南海某导管架海洋平台倒塌分析

唐友刚，朱龙欢，李 焱，刘成义，张少洋

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072; 2.天津大学 建筑工程学院，天津 300072)

南海某导管架海洋平台倒塌分析

唐友刚1, 2，朱龙欢1, 2，李 焱1, 2，刘成义1, 2，张少洋1, 2

(1.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072; 2.天津大学 建筑工程学院，天津 300072)

针对在役老龄导管架平台进行倒塌计算分析，确定极限承载力进而评估老龄导管架的安全裕度。采用非线性有限元方法，考虑平台的波流载荷及桩-土的非线性相互作用，利用SACS软件建立导管架整体三维有限元计算分析模型，并用逐步加载的方式，对南海某导管架平台进行了全过程非线性倒塌分析。计算分析表明，该导管架平台极限强度很高，具有较大的安全裕度；导管架倒塌过程呈逐步破坏形式，先是撑杆屈服，造成局部结构破坏，然后是钢桩发生屈服，降低结构承载力，最后节点逐步失效，造成结构倒塌。揭示了导管架平台结构失效倒塌的机理，给出了倒塌分析的可行方法和步骤。

导管架海洋平台；倒塌分析；风险；剩余强度

Abstract:Pushover analyses were performed for an aging jacket-type platform to obtain the ultimate capacity and then to evaluate the safety margin.A three-dimensional finite element model of the jacket platform was established using SACS software.Based on the step-by-step loading method,the nonlinear collapse analysis for the jacket offshore platform in the South China Sea was performed,considering the loads of wave and current and the nonlinear interaction between soil and piles.The analysis results show that the ultimate strength of this jacket platform is at a high level,with a large margin of safety.The collapse of the platform is the result of gradual damages.Firstly,the brace begins to yield,causing damages of partial structure.Secondly,the piles start to yield,reducing the capacity.Finally,some joints fail,resulting in the collapse of the whole structure.Overall,the mechanism of the failure and collapse of the jacket platform is revealed,and the feasible analysis method and procedures of collapse analysis are put forward.

Keywords:jacket offshore platform; pushover analysis; risk; residual strength

我国至今有近百座导管架平台在服役，它们的寿命已经超过设计寿命的一半甚至大于设计寿命，正进入老龄化阶段，但这些老龄平台大部分经过维护改造后继续采油。目前这些老龄化平台的许多构件已有不同程度损伤和锈蚀，加之所处海洋环境非常复杂且极其恶劣，存在多种安全隐患。特别是在我国南海，台风频发，而且风力强劲，破坏力很大，直接导致导管架平台失效、破坏，甚至倒塌。不但会带来巨大的直接经济损失以及重大人员伤亡，还可能对环境造成严重污染，产生不良的社会影响。

一般地，杆件弯曲受到外部载荷作用先发生弹性变形，然后屈服进入塑性变形，最后破坏。由于导管架海洋平台是超静定高冗余度结构，即使个别杆件达到屈服极限发生破坏，也只是局部结构破坏，不会影响整体结构的安全，平台结构仍可以承受较大的载荷。只有关键节点、关键杆件发生破坏，结构才会发生倒塌倾覆。而通过对平台结构进行倒塌分析，可以获得平台结构极限强度，确切掌握导管架平台结构在什么样的情况发生杆件失效、什么样的情况下桩基承载力不足，什么样的情况下发生倒塌，进而对平台结构的风险改造进行控制，使得平台结构能够满足使用要求。因此，对平台结构进行倒塌分析具有重大的工程实际意义。

