第6章 导管架式平台强度分析
导管架平台动力性能及安全性分析
导管架平台动力性能及安全性分析作为常见的海上结构,导管架平台在完成钻井、采油、储油等作业的同时,由于长期暴露在海洋环境当中,会受到恶劣的天气环境以及其他诸多复杂因素的影响,有时还会受到爆炸、撞击等偶然载荷的作用,因此平台倒塌事故时有发生,这不仅造成了严重的环境污染,同时也带来了巨大的经济损失。
为保证结构在恶劣环境下的抗倒塌能力,延长结构的服役期,有必要从整体结构层面出发,研究平台结构的整体安全性能。
目前导管架平台的整体安全水平研究主要围绕在静力载荷作用分析的阶段,由动力载荷造成的整体倒塌以及所体现的安全储备方面研究较少。
同时,对于导管架的倒塌过程,很少进行结构内部杆件的屈服过程与塑性发展特性相关探讨。
本文针对以上几个问题展开了相关研究：探究了非线性方法在有限元分析中的实施手段。
对于常见的倒塌分析,一般要求考虑材料、几何非线性,从而能够模拟更为反映实际情况的倒塌过程,因此有必要深入了解非线性在结构分析中的实施过程与分析手段。
将推导二维梁单元的几何、材料非线性有限元模型,结合Newton-Raphson方法编制程序,研究非线性在结构分析中对计算结果产生的影响。
研究了导管架平台的静力倒塌安全性。
采用某冰工况下的环境要素,以及基于提高重现期的载荷增量方法,对平台进行了Pushover分析,得到了不同方向的结构承载力与杆件塑性发展过程,进而根据其储备强度(RSR)探讨了结构整体安全性能；编制了逐步回归响应面程序,该方法不需提前给出功能函数,且计算效率较高。
然后,计算了结构的整体可靠度,并通过给定拟合方程的JC法验证了程序的可靠性。
研究表明,尽管两类指标的研究侧重点不同,但两类指标均能很好地对结构的安全性进行描述。
在地震作用下,对导管架平台进行了动力性能研究。
选择了26条具备不同频谱特性的三向地震记录,采用IDA方法对结构进行了动力增量分析,在分析中记录不同地震波作用下结构全过程响应信息与杆件状态信息,以及塑性点、倒塌点对应的载荷水平。
导管架式平台
导管架式平台导管架平台的历史和发展进程世界上第一座固定式海洋平台建于1887年，它安装在美国加利弗尼亚的油田上，实际上是一座木结构的栈桥。
二战后，用于战争中的许多先进科学技术成果被应用到海洋开发中。
1947年在美国墨西哥湾水深6米处成功地安装了世界上第一座设备齐全的钢质导管架平台。
开创了海洋开发的新时期。
此后，海洋平台得到了迅速的发展。
上世纪七十年代末，钢制导管架平台已经安装于300多米的海域，而到了1990年具有486米高的巨型导管架平台也已工作与墨西哥湾400多米的水深中。
这种导管架式平台在随后的多年中逐渐地扩展到更深的水域和更恶劣的海洋环境中。
这些平台以勘探、开发海洋资源为主，其中尤以开发、储藏石油和天然气的平台占多数。
自上世纪四十年代美国安装使用了世界上第一座钢质导管架式平台(Steel Jacket Offshore Platform)以来，这种结构已经成为中浅海海洋平台的主要结构型式。
随着海洋石油开发的迅速发展，导管架式海洋平台被广泛用于海上油田开发、海上观光以及海洋科学观测等方面。
迄今为止，世界上建成的大、中型导管架式海洋平台约有2000余座。
工作水深已达到四、五百米。
结构形式“导管架”的取名基于管架的各条腿柱作为管桩的导管这一实际。
固定式钢质导管架海洋平台主要由两部分组成: 一部分是由导管架腿柱和连接腿柱的纵横杆系所构成的空间构架。
腿柱(或称导管)是中空的，钢管桩是一根细长的焊接圆管，它通过打桩的力一法固定于海底，由若干根单桩组成的群桩基础把整个平台牢牢地固定于海床。
腿柱和桩共同作用构成了用来支撑上部设施一与设备的支撑结构:另一部分由甲板及其上面的设施与设备组成，是收集和处理油气、生活及其它用途的场所。
图1-2为典型的导管架式海洋平台结构的示意图。
固定设施的类型：桩基式固定设施、重力式固定设施、人工岛、顺应型平台、简易平台属于桩基式固定设施导管架式平台，主要由四大部分组成：导管架、桩、导管架帽和甲板。
