导管架结构在位分析

第五篇 海上平台结构

第二章 导管架设计

第四节导管架结构在位分析

一、概述

导管架结构在位分析是指平台安装就位后，在平台整个生命周期内，对平台承受自重荷载、设备荷载、操作荷载、风荷载、波浪和流荷载、冰荷载、地震荷载及意外荷载等各种荷载工况进行分析，以保证平台满足指定标准和规范的要求。目前海洋平台导管架的整体设计一般遵循API RP 2A最新版的要求进行设计，局部构件的设计一般依据AISC最新版的推荐作法。

导管架在位分析主要包括：静力分析、动力分析、地震分析、疲劳分析、桩基分析、波浪拍击分析和涡激振荡分析等。下面将对不同分析过程中的荷载基本工况、荷载组合、分析方法、构件及节点的校核标准、桩的校核方法及标准等因素进行阐述。

如果单独对导管架结构进行模拟分析，应尽可能模拟底层甲板的结构形式，以便合理的模拟上部结构的刚度。对于上部组块的荷载，可以采用及重量法将组块重量作为集中荷载模拟在估计的重心位置。

二、设计参数

1. 设计荷载

平台在就位作业阶段承受结构及附属构件的自重荷载、平台上设施的自重荷载、平台上设施的自重和操作荷载、平台上的临时荷载和活荷载、钻井和修井荷载，作用在平台上的风荷载、海流荷载、波浪荷载、冰荷载和地震荷载，以及事故荷载如：船舶碰撞、爆炸和落物等。

各种设计荷载的定义、范围和模拟方法详见本章第二、三节的内容。

2. 相关设计参数的选择

1）海生物的性质

海生物的分布及性质如范围、厚度和壁厚等一般应从设计基础数据中获得，尤其是海生物厚度，它对平台荷载影响较大，应予以充分重视。如果设计基础数据中没有给出海生物的数据，海生物厚度可参考临近平台的海生物厚度值，海生物生长的上边界可取平均海平面，下边界取海床表面。海生物的密度一般可取1.3─1.4t/m3。

2）飞溅区的范围

位于飞溅区的构件，阴极保护系统不能对其提供有效的保护，而涂层又可能遭受船舶等碰撞的损伤，所以对该区域的杆件，应采用特殊的涂层并考虑适当的腐蚀余量。飞溅区的范围可按如下公式确定：

飞溅区上边界标高：DHWL+2H S/3+△

飞溅区下边界标高：DHWL-H S/3-△

其中：

DHWL ——操作条件下的设计高水位,单位为米（m）

DLWL ——操作条件下的设计低水位,单位为米（m）

H S ——操作条件下的有效波高,单位为米（m）；

∆——施工和测量误差，当水深小于等于50 m时，取0.5 m

当水深大于50 m时，取1.0 m。

在位状态分析时，对处于飞溅区内的构件，杆件壁厚应扣除腐蚀余量。腐蚀余量一般取值为设计基础条件中建议的年腐蚀速率和平台的设计寿命（年）的乘积，如果设计基础条件中没有包含建议的年腐蚀速率，对于中国近海海域的固定平台，腐蚀余量可取0.3 mm/a。

对于可能遭受冰作用的导管架，位于冰磨蚀区的杆件还应考虑冰磨蚀余量，冰磨蚀应按第3)节中的定义确定范围和冰磨蚀余量。

3）冰磨蚀区的范围

如设计基础数据中没有提供，则按如下确定冰磨蚀区的范围：

磨蚀区上边界标高：WHAT+0.1H+∆

磨蚀区下边界标高：WLAT-0.9H-∆

其中：

WHAT ——冬季最高天文潮位,单位为米（m）

WLAT——冬季最低天文潮位,单位为米（m）

H —— 冰厚,单位为米（m）

∆——施工和测量误差：当水深小于等于50 m时，取0.5 m

当水深大于50 m时，取1.0 m

注： 1.如无冬季天文潮资料，可用年天文潮资料；

2.在确定冰作用点时，冰在水面以上的高度取冰厚的1/10；

在位状态分析时，对处于冰作用区内的构件，杆件壁厚应扣除冰磨蚀余量。冰磨蚀余量一般取值为设计基础条件中建议的年冰磨蚀速率和平台的设计寿命（年）的乘积，如果设计基础条件中没有包含建议的年冰磨蚀速率，对于渤海湾海域的固定平台，冰磨蚀余量可取0.1 mm/a。

4）水位选择

并不是所有的平台都是在高水位处产生最大的基底剪力或倾覆力矩，所以在计算平台的环境荷载时应至少选择两个水位进行荷载组合，避免错过最不利的荷载工况。一般宜选择极端高水位和极端低水位作为计算水位。对于水面附近结构形状变化较大的导管架结构，或许需要比较更多的水位。

三、静力分析

1. 定义及范围

静力分析包括操作工况分析和极端工况分析。

操作工况是指平台正常操作条件下可能承受的最不利的荷载组合，一般定义为平台承受固定荷载和相应于平台正常操作的最大（或最小）活荷载相组合的作业环境条件。作业环境条件应代表平台现场的适度的恶劣条件，它们不一定是在超过时要求平台中止作业的限制条件。对于中国近海的固定平台，一般取一年一遇的环境条件作为操作环境条件。

极端工况是指平台在服役期内有可能遭遇的最恶劣的环境条件时的最不利的荷载组合，一般定义为平台承受固定荷载和相应于与极端条件相组合的最大（或最小）活荷载组合的设计环境条件。平台在承受该设计环境条件时，平台上的正常生产活动已中止，但平台在该设计条件下应具备满足规范要求的结构强度和刚度，以保证结构的安全性和完整性。

除了地震荷载外的环境荷载，应以在所考虑的荷载条件期间同时出现的概率形式相结合，在适用的场合，地震荷载应作为单独的环境荷载条件作用在平台上。

钻井和采油平台的最大活荷载应考虑钻井、采油和修井状态下的操作，以及任何适当的

与采油作业相结合的钻井和修井作业。

2. 荷载组合

组合荷载工况应考虑所有可能的最不利的荷载组合，包括结构自重、设备自重、设备操作重量、操作活荷载、操作环境荷载、极端环境荷载、冰荷载、地震荷载等。同时应考虑可能的产生最大桩压力和拔力的荷载工况组合。对于甲板上的运动和移动设备，应考虑不同作业位置与其他荷载的最不利组合。

典型的荷载条件组合系数见表3-2-1。

表3-2-1 荷载组合及荷载条件组合系数表

操作 极端风暴极端冰拔桩（极端风暴）拔桩（极端冰）地震结构自重 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 设备自重 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 储罐等液体 1.0 0.75 0.75 0.25 0.25 0.75活荷载 1.0 0.75 0.75 0.25 0.25 0.75操作风、波、流 1.0

极端风、波、流 1.0 1.0

冰条件冰、风、流 1.0 1.0

注： 1. 此表仅表示荷载条件在参加组合时应取的系数，并不表示真实的组合。具体参与组合的荷载工况应按实际情况选取。

2. 基本工况中已经考虑了各自的荷载系数。

3. 分析计算

1）结构构件校核

名义应力校核依据API RP 2A—WSD最新版，对于极端风暴条件和极端冰条件，允许应力可以增加1/3。导管架及其结构附属构件的所有杆件的名义应力校核应满足规范要求，即UC 值应小于1。

2）节点冲剪校核

冲剪应力校核依据API RP 2A—WSD最新版，对于极端风暴条件和极端冰条件，允许应力可以增加1/3。导管架及其结构附属构件的所有杆件的冲剪应力校核应满足规范要求，即UC值应小于1。