倒塌分析的研究对于导管架平台结构整体安全评估具有重要意义，受到海洋工程设计维修部门及广大学者重视。许滨和申仲翰于1994年结合非线性模拟技术及线性分析程序成功地分析了受静载荷和环境载荷作用下的导管架平台极限强度[1]。其后，许滨和申仲翰又于1996年对渤海八号桩基导管架平台进行了非线性倒塌分析，考虑了桩-土相互作用的非线性影响[2]。肖仪清等研究了导管架平台裂纹、凹痕、腐蚀、海生物附着、地基土冲刷等缺陷和损伤对导管架平台结构极限承载力的影响[3]。陈祥余等研究了基础的不同简化约束条件对导管架平台结构极限承载力的影响[4]。何懋华等采用单元替换法分析计算了南海某固定式平台的极限承载能力[5]。此外，张燕坤、Paulo、刘锦昆、嵇春艳、Behrouz等学者对非线性倒塌分析也进行了深入研究，取得大量研究成果[6-10]。目前，倒塌分析理论已经非常成熟。同时，一些海洋工程结构分析的商业软件也开发了用于倒塌分析的分析模块，例如SACS软件的COLLAPSE模块就是针对导管架平台倒塌分析的模块，可以考虑桩-土非线性相互作用。

逐级增加载荷法是非线性倒塌分析的有效方法，即控制载荷增加幅度，然后逐级增加作用在平台上的载荷，对平台结构进行非线性弹塑性分析，直到平台倒塌。可以将桩顶位移与增加的载荷系数曲线趋于平缓作为平台倒塌的指标。

本文采用逐级增加载荷法，考虑桩-土非线性相互作用，利用SACS软件建立三维有限元计算分析模型，对南海某导管架平台进行倒塌分析计算，得到了该平台极限承载力，以及平台目前的安全裕度。

1 倒塌分析原理

倒塌分析基于大变形和塑性理论，采用逐级增加载荷方法进行计算分析。逐级增加载荷，计算每个载荷步的节点位移和单元应力，并生成新的刚度矩阵。计算每个载荷步时，当某一杆件应力值超过弹性极限时就会发生塑性变形，同时该杆件刚度相应降低，从而载荷将重新分配到相邻未发生塑性变形的杆件上。随着载荷的进一步增加，发生塑性变形的杆件也越来越多，直到整个导管架结构倒塌。

SACS软件作为一款结构设计和分析软件，经过充分考核，广泛应用于海洋工程领域，得到了海洋工业界的普遍认可。其COLLAPSE模块[11]包括3个迭代过程：一是对每个载荷步，都根据杆件截面特性计算梁-柱模型解；然后迭代计算整体刚度矩阵，同时考虑节点弹塑性变形以及节点失效等情况的影响；在基础刚度迭代计算中考虑了桩-土相互作用(PSI)的非线性影响。

每完成一次迭代后，SACS软件将与上一次迭代计算的结果进行比较，如果计算结果不收敛，则采用梁受到内外部载荷所产生的位移来重新计算单元刚度矩阵，然后重复上述过程，直至结果收敛。迭代过程中同时考虑桩-土相互作用(PSI)的影响。

在迭代计算桩-土相互作用的过程中，首先假设沿着整个桩的长度方向的变形和角位移都为0，求解土壤的力和刚度。然后依据给定的桩头位移求解出桩的变形和角位移，同时根据桩的变形和角位移重新计算土壤的力和刚度。

SACS软件可以根据每个分段的变形和角位移计算各分段的内力，并求出各分段的塑性变形。并将此结果代入下一次迭代计算，重复此过程直至桩沿长度方向的变形以及角位移都收敛。

桩沿长度方向的变形和角位移都收敛后，SACS软件将通过增加桩头的变形和角位移求出相应的刚度矩阵以及约束反力和弯矩。最后将桩头的塑性结果转换到整体坐标系进入下一次迭代计算。

2 导管架结构模型

本文所分析的导管架海洋平台位于中国南海海域，设计水深99.1 m，为8主桩(4根角主桩与4根内主桩)、4裙桩的固定式钢制导管架平台，于1994年11月投产，设计寿命20年，根据评估和生产需要该平台将延寿服役至2026年。

图1 导管架平台三维有限元模型Fig.1 Three-dimensional finite element model of the jacket platform

导管架平台结构主要由圆管、型钢、型材、板等构成，建模过程中主要采用梁单元和板壳单元，所有节点处理为刚性连接。立管与隔水套管，不灌浆的桩与导管之间的连接，采用wishbone单元进行模拟，但需要正确释放节点的约束，例如wishbone单元连接在导管上，只对桩有水平方向的约束，无轴向和三个转动方向的约束，则应该释放轴向和三个转动约束。如果节点的约束设置错误，则会导致总体刚度矩阵奇异，致使计算失败。由于钻井和生活模块对整体倒塌分析影响不大，为加快运算速度，将钻井和生活模块结构处理成为弹性单元，忽略其塑性变形。