导管架平台
第五章 导管架平台
§5.1导管架平台强度的校核状态与分析方法
一、平台强度的校核状态
平台作业主要状态海上运输；下水；安装()⎧⎨⎩
二、总体强度的分析方法
1. 静力分析
2. 动力分析
时域方法设计波法频域方法设计谱法()
()⎧⎨⎩ 选择静力分析还是动力分析方法，主要取决于导管架平台的工作水域深度h （愈小，平台刚度愈大，结构自振频率h ωn 愈远大于波浪干扰力频率，动力放大效应可以忽略不计）
§5.2平台总体强度的静力分析
一、计算载荷
环境载荷——风浪流、地震使用载荷即工作载荷施工载荷——建造、装船、运输、下水及安装()⎧⎨⎪⎩
⎪二、结构的模型化
导管架平台
导管架——空间刚架
桩基——“桩元”（只有个节点的特殊梁元）1⎧⎨⎩三、“桩元”刚度阵
四、平台结构分析的计算流程图
§5.3运输、下水及安装过程中的平台受力分析与应力计算
平台受力分析／应力计算 高应力构件 运输 重力、风力及惯性力 驳船-导管架组合体在波浪中的运动⇒
导管架按空间刚架分析
导管架与驳船固定连接的构件
下水 重力、浮力、阻力及惯性力
空间刚架分析
与摇臂接触的构件，下水支撑构件 安装
需考虑浮吊运动所引起的动力效应，
即设计载荷＝静载荷×动荷系数 吊眼；直接与吊眼相连的构件。
导管架型海洋平台的疲劳可靠度及疲劳寿命研究
第六章 导管架设计
3.在杆件坐标系下，由节点位移而产生的杆端力F e 为：
F T F T K D
e e e e
e e e e L
4.在杆件坐标系下，若杆件上作用有分布荷载，由节点位移而产生的杆端 力 F e 为：
F T K D F
• 第五节
摩擦型桩 桩基（按承载性状）
常用
端承摩擦桩（桩端阻力和侧 摩阻力同时发挥作用）
端承桩（桩侧摩阻力可忽略）
端承型桩 摩擦端承桩（桩端阻力和侧 摩阻力同时发挥作用）
• 第一节
设计依据及设计内容
一个好的平台设计，应具有满意的使用效果、较少的维修和初始投资 一、设计导管架的基本依据 1.水深：影响导管架几何形状、平台安装工艺、平台基底的倾覆力矩大小
2.海洋环境：决定导管架结构几何形状的主要因素
3与施工设备：与导管架几何形状的选择有关
二、导管架结构的设计内容 1.导管架结构型式的设计：又称为“方案设计”，即根据设计资料拟定初 步设计方案，确定导管架尺度 2.导管架腿柱直径与斜度设计： 1）腿柱直径与土质情况、基础要求有关。初步设计时通常根据设计经验和 按甲板支撑桁架腿柱的要求确定腿柱直径 2）腿柱斜度与土壤性质、打桩机性能和荷载类型有关，一般为双斜对称式
e e e F k D
e F ---杆件力向量
e k ---杆件刚度矩阵
e D ---杆端节点位移向量
杆件刚度矩阵中 k 中元素kij的含义：只有在j自由度方向产生单位 位移时在i自由度方向上引起的杆端力
W
1.1
5
轴向受拉或受压并在两个平面内受弯
2 M x2 M y N 0.9 A W
自升式平台强度分析123详解
例如在着底状态中有满载风暴工况和满载作业工况。前者为平台遭到 百年一遇的风暴，甲板载荷为满载情况，这时已不进行钻井作业；后者的 环境条件通常为36m/s风速下的海浪，甲板载荷为满载情况，平台正常钻 井。由于前者条件更为严重，一般就以这个工况作为设计工况。
根据上述各种工作状态的受力分析，平台结构通常需要进行下列的强 度计算： （1）平台总体强度的计算（着底状态）； （2）单桩腿局部强度计算（着底状态，拖航状态，放桩与提桩状态）； （3）船体强度计算（拖航状态，桩腿预压状态）； （4）固桩区结构强度计算（着底状态，拖航状态）。
6.1 自升式平台的主要工作状态
§6.1 自升式平台的主要工作状态05-4-12
5.着底状态
着底状态包括满载风暴不作业和满载作业两种状态。一般情况下，满 载风暴不作业时桩腿所受的外力要比满载作业状态时大，所以通常平台就 以满载风暴不作业状态进行设计。
