，由于考虑了甲板上浪的模型以及波浪作用下的气隙影响，这种方法相对于传统Pushover方法具有一定的优势。

4 海洋平台安全储备研究的思考

4.1 平台结构安全储备的动力分析

对于确定性方法中的RSR指标以及基于概率方法的分析思路中，“推倒”都是必不可少的过程。目前实现推倒的方法主要是从结构静力非线性分析的Pushover思想发展起来。而实际上，诸如风、浪、流和冰等海洋环境载荷都是动力载荷，利用拟静力分析方法有时无法准确描述平台结构的整体抗倒塌能力，因此有必要采用动力分析方法对平台结构的安全储备进行研究。另外，根据海域的不同，平台的控制载荷条件发生变化，导致结构失效的主要破坏形式也可能不同。这就使得安全储备的分析过程与分析方法在不同外界条件前提下有所差异。因此，在安全储备的动力分析中，还应该考虑到这方面差异对分析结果与分析方法所造成的影响。

目前，作者所在的团队在采用动力Pushover方法、IDA方法以及PIWA方法对平台结构进行动力分析的基础上，进行平台安全储备的相关研究工作，已经取得了初步进展。现有的IDA分析方法主要是针对结构在地震载荷作用下的安全性能分析，而海洋平台的动力环境载荷形式多样，借用地震载荷的分析思路，针对各种类型的载荷，对平台结构进行动力增量分析，并选择相应的安全储备指标来判断目标结构的安全储备性能。例如，对于受到波浪载荷影响较大的平台，可以基于随机波浪谱，对平台结构进行增量动力分析，然后利用结构体系的整体响应特征参数计算整体结构的损伤指数及其它响应指标，以损伤指数的大小及响应指标的分布规律作为整体结构的倒塌判定依据;最终，利用极端载荷与设计载荷的比值作为安全储备指标，对平台结构的安全储备进行研究。

4.2 平台结构整体倒塌的判定

在现有的安全储备研究方法中，结构极限承载能力的研究是其中重要的组成部分，而结构倒塌模式的判定是结构极限承载力研究的基础。目前，对于平台结构倒塌的判定方法主要有:结构的整体刚度矩阵奇异，结构总体位移或局部位移超界，以及结构丧失竖向承载能力等。可以看出，针对海洋平台的倒塌判定存在以下几个问题:1)倒塌模式的判定并不统一;2)倒塌的依据主要借鉴土木结构的倒塌依据;3)仅进行了整体结构的倒塌判定，没有考虑局部倒塌或连续倒塌等结构失效过程。为了解决上述问题，在接下来对于安全储备的研究过程中，结构倒塌的判定应该与不同载荷可能会引起的局部破坏和整体破坏形式联系起来，通过得到符合实际倒塌规律的倒塌模式才能进行较为准确的极限承载力研究。

4.3 极限海况下的影响因素

在考虑环境载荷作用下的平台结构安全储备研究中，通常只是将载荷数值提高，而当极端环境载荷发生时，在常规安全储备研究中所忽视的一些因素也会对平台结构的整体安全储备造成重要的影响，如甲板上浪、波浪抨击、风浪联合作用、流固耦合和桩-土结构相互作用等。因此，在极端环境条件下，不仅需要考虑常规环境载荷作用，同时还需要考虑非常规环境因素的影响，使结构的破坏方式与真实情况更相符。在目前的研究中，对于其中甲板上浪和桩-土结构相互作用等已经有了一定的考虑，而其它影响因素仍需在进一步分析中深入研究。

5 结语

对海洋平台结构安全储备的相关研究进行了介绍、对比和总结，首先从定义、分类、性能指标等方面大体概括了安全储备体系，并总结了海洋平台结构安全储备的研究现状，得到以下主要结论:

1)由于海洋环境恶劣，平台破坏甚至倒塌事故频发。对于海洋平台安全储备的研究有助于对设计结构在偶然载荷及极端载荷作用下的结构安全度进行合理的预测，使设计者合理地提高结构的安全等级，避免不必要的浪费，因此具有重要的工程意义。

2)从概念上看，结构安全储备的定义明确，涵盖了结构体系的各方面。从分类方法上看，一般将安全储备从性能、需求、层次及抗倒塌能力等方面进行划分。从性能指标上看，现有的承载力、延性、变形性以及综合性能指标可以对结构构件的承载力、变形能力以及综合安全储备进行定量描述。

3)目前，基于海洋平台的安全储备主要从确定性研究方法与概率性研究方法两方面进行发展。构件层次上，安全储备研究已较为成熟，基于两类分析方法均能够利用现有标准合理地进行安全储备的预测。而对于整体结构，基于确定性的分析方法在模型分析、储备指标和实际应用等方面均较为领先;基于概率性的整体结构安全储备研究目前的方法较多，主要以RSR为安全储备指标进行研究，在方法上主要考虑了结构形式、载荷作用以及结构抗力等不确定性因素。

4)针对海洋平台安全储备研究存在的问题进行了讨论。在对于安全储备的进一步研究中，平台结构安全储备的动力分析、平台结构整体倒塌的判定以及极限海况下的影响因素等问题需要进一步更深入的研究。

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