建立的导管架海洋平台分析模型如图1所示。

3 导管架结构缺陷与损伤

导管架平台结构损伤和结构缺陷可能会降低结构强度或者放大载荷作用[12]，影响结构的安全。该导管架平台已经服役20年，长期处在恶劣环境之中，可能产生腐蚀、裂纹、凹陷等缺陷和损伤，同时遭受海生物，地基冲刷等影响。由于缺乏关于裂纹、凹陷等缺陷损伤的资料，本文在建模过程中考虑了腐蚀、海生物、地基冲刷等的影响。

腐蚀对钢材的强度和弹性模量等性质影响不大,但腐蚀削减了构件截面,影响了结构的极限承载力[3]。本文采用折减管厚的方式考虑腐蚀。海生物主要是加大了杆件直径以及粗糙度，因此会放大环境荷载对结构的作用，在计算环境载荷时可以通过增加杆件计算直径和修改水动力系数的方式给予考虑。地基冲刷使得埋入海底的有效桩长减少，并且桩头位置也发生相应变化，在采用SACS计算过程中，通过修改桩头位置的方法予以考虑。

4 载荷施加

倒塌分析过程中需要考虑的载荷主要划分为：固定载荷、活载荷、环境载荷、动力载荷等。

SACS软件可以自动计算已经建出的平台结构(包括建立的附属构件)自重及浮力，而永久设备及其它重量可以通过卡片直接输入SACS软件。

环境载荷可以通过seastate文件输入进行计算，依据API规范推荐方法，环境载荷计算方向选取12个典型方向，包括平台宽度方向(90°和270°)、长度方向(0°和180°)以及对角线方向(35°，49°，131°，145°，215°，229°，311°和325°)，此外，在建模过程中，考虑了波浪和海流的耦合效应，如图2所示。

图2 倒塌环境载荷方向Fig.2 The directions of the environmental loads considered in the collapse analysis

桩-土相互作用可以通过psi文件将土壤特性数据导入SACS计算程序进行考虑。SACS可以根据土壤特性数据按照API规范计算出桩轴向载荷-桩位移关系T-Z曲线、桩侧向承载力-位移关系P-Y曲线以及桩尖载荷-位移关系Q-Z曲线，进而采用非线性弹簧模拟桩-土的相互非线性作用。

5 计算结果与分析

倒塌分析以一百年一遇设计极端环境载荷作为初始载荷，根据倒塌加载顺序表和载荷步，逐渐加大设计极端环境载荷倍数。

5.1极限承载力分析

根据倒塌分析结果可以得到导管架平台极限承载力，本文用设计极端环境载荷的倍数表示，如表1所示。

表1 倒塌计算分析结果Tab.1 The results of the collapse analysis

从表1可以看出，在131°、215°、229°三个方向承载力最小，设计极端环境载荷倍数为2.6，即在极端工况作用下，仍然可以继续承受1.6倍的极端环境载荷，也就是说导管架海洋平台极限承载力很高，还有较大的安全裕度，这符合该平台的高冗余度特征。

5.2倒塌过程分析

针对0°、49°、90°三个方向环境载荷作用，计算得到导管架平台整体位移(桩顶位移)随载荷逐渐增加而变化的曲线，如图3所示。

从图3中，可以看出整个倒塌过程：

0°方向随着载荷逐渐增加，当导管架整体位移达到0.527 m，导管架海洋结构第一根撑杆开始屈服；达到0.673 m，第一根钢桩开始屈服；到1.172 m时，结构第一个节点失效；最后到2.511 m，结构开始倒塌；

49°方向随着载荷逐渐增加，当导管架整体位移达到0.401 m，导管架海洋结构第一根撑杆开始屈服；达到0.664 m，第一根钢桩开始屈服；到1.365 m时，结构第一个节点失效；最后到2.020 m，结构开始倒塌；