平台主体被桩腿支撑在海面之上时，平台主体上的甲板载荷和风力将 通过桩腿传递到海底，这时的桩腿将受到风力，波浪力，潮流力，平台重 力和地基反力的作用。由于桩腿比较长，平台结构在载荷的作用下产生的 侧向位移还将使桩腿受到不可忽视的重量偏心力矩。
Ks
8Gr03
31
(6 1)
式中：G为土壤的剪切模数；ν为土壤的泊桑比；r0为桩脚箱的半径或接触 面积的半径。假如桩脚箱是边长分别为B 和L 的矩形，且L 垂直于转动轴， 则等效的半径向可用下式表示。
r0
4
BL3
3
(6 2)
§6.2 平台着底状态的总体强度计算
二、环境载荷计算
在平台着底状态的总体强度计算中，一般是以满载风暴工况（不钻井） 作为设计工况。但由于不同的风向、波浪入射角、波峰位置和不同的海流方 向对平台产生的环境载荷有较大的差异，所以需要进行环境载荷的搜索，以 确定最大的环境载荷，并以此环境载荷与甲板载荷叠加，进行总强度计算。 对风载荷，可以先将受风构件在 不同风向的投影面积、形状系数、高 度系致、风压值、风力作用高度等计 算出来，然后求得不同风向的风力和 它对桩腿下端的力矩。对于有对称性 的平台，一般在0°到180°之间取6至 7个风向角进行计算，如图6-4所示。
导管架平台强度分析
ｌａ ｓｗｅ ｅｃ ｍｂ ｎ ｄ． ｉ ｒ ｉ ｏ ｄ ｔ ｎ ｆ ｒｃ ｌ ｕ ａ ｉｎ ｗａ ｂ ａｎｅ ｎ ｈｅｗｈ ｌ ｔｕ ｔ ｒ ｔｅ ｓｆｒｔ ｅ ｏ ｄ ｒ ｏ ｉ ｅ Ｍａ ｎ ｗｏ ｋｎｇｃ ｎ ｉｉ ｏ ａ ｃ ｌｔｏ ｓｏ ｔｉ ｄ ａ ｄ ｔ ｏｅ ｓｒ ｃ ｕ ｅ ｓｒ ｓ ｈ ｏ ｏ ｔｐ ｃ ｌｃ ｎ ｔｏ ｓ ｃ ｌｕ ａｅ ． Ｏｎ ｔ ｅ ｂ ｓｓ ｏ ｔｅ ｓ ａ ａｙ ｉ ，ｔ ｏ ｎ ｃｉ ｇ ｐ ｉ ｔ ｔ ａ ｇ ｒ ｐ ａｆ ｒ ｙ ｉ ａ ｏ ｄｉ ｎ ｗａ ａｃ ｌ ｔ ｄ ｉ ｈ ａ ｉ ｆｓｒ ｓ ｎ ｌｓｓ ｈｅ ｃ ｎ ｅ ｔｎ ｏ ｎ ｓ ｗｉ ｌｒ ｅ ｌｔｏ ｈ ｍ ｓｒ ｓ ｍｐ ｉ ｕｄ ｒ ｏ ｎｄ ａ ｄ ｔ ｅｒ ｓｒ ｎｇｈ ｒ ｈ ｃ ｅ ｔｅ ｓａ ｌｈ ｅ ｗｅ ｅ ｆｕ ｎ ｈ ｉ ｔｅ ｔ ｓｗｅ ｅ ｃ ｅ ｋ ｄ．Ｔ ｓｍｅｈ ｄ ｉ ｅｐ ｕ ｏ ｔ ｅ ｓｒ ｃ ｕ ａ ｅ ｉｎ ｈｉ ｔ ｏ ｓ ｈ ｌ ｆ ｌｔ ｈ ｔｕ ｔ ｒ ｌｄ ｓｇ
型． 根据美 国石油协会 Ａ Ｉ Ａ ｒ ａ ｅ ｏ ｕ ｎｔｕｅ 规范分析确定 了平 台的环境 荷载并 进行 了荷 载组 合 ， 定结构 Ｐ （ ｍｅｉ ｎＰ ｔ ｌ ｍ Ｉｓｔｔ） ｃ ｒｅ ｉ 确
计算分 析的主要工况 ， 计算 了典 型工况下的整体结构应力 ； 并通过对平 台整体结 构应力状 态的分析 ， 出平 台应 力幅值 找
Ｒ ＡＮ／ ＮＡＳ ＲＡＮ． ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ Ｉ ｃ ｔｒｏ ｅ ｖｒ ｎ ｎ ａ ｏ ｄ ｏ ｈ ｊｃｅ ｗ ｓｄｔｒ ｉｅ ｎ ａｉ ｓ Ｔ Ａｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ＡＰ ｒ ｅ ｎ， ｎ ｉｏ ｍｅ ｔ ｌ ｌａ ｆ ｔ ｅ ａｋ ｔ ａ ｅ ｍ ｎｄ ａ ｄ ｖ ｒ ｕ ｉ ｉ ｅ ｏ
导管架平台
导管架平台的结构组成
由上部结构（即平台甲板）和基础结构组成。 上部结构：一般由承受作业机械（机器）和其它载荷的 上下层平台甲板和层间桁架或立柱构成。甲板上布置成套钻 采装置及辅助工具、动力装置、泥浆循环净化设备、人员的 工作、生活设施和直升飞机升降台等。平台甲板的尺寸由使 用工艺确定。
上部结构
上层平台：用 作安放井架、绞车、 钻具、生活设施和 直升飞机升降台等；
导管架平台
