50年与100年一遇极端环境荷载对渤海导管架平台结构设计的影响分析

李翔云，肖辉，程霖，薄昭，郝铭

(中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300452)

平台结构设计主要参考的规范为美国石油学会API RP 2A-WSD。API规定，对于美国海域的一类结构物，采用百年一遇重现期环境条件开展极端工况校核[1]。渤海属于内海，风、浪、流、冰的极端条件重现期按50年考虑[2]。在QHS 3003—2013发布后，风、浪、流、冰的极端条件重现期调整为100年[3]。为评估极端工况环境参数重现期调整对平台结构设计的影响，通过对比渤海不同区域海洋平台的结构响应，选择极端环境工况作为控制工况的JZ9-3WHPC平台，分别施加50年和100年重现期环境荷载，对比平台导管架和钢桩在不同重现期环境荷载作用下的结构响应，为评估平台结构用钢量的变化提供参考。

1 平台概述

JZ9-3WHPC平台位于中国渤海的辽东湾北部，平台位置处海图水深为8 m。如图1所示，该平台为4腿4主桩导管架结构形式；导管架工作点处间距为18.5 m×18.0 m。组块共设3层甲板，采用梁柱板和斜支撑构成的空间桁架结构。平台设置有135 t修井机，注聚系统、注水泵和其他公用系统。

图1 JZ9-3WHPC平台结构模型

2 极端环境荷载影响分析

2.1 环境参数对比

锦州9-3海域冬季由于水浅，热容量小，又受北岸浅滩冰的影响，一般冰年份都处于流冰覆盖之中，是辽东湾冰情较重的区域，是导管架平台结构设计需要重点考虑的因素之一[4-5]。该海域工程设计水位见表1。50年和100年环境参数对比见表2、3，最大波高相差6.25%，冰厚相差5.28%。

表1 JZ9-3平台场址工程设计水位

2.2 环境荷载对比

基于上述环境参数，计算平台受到的风力、波流耦合力和冰力荷载；根据规范要求，对平台自重及风力、波流力和冰力进行组合，得出极端工况环境荷载及平台在极端环境荷载作用下的基底剪力和倾覆力矩响应，见表4～7。在100年重现期环境荷载作用下，平台受到的波流耦合力增大10.9%，极端风暴荷载增大9.58%；基底剪力增大1.46%，倾覆力矩增大1.74%。

表2 锦州9-3油田风、浪、流重现期极值

表3 海冰设计参数

表4 极端工况环境荷载对比

表5 极端工况组合荷载对比

表6 基底剪力 kN

表7 倾覆力矩 kN·m

3 平台结构影响分析

3.1 组块

由于风荷载不是组块结构的控制荷载，因此，极端环境荷载对组块的影响主要体现在最大波高的变化对组块底甲板标高的影响。组块底甲板标高计算方法如下。

1)海洋石油工程设计指南[6]。底层甲板与海面间的高度应按设计环境条件时潮汐与波浪最不利组合情况下的最大波峰高程以上，并留有至少1.5 m的间隙设计。

底甲板标高=2/3百年一遇波高+百年一遇高水位+底层甲板结构梁高+1.5 m气隙。

2)渤海海域钢质固定平台结构设计规则。下甲板底标高=设计波浪波峰高度+极端高水位+1.5 m气隙。

设计波浪波峰高度应根据适宜的波浪理论计算得出。根据本海域波浪特点，选择流函数对波浪进行模拟。

基于上述2种算法，得出50年和100年一遇环境条件下的底甲板标高对比见表8。采用100年一遇环境条件，组块底层甲板标高将升高0.3 m。

表8 底层甲板标高 m

3.2 导管架

平台结构强度主要衡量指标是杆件UC和节点UC，见图2。

图2 导管架结构UC值

API规范规定了杆件和节点UC值的算法，杆件UC是将杆件受到的轴向力和弯矩按照一定方式进行组合，再与许用值相除得到的比值；节点UC分为LOAD UC和STRN UC，LOAD UC主要与节点所受荷载有关，而STRN UC综合考虑了节点构造与荷载的影响[7]。分别对平台加载50年与100年一遇环境荷载，得出杆件UC和节点UC对比见表9。

表9 杆件和节点最大UC

在百年一遇环境荷载作用下，导管架杆件最大UC和管节点最大LOAD UC增加5%左右。由于最大UC值并没有超过1，不会导致杆件规格的改变，即百年一遇环境荷载不会导致导管架用钢量上升。

3.3 钢桩

钢桩的重要评价参数是桩基承载力系数及钢桩UC值。由于静力工况不是钢桩UC值的控制工况，主要论证极端环境条件对平台桩基承载力系数的影响。桩基承载力系数是桩基极限承载力与桩头力的比值，桩基极限承载力由土壤及钢桩入泥深度决定，而桩头力则与平台在位期间所受到的荷载有关。分别对平台加载基于50年和100年一遇环境荷载，得出平台桩基承载力系数对比结果见表10。在百年一遇环境条件作用下，压桩桩头力增加370 kN，桩基承载力系数减少1.3%。

表10 桩基承载力系数

4 结论

在100年一遇环境条件下，平台受到的环境荷载增幅不明显，波流耦合力增大10.9%，极端风暴荷载增大9.58%；基底剪力增大1.46%，倾覆力矩增大1.74%；组块底层甲板将抬高0.3 m；导管架杆件UC和管节点最大LOAD UC增加5%左右，不会导致导管架用钢量上升；压桩桩头力增加370 kN，桩基承载力系数减少1.3%。即极端环境荷载重现期由50年变为100年对钢桩设计影响很小，不会导致渤海常规导管架平台用钢量的显著上升；对于简易井口平台，还需进一步论证。