90°方向随着载荷逐渐增加，当导管架整体位移达到0.445 m，导管架海洋结构第一根撑杆开始屈服；达到0.633 m，第一根钢桩开始屈服；到0.850 m时，结构第一个节点失效；最后到3.491 m，结构开始倒塌，如图4所示。

由图4看出，导管架倒塌过程呈逐步破坏形式，先是撑杆屈服，造成局部结构破坏，然后是钢桩发生屈服，降低结构承载力，最后节点逐步失效，造成结构完全倒塌。

图4 90°方向环境条件下倒塌示意Fig.4 The collapse of the jacket platform in 90° direction

5.3风险等级

从倒塌过程来看，随着载荷增加，导管架海洋平台整体位移逐渐增加，导管架海洋平台也相应的逐步发生破坏。导管架海洋平台在倒塌过程中的不同程度的破坏形式所面临的风险后果是不同的，因此可以将导管架平台发生的不同程度的破坏形式划分为不同的风险等级。例如，当第一根撑杆发生屈服时，可能导致导管架海洋平台发生局部破坏，降低导管架海洋平台局部强度，但不会对导管架平台整体结构安全产生严重影响，因此可以将此时破坏形式划分为低风险；当第一根钢桩发生屈服时，可能导致钢桩被拔出或者无法承载等危险，严重影响结构的承载力及载荷分布，并严重影响导管架平台结构的生产安全，但不会导致结构坍塌，可以将此破坏形式划分为中等风险；当导管架结构第一个节点失效时，可能导致导管架局部结构严重破坏，甚至蔓延引起大面积结构破坏，最终引起结构倒塌，此时结构面临很高风险，可以将此破坏形式划分为高风险，如表2所示。

表2 结构逐步破坏风险等级Tab.2 Classification of the risks in the gradual deformation of the structure

5.4剩余强度

通过剩余强度理论对各风险等级划分进行了分析。剩余强度系数定义为结构从所处风险等级直至倒塌还能承受的基底剪力与极限载荷下的基底剪力之比。根据剩余强度理论可以知道，当剩余强度系数越高，说明结构此时强度越强、越安全。反之，剩余强度系数越低，结构此时强度越弱，面临倒塌的风险越高。剩余强度系数可按下式计算：

式中：Fm是结构极限载荷下的基底剪力，Fc是结构所处风险等级时的基底剪力，Fa是结构从所处风险等级直至倒塌还能承受的基底剪力，Fa=Fm-Fc。

通过计算，导管架处在各风险等级时的剩余强度系数范围如表2所示。可以看出，这种风险等级划分方法是合理和较为保守的。

通过全过程倒塌分析对倒塌过程中的破坏形式划分风险等级，可以为进一步评估导管架平台安全性以及对导管架平台结构监测提供依据。也可以根据导管架结构破坏形式，以及需要的剩余强度系数，对导管架结构进行适当加强。

6 结 语

本文针对12个典型环境载荷方向，考虑桩土相互作用，对导管架平台进行全过程倒塌分析，得到如下主要结论：

1)导管架平台极限承载力较高，还可以承受1倍以上设计极端环境载荷，其中对角线方向承载力较为薄弱，但仍然具有较高的承载力和较大的安全裕度，这与结构较高的冗余度是相符的；

2)导管架倒塌过程呈逐步破坏形式，先是撑杆屈服，造成局部结构破坏；然后是钢桩发生屈服，降低结构承载力；最后节点逐步失效，造成结构倒塌；

3)导管架在倒塌过程中，可以根据结构破坏形式划分风险等级，根据剩余强度理论可知这种划分方式是合理和相对较为保守的，可以为进一步评估导管架结构安全提供依据；

4)通过全过程倒塌分析，可以知道导管架结构薄弱部位，可以根据需要的剩余强度系数对该部位进行适当加强。

[1] 许滨，申仲翰.海洋导管架平台的极限强度分析[J].海洋工程，1994，12(3)：8-16.(XU Bin,SHENG Zhonghan.Ultimate strength analysis of offshore jacket platforms[J].The Ocean Engineering,1994,12(3):8-16.(in Chinese))