钢质导管架式平台通过打桩的方法固定于海底， 钢质导管架式平台 它是目前海上油田使用最广泛的一种平台。使用水深一 般小于300米，自1947年第一次被用在墨西哥湾6米水 域以来，发展十分迅速，到1978年，其工作水深达到 312米，目前世界上大于300米水深的导管架平台有7座。 其优点是可事先做成导管架形式，在岸上预制好，然后 到海上进行打桩。平台的整体性好，施工快。它的主要 缺点是抗海水腐蚀性能差。所以，有的地方，曾采用过 抗海水腐蚀性能好的铝制平台，但因造价昂贵，未能普 遍应用。
（1）提升法。主要依靠起重船进行吊装，所以受起 重船起重能力和起重高度的限制。导管架不能太重，也 不能太高。如果太重，则要将它分成几块预制，分别吊 放入海后在海上安装。这增加了海上施工的困难。安装 过程如下图所示。
提升法安装导管架示意图
（a）浮运； （b）吊放； （c）打桩； （d）上部结构安装；
下层平台：安放泥浆 泵、泥浆池、防喷器、发 电房、固井设备、仓库 等；
导管架平台的结构组成
基础结构（ 即下部结 构）。包括导管架和桩。
基础结构
导管架可事先在岸上预制好。然后，或用驳船运至目 的地，或依靠中空的浮力拖至目的地，下沉并坐在海底 上。再将桩管由导管内插入，并用打桩机打入海底一定深 度。桩支承全部荷载并固定平台位置。 桩数、长度和桩径由海底地质条件及荷载决定。 导管架立柱的直径取决于桩径，其水平支撑的层数根 据立柱长细比的要求而定。 在冰块飘流的海区，应尽量在水线区域（潮差段）减 少或不设支撑，以免冰块堆积。
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第六章 导管架平台强度分析
1
海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文
第六章 导管架平台强度分析
2
上节主要内容
2、半潜式平台结构强度设计谱算法
半潜式平台设计谱法的计算通常可以分为四个 部分： 1、波浪外力分析 2、波浪载荷下的空间刚架计算 3、响应函数计算 4、短期与长期统计预报
（6-6）
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消去方程（6-6）中的
k 2 得：
2
m2 U 2 3 U 2 m2 9 U 2 m2 L 3 4 2 f 2x 16 2 f 2x f 2x 2
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
载荷组合要遵循这样的原则，即根据所选定的 设计环境条件，对实际有可能同时作用在平台上 的各种载荷，按其最不利的情况进行组合。但对 地震载荷，则可作为单独的环境载荷作用在平台 上，而不与其它环境载荷组合。对于同一平台的 不同设计项目(如结构的局部构件计算和总体计算 等)或不同阶段(施工阶段和使用时期)，应按实际 可能同时出现的最不利受载情况进行组合，并在 组合时必须考虑水位的影响。
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当载荷对平台结构或构件的动力作用显著时，就考 虑为动力载荷，它包括： ①周期性载荷，当各种动力机械和设备的运转频率 接近结构的自振频率时，就应考虑载荷的动力放大； ②冲击性载荷，包括钻井，材料的搬运，船舶系泊 及碰撞，直升机的降落等． 2.施工载荷 施工载荷发生在平台的建造、装船、运输、下水、 安装等阶段，为临时性载荷，对于受环境条件影响的 各个施工阶段，平台的施工载荷应与环境载荷进行相 应的最不利的组合。
（6-7）
由式（6-6）得：
f 2x k1 1 U 2 L 2 2
（6-8）
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求出
k1 和 L后，由式(6-5)则可得 k 3 , k 4
由式（6-5）到式（6-8）可以看出，等效桩长 L 与桩顶作用力 f 2x , m2和位移 U 2 2 有关，而等效桩的桩顶刚度系数 k1 , k3 , k4 又随作用力、位移及桩长而变化，因此等效校的桩 顶刚度短阵是一个动态矩阵，必须通达多次迭代来 求解。迭代的具体过程是：
