基于USFOS程序的导管架固定平台倒塌分析

刘东亮

(海洋石油工程股份有限公司 天津300452)

0 引 言

固定平台倒塌分析是评估固定平台极限强度的分析手段，对平台进行倒塌分析的关键是，平台的整体承载能力在超过规范给出的最大允许工况的基础上进一步提高而不发生灾难性后果。因此通过对导管架平台进行倒塌分析计算可以准确评估导管架平台的结构极限强度[1]。韩晓风[2]借助 ANSYS软件来建立无初始缺陷平台的数值模型，对平台进行了极端波浪荷载下的静力动力极限强度分析。夏凡[3]研究了SACS软件的倒塌分析基本原理并使用 SACS软件进行了一次导管架平台的倒塌分析，最后得出了 0°角时导管的储备能力最小的结论。唐友刚等[4]使用SACS对南海某导管架平台进行了一次倒塌分析，结果表明平台的安全裕度很大，并给出了平台发生倒塌的过程，给出了SACS倒塌分析方法及其步骤。

上述倒塌分析方法 ANSYS分析工具建模和非线性参数指定过于复杂，需要较强的理论基础才能准确地进行有限元非线性分析。SACS软件开发初期主要侧重于线弹性分析，其后期开发的 collapse模块因偏于保守而不利于发现平台结构的真实储备能力。

USFOS软件是一款国际广泛应用的专业海洋工程非线性分析工具，能够全面考虑非线性分析中的各种机制。刘旭等[4]借助 USFOS工具对一艘自升式钻井船进行了极限承载力分析，认为对于自升式钻井船的极限能力分析，USFOS是一种比较先进而且精确的方法。本文使用 USFOS非线性分析程序进行导管架固定平台的倒塌分析。

1 分析原理

导管架固定平台的倒塌分析基于如下公式：

式中：R为固定平台整个系统的抵抗能力；Rs、Rf为上部结构或桩基的抵抗能力；D为结构自重；E为环境力(100年一遇的环境条件)；λ为环境力系。

基于上述公式，倒塌分析时首先加载结构自重，然后逐步增大环境力系数，直至平台关键结构的破坏导致整体不稳定或直接发生倒塌，此时λ即为平台倒塌抵抗力系数RSR。

如图1所示，由风、波、流组合而成的环境力首先作用在导管架平台上。如图2所示，随着该环境力载荷逐步加大开始出现第一根屈服杆件，外力继续增大，该杆件产生第一个塑性铰，塑性铰贯穿杆件横截面后杆件发生失稳，进而结构系统内力发生临时卸载现象，随着外力载荷的进一步加大，结构系统载荷重新分布直至达到平台的极限承载力，随后再继续加载，整个结构发生失稳而倒塌。

图1 导管架平台倒塌分析模型Fig.1 Analysis model of jacket platform collapse

图2 倒塌分析力-位移关系机理Fig.2 Mechanism of force-displacement relationship in collapse analysis

按照步步累积法对结构施加载荷，每一次载荷步施加后节点的坐标随之更新；每一次载荷步施加后，伴随着杆件材料和几何参数的变化，杆件本身的刚度不断调整，最终导致结构整体的刚度更新；每一步载荷施加后，将会校核杆件的受力是否超过其相应截面的塑性能力，一旦发现超过塑性能力，程序自动调整加载步长以便始终匹配杆件的屈服状态；当杆件受力值达到其屈服面时，塑性较将自动插入，一旦随后杆件受力变小，低于塑性面杆件的塑性铰将被移走而重现弹性状态。

2 分析实例

依据上述理论使用 USFOS软件进行实例分析。如图3所示，某平台为8腿群桩结构，套筒和桩之间灌浆固定，水深 52.7m。整个导管架有 5个水平层，分别为 EL.(+)6.50m、EL.(-)9.50m、EL.(-)25.50m、EL.(-)41.50m、EL.(-)52.7m，上部组块操作重12000t，设计要求平台的RSR值不低于1.6。

图3 USFOS分析模型Fig.3 USFOS analysis model

2.1 载荷条件

USFOS分析模型由 SACS模型转化，分析所用的基本荷载包括自重，8个方向的环境力(图4)，自重和环境力的值见分别见表1和表2。

表1 平台自重荷载Tab.1 Platform deadload

图4 环境力加载示意图Fig.4 Diagram of environmental loads

表2 平台环境力荷载Tab.2 Environmental loads

首先加载重力，进而分别加载 0°、59°、90°、121°、180°、239°、270°、301°方向的环境力，重力和环境力的加载组合按照表3执行，每个方向的环境力按照步步累积的方式逐步加载。当平台的关键结构破坏时，整个结构系统将会失稳，USFOS程序将停止运行，此时读取环境力的加载系数即为RSR值。

表3 工况组合Tab.3 Combination of working conditions

2.2 分析结果

依据上述分析流程将USFOS的分析结果汇总见表4，结构系统达到最大承载能力整体受力云图见图5。

由分析结果可以看出，平台在 90°方向的储备能力最差，RSR值为 2.01，仍满足设计要求不低于 1.6的限制。

0°方向在 RSR值达到 2.75之前，ROWA 面上3根拉筋，ROWB面上1根拉筋已经发生失稳；立面拉筋中 16根杆件，水平拉筋有 4根杆件，已经产生塑性铰，杆件进入塑性状态。

59°方向在RSR值达到2.18之前1根拉筋发生失稳；立面拉筋有 5根拉筋产生塑性铰，水平拉筋有7根产生塑性铰；5个管节点发生屈服。

90°方向RSR值达到2.01之前1根拉筋发生失稳；6根立面拉筋产生塑性铰，2根水平拉筋产生塑性铰。

121°方向 RSR值达到 2.19之前 1根杆件发生失稳；4根立面拉筋产生塑性较，5根水平拉筋产生塑性较；8个管节点发生屈服。

180°方向 RSR值达到 2.91之前 6根杆件发生失稳；15根立面拉筋产生塑性铰，8根水平拉筋产生塑性铰。

239°方向 RSR值达到 2.49之前 1根杆件发生失稳；5根立面拉筋产生塑性铰，7根水平拉筋产生塑性铰；2个管节点发生屈服。

270°方向 RSR值达到 2.25之前 1根杆件发生失稳；6根立面拉筋产生塑性铰，8根水平拉筋产生塑性铰；11个管节点发生屈服。

表4 分析结果(RSR)汇总表Tab.4 Summary of Researve Strength Ratio(RSR)

图5 塑性利用率云图Fig.5 Plastic utilization plots

301°方向 RSR值达到 2.49之前 1根杆件发生失稳；6根立面拉筋产生塑性铰，9根水平拉筋产生塑性铰；10个管节点发生屈服。

3 结 论

由以上分析理论和分析实例容易看出USFOS分析软件成功对某固定平台进行了倒塌分析，分析结果显示的最小抵抗力系数 RSR为 2.01，满足设计要求的 1.6，平台具备充裕的储备能力。USFOS分析程序作为专业的非线性分析工具，在导管架固定平台倒塌分析应用方面操作简单，分析准确，值得推广应用。