导管架平台在随机波浪载荷作用下的结构响应

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(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003； 2. 上海外高桥造船有限公司， 上海 200137 )

0 引 言

导管架平台是近些年来被广泛应用于近海海洋石油开采活动的一种固定式平台，具有适应性较强、结构安全可靠、结构简单等特点。但是，导管架平台长期处于恶劣的海洋环境中，不断承受风、浪、流的交替作用或联合作用，有时还承受冰载荷、腐蚀、冲刷、疲劳和低温的影响，在这些载荷长期作用下，局部或整体结构的强度或抵抗能力会下降。导管架结构如果强度不足，导致平台倒塌，会带来严重的安全威胁及经济损失。因此，对在波浪载荷作用下的导管架平台的研究具有重要的意义。

嵇春艳等[1]利用ANSYS分析导管架平台在波浪和海流作用下的结构内力响应，获得平台的频率特性和动力特性。吴家鸣等[2]通过数值分析平台所有构件的最大应力分布以及桩基的位移特征，得出主桩的最大应力区域主要发生在主桩与海底泥面相接的节点附近，然后对平台结构在特性海况下的安全性进行观测及研究。黄怀州等[3]研究导管架平台结构在波浪载荷作用下的疲劳可靠性，发现一阶模态对深水导管架平台结构响应起主要作用，并求得结构在随机应力谱下给定疲劳寿命时的疲劳可靠性指标。GAIDAI等[4]和NAESS等[5]基于蒙特卡罗的方法研究随机波浪载荷作用下近海固定结构物的极限响应问题，该方法可以快速、简单、有效地预报短期及长期平台的极限响应历程，对于近海平台结构的安全性预测具有重要作用。

目前对于导管架平台的结构响应研究都偏向规则波，而对随机波的研究则较少。因此，本文选取渤海湾塘沽地区某导管架平台，结合随机波浪理论及Morison方程，研究导管架平台在无流状态时8个不同浪向的随机波浪载荷作用下的结构响应，对于今后平台结构设计及加强具有重要的意义。

1 波浪频谱及非线性波浪载荷计算

1.1 JONSWAP谱

通过给定的有义波高和峰值周期，利用MATLAB得到JONSWAP谱[6]，即谱密度与圆频率的关系为

(1)

1.2 导管架运动方程

利用有限元法建立导管架平台动力响应模型，该模型假设水动力作用在离散成节点的平台上，作用区间为甲板到海床之间，该运动方程为

(2)

1.3 Morison方程

Morison方程是工程上常用的计算小尺度桩柱上波浪力的计算方法，具体形式为

(3)

2 导管架平台响应分析

2.1 导管架平台模型概况

本文选取渤海湾塘沽地区实际运营导管架平台，该平台已经运营数十年，考虑到运营安全性和可靠性，有必要对其进行结构分析。

图1 导管架平台有限元模型

利用ANSYS有限元软件建立多自由度三维导管架平台结构模型。该平台由4根桩腿和主甲板组成，不考虑波浪对甲板结构的影响，对导管架平台结构进行一定的简化，甲板结构利用超单元建模。导管架平台如图1所示。该海域平均水深为17 m，导管架平台海底泥线下的桩腿长度是90 m，平均水位(Mean Water Level,MWL)距底甲板的距离为12 m。本文导管架圆管的许用应力为355 MPa。

2.2 不同方向的波浪工况

由于平台的截面为矩形，本文考虑8个不同方向随机波浪对导管架平台的作用。查阅相关资料得到渤海地区全年不同浪向的随机波浪概率分布见表1。

表1 不同浪向的随机波浪概率分布

为对导管架平台结构强度进行分析，根据渤海湾地区波浪的分布情况，分别从每个浪向中选取1个经典海况，并且该海况中的随机波浪为出现次数最多的工况。 不同工况的波浪参数具体数值见表2。

表2 不同工况的波浪参数

图2 JONSWAP谱

2.3 数值仿真及分析

2.3.1 敏感性测点的选取

根据渤海湾海域的具体情况，海浪谱选取JONSWAP谱，由表2所示的波浪基本参数，首先选择工况8在无流状态下进行分析，利用MATLAB软件对表2中的8种工况进行编程运算，输入有义波高和谱峰周期生成JONSWAP谱，然后分离出多个规则波，用来模拟不规则的海况。JONSWAP谱如图2所示。

将MATLAB生成的数据导入ANSYS进行计算，得到工况8的数值仿真结果。图3为工况8某一时刻导管架平台整体应力和位移变形特征，可以看出：该时刻导管架平台的最大应力值达到54 MPa，最大位移0.49 mm；应力的集中区域主要在桩腿与泥面的交汇处。选取该危险区域的2个敏感性单元以及1个节点进行详细分析，测点的分布如图4所示，编号1～3分别表示Node 2953、Elem 44173、Elem 77150。

图3 工况8整体结构应力和变形云图

图4 测点分布图

2.3.2 不同浪向的结构响应分析

通过对工况8的计算，确定了危险区域，为研究该危险区域在不同浪向的随机波浪作用下的结构响应，在该危险区域选择2个敏感单元进行详细分析。利用ANSYS进行数值仿真瞬态分析，得到工况8下测点2和测点3的应力随时间的变化情况，如图5所示。测点1的x方向和y方向的位移如图6所示。