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第六章 导管架平台强度分析
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第六章 固定式平台强度分析
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设等效桩两端的作用力为 及 此时等效桩1-2的刚度方程为： 如图6-2所示：
式中
以及转角
分别为地面桩顶处的水平和垂直位移， 分别为等效桩的刚度系数。
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利用式（6-1）可以写出地面桩的刚度方程：
k a 为土的弹性模量，在缺乏精确资料时，建议取下
，
列值：粘土， 7655.6kN/m2（160kips/ft2）；砂土 9091kN/m2（190kips/ft2）。其它刚度系数 k1 , k3 , k4 则一般可用梁单元的刚度公式确定：
12EI k1 3 L
4EI k3 L
6EI k4 2 L
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CCS浅海固定平台规范
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CCS浅海固定平台规范
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二、 结构的理想化及构件应力计算
导管架结构支承于桩基上，桩基对导管架起 着支承和约束作用，因此在分析导管架平台时，必 须考虑结构—桩—土的共同作用。 在建立计算模型时；目前较常用的方法是将 导管架结构部分理想化为空间刚架，而对桩基部分 则可理想化为等效的直立桩，如图6.1所示。
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导管架式平台 导管架平台用钢桩固定于海底。钢桩穿过导管 打入海底，并由若干根导管组合成导管架。导管架 先在陆地预制好后，拖运到海上安装就位，然后顺 着导管打桩，桩是打一节接一节的，最后在桩与导 管之间的环形空隙里灌入水泥浆，使桩与导管连成 一体固定于海底。这种施工方式，使海上工作量减 少。平台设于导管架的顶部，高于作业区的波高， 具体高度须视当地的海况而定，一般大约高出 4-5m， 这样可避免波浪的冲击。导管架平台的整体结构刚 性大，适用于各种土质，是目前最主要的固定式平 台。但其尺度、重量随水深增加而急骤增加，所以 在深水中的经济性较差。
k1 , k 3 , k （ 4
k 2用式（6-3）计算）。
图6.3 桩顶反力的求取
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图6.4 等效桩长的求取
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第六章 导管架平台强度分析
导管架平台的总刚度矩阵 Kp 根据已知外载荷，通过结构矩阵分折可求得新桩顶位移 U2i , 2i 及桩顶反力 f 2xi , m2i
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(1)假定导管架为刚体，桩顶不动，根据已知 的外载荷求出桩顶的反力 f 2x , m2 如图6-3所示。
，通过桩的横向抗力 (桩土 (2)根据桩顶外力 f 2x , m 2 p y 关系)分析求得桩顶的位移 U 2 2 ，进而求得等效桩的桩长 L ，桩顶刚度系数
上节主要内容
1、半潜式平台总强度设计波计算法
• 半潜式平台的总体强度计算由于平台结构 的特殊性使计算过程相当复杂，加上选取 的工况很多，因此工作量非常大。 • 这项工作只能靠电子计算机来完成，目前 世界各国的船级社及有关的研究、生产单 位都编制了相应的计算机程序系统。概括 起来，半潜式平台总强度设计波法的计算 机程序系统可用以下流程图来表示。