[2] 许滨，申仲翰.桩基导管架平台的非线性分析[J].海洋工程，1996，14(3)：8-16.(XU Bin,SHENG Zhonghan.The nonlinear analysis of the pile-foundation jacket platform[J].The Ocean Engineering,1996,14(3):8-16.(in Chinese))

[3] 肖仪清，欧进萍，张兴才，等.缺陷和损伤对导管架式海洋平台结构极限承载力的影响[J].中国海上油气(工程)，1999，11(6)：16-22.(XIAO Yiqing,OU Jinping,ZHANG Xingcai,et al.Impact analysis of flaw and damage on ultimate strength of jacket type offshore[J].China Offshore Oil and Gas (Engineering),1999,11(6):16-22.(in Chinese))

[4] 陈祥余，周道成，张传杰，等.约束条件对导管架平台结构极限承载力的影响分析[J].中国海洋平台，2013,28(4)：28-32.(CHEN Xiangyu,ZHOU Daocheng,ZHANG Chuanjie,et al.Analysis to the impact of restraint models of foundation on ultimate load-bearing capacity of jacket platform structure[J].China Offshore Platform,2013,28(4):28-32.(in Chinese))

[5] 何懋华，孙树民.南海固定式平台极限承载能力分析[J].船海工程，2013,42(5)：161-165.(HE Maohua,SUN Shumin.Analysis on ultimate bearing capacity of eixed platforms at South China Sea[J].Ship & Ocean Engineering,2013,42(5)：161-165.(in Chinese))

[6] 张燕坤，金伟良.考虑桩-土相互作用的涠11-4C平台全过程倒塌分析[J].中国海洋平台，2004,19(5)：24-27.(ZHANG Yankun,JIN Weiliang.Analysis for the collapsing procedure of W11-4C Offshore Platform with considering the structure-pile-soil interaction[J].China Offshore Platform,2004,19(5)：24-27.(in Chinese))

[7] PAULO Fernando Neves Rodrigues,BRENO Pinheiro Jacob.Collapse analysis of steel jacket structures for offshore oil exploitaction[J].Journal of Constructional Steel Research，2005，61:1147-1171.

[8] 刘锦昆，王树青，韩雨连.老龄导管架式海洋平台极限承载力分析[J].中国造船，2008，49(S2)：380-384.(LIU Jinkun,WANG Shuqing,HAN Yulian.Analysis of ultimate load-carring capacity of aged offshore jacket platform[J].Shipbuilding of China,2008,49(S2):380-384.(in Chinese))

[9] 嵇春艳，李珊珊.导管架式海洋平台全寿命极限承载力计算研究[J].中国海洋平台，2009,24(6)：36-40.(JI Chunyan,LI Shanshan.Study on the ultimate bearing capacity calculation of jacket platform in total life cycle[J].China Offshore Platform,2009,24(6)：36-40.(in Chinese))

[10] BEHROUZ Asgarian,MOHAMMAD Lesani.Pile-soil-structure interaction in pushover analysis of jacket offshore platforms using fiber elements[J].Journal of Constructional Steel Research，2009，65:209-218.

[11] 王长军，罗伟.海上平台推倒分析[J].中国造船，2007，48(S)：504-508.(WANG Changjun,LUO Wei.Collapse analysis of fixed offshore platform[J].Shipbuilding of China,2007,48(S)：504-508.(in Chinese))

[12] 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，2003:141-141.(OU Jinping,DUAN Zhongdong,XIAO Yiqing.Safety assessment of offshore platform structure——theory,method and application[M].Beijing:Science Press,2003:141-141.(in Chinese))

Pushover analysis on a jacket offshore platform in the South China Sea

TANG Yougang1,2,ZHU Longhuan1,2,LI Yan1,2,LIU Chengyi1,2,ZHANG Shaoyang1,2

(1.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China; 2.School of Civil Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.02.014

1005-9865(2016)02-0105-06

2014-12-09

国家自然科学重点基金资助项目(51239008)

唐友刚(1952-)，男，河北人，教授，博士生导师，主要从事船舶与海洋工程动力学及深海工程研究。E-mail：tangyougang_td@163.com