根据工况8仿真结果，可以得到测点2的最大应力值为45.029 MPa，最小应力值为39.723 MPa，应力均值为42.480 MPa。该测点的应力在许用范围内，结构满足强度要求，但是该组应力的标准差却达到了0.86 MPa，由此可见该工况对于结构的应力响应具有较大的影响，结构的应力具有较大的波动性，较不稳定。同样的情况，测点3的应力也在许用范围内，但是应力值变化幅度较大。在该工况下，测点1的x方向最大变形为0.33 mm，y方向最大变形为2.52 mm。因此，在工况8即浪向为北、无流状态下，导管架平台结构的应力变化幅度较大，应是重点关注的海况。导管架平台在不同工况下各测点的应力统计见表3～表5。

图5 应力时历图

图6 测点1位移

表3 在不同工况下测点2的应力统计 MPa

表4 在不同工况下测点3的应力统计 MPa

表5 在不同工况下测点1的位移统计 mm

从表3～表5可以看出：在8种不同工况下，测点2的应力值均达到40 MPa，应力平均值约为42 MPa，所以测点2的应力值均在许用应力范围内，结构的强度满足要求；测点2在工况1中应力最大，但应力随时间的变化却十分地平缓，此外工况4、5、7、8的应力也相对较高；测点3的应力均值都在37 MPa左右，也满足强度要求；在工况7即浪向为西北方向时，应力达到最大值40.381 MPa，且应力标准差也达到最大值0.858，虽然测点3在工况8下，应力不是最大的，但是应力标准差也达到0.781，说明工况7和工况8对测点3的应力影响较大。

导管架平台在8个不同工况作用下，位移变化不大，x方向位移最大值为1.44 mm，y方向最大位移为2.52 mm。从图中可以看出工况4和工况8，测点3的y方向位移较大，因为波浪的方向正好沿y轴；同样地，工况2和工况6下x方向位移较大，说明这是由于浪向角的变化，引起x和y方向分量的变化。另外，由于本文选取的海况波高不大，所以结构的位移不明显。

综合各种工况，导管架平台在给定工况的随机波浪载荷作用下结构响应比较大，在有义波高为1.51 m，周期为6.9 s(即工况8)时，敏感性测点的应力变化幅度最大，应力值也较大，因此该工况为最危险的工况。为进一步研究该危险工况对导管架平台的影响，本文还考虑了流速的影响。

2.3.3 波流联合作用下结构响应分析

本节考虑流速分别为0 m/s、0.5 m/s和1 m/s 的情况，流速的方向为东南方向，在有义波高为1.51 m，周期为6.9 s(即工况8)时，针对危险区的敏感性测点2和3进行响应分析，并测得测点1的位移变化情况，具体数值如表6～表8所示。

表6 测点2在不同流速下应力统计

表7 测点3在不同流速下应力统计

表8 测点1在不同流速下位移统计

由表6～表8可以看出：随着流速的增加，结构的位移量逐渐减小，这是因为流速的方向与波浪的方向相反，使得x和y方向的分量逐渐变小；导管架平台在波流联合作用下，结构的应力明显增大，随着流速的不断增加，应力也逐渐增加，且应力标准差也不断增大，表明结构的应力幅值增大，波流联合作用对导管架平台的结构响应具有很大的影响。

3 结 论

(1) 导管架平台的危险区域主要在桩腿与泥面的交汇处。

(2) 平台有义波高为1.51 m，周期为6.9 s，浪向为90°时，结构的应力变化幅度较大，属于危险工况，值得重点关注。

(3) 导管架平台在波流联合作用下，结构的应力明显增大，随着流速的不断增加，应力也逐渐增加，结构的应力变化幅度也增大，因此波流联合作用对导管架平台的结构响应具有很大的影响。

[1] 嵇春艳, 刘聪. 随机波浪载荷作用下深水自升式海洋平台动力响应分析[J]. 造船技术, 2012(05): 27-31.

[2] 吴家鸣, 刘昊宇. 不同浪向的波浪载荷作用下导管架平台主桩强度分析[J]. 海洋技术学报, 2014, 33(03): 85-93.

[3] 黄怀州, 洪明, 迟少艳. 随机波浪载荷作用下导管架平台动力响应及疲劳可靠性分析[J]. 船舶力学, 2006, 10(04): 65-71.

[4] GAIDAI O, NAESS A. Extreme Response Statistics for Drag Dominated Offshore Structures[J]. Probabilistic Engineering Mechanics, 2008(23): 180-187.

[5] NAESS A, GAIDAI O. Monte Carlo Methods for Estimating the Extreme Response of Dynamical Systems[J]. Journal Engineering Mechanics, 2008.

[6] 付昱华. 有效波高、平均周期和峰频率确定的JONSWA P谱[J]. 中国海上油气(工程), 1994, 02(01): 45-47.

[7] WANG Z F, WU K J, ZHOU L M, et al. Wave Characteristics and Extreme Parameters in the Bohai Sea[J]. China Ocean Engineering, 2012, 26(02)：341-350.