（6-4）
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第六章 导管架平台强度分析
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由此，
L （6-5） k4 2 式中， I 为桩的截面惯性矩。 为了求得等效桩的长度 L
L2 k 3 k1 3
，
可以把式（6-2）展开得：
L f 2x k1U 2 k1 2 2 L L2 m2 k 1 U 2 k 1 2 2 3
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导管架的运送、就位及安装
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本章主要内容
6.1 导管架平台强度的静力分析 6.2 导管架平台强度的动力分析 6.3 导管架平台地震反应分析 6.4 导管架平台在运输、下水及安装过程中 的受力分析 6.5 混凝土重力式平台强度分析
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第六章 导管架平台强度分析
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3.载荷组合 平台应按对结构产生最严重影响的载荷条件进行设 计，载荷条件包括工作环境条件和极端环境条件，及 其与相应的固定载荷和活载荷的组合。在结构强度分 析时，至少应计算下列四种载荷组合工况： (1)设计工作环境条件与平台上的固定载荷和相应最 大活载荷的组合； (2)设计工作环境条件与平台上的固定载荷和相应最 小活载荷的组合； (3)设计极端环境条件与平台上的固定载荷和相应最 大活载荷的组合； (4)设计极端环境条件与平台上的固定载荷和相应最 小活载荷的组合。
第六章 导管架平台强度分析
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图6.5 等效桩桩顶刚度系数计算的实例
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桩的直径，1 1.219m 壁厚 t1 2.54cm（1in），打 入深度为60.96m（200ft），海底土质为粘土。导 t2 管架的垂直构件的直径 2 =1.2199m(4ft)，壁厚 =3.810cm（1.5in）。水平和对角线构件的直径 3 =0.8096m(2ft)，壁厚 t 3 =1.27cm（0.5in）。
6
固定式平台包括钢质导管架平台与混凝土重力 式平台。 它的总体强度分析包括静力分析和动力分析， 建立的模型应与实际结构等效，并需要考虑结构 与周围介质之间的相互作用，在计算内力时通常 采用三维计算模型。 钢质导管架的强度分析，目的就是使结构在设 计使用寿命内，能够满足环境条件的要求，并能 承受工作载荷和环境载荷的作用。
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第六章 导管架平台强度分析
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(2)活载荷：活载荷为平台使用期间施加于平台上的 载荷，它随平台作业类型的不同而变化，按其时间变 化与作用可分为可变载荷与动力载荷。对于可变载荷 的数值，由于其作用位置变化缓慢，可作为静载荷处 理，它包括； ①钻井和生产设备的重量，这些设备可以移上或移 下平台，并可以在平台上移动； ②生活区、直升机平台的重量，生活供给设备、救 生设备、潜水设备及公用设备的重量，这些设备也可 以移上或移下平台； ③贮藏舱中消耗性的供给物品及液体重量； ④海生物附着和冰的聚积所增加的重量。