
随着我国海上油气工业的开发和生产,在渤海、南海等海域已有数十座的海上建筑群。在恶劣的海洋环境条件下,这些钢结构不断受到侵蚀和破坏。风、浪、流和冰载荷的长期作用、暴风雨条件下飞浪对甲板的冲击、机械撞击所致的构件损伤,波浪引起的桩基运动、不尽合理的设计准则、损伤构件的未能及时修理、杆件的腐蚀、海床淘蚀的影响以及海生物的增长等原因均可增加平台所受载荷,减小平台承载能力,最终导致平台结构的倒塌。因此,对海上平台结构进行安全性评估显得尤为重要。当前,主要有两种安全评估法被广泛应用,一是结构极限强度与结构寿命期内最大载荷之比,另一个则是用统计方法来估算倒塌的概率。这两种近似方法中,环境载荷作用下结构极限强度的估算是其中关键之一。
结构的极限强度,是指对结构不断增加环境载荷来计算其受力及变形状态,直到结构不再承受更高载荷为止。分析中,不仅应考虑强度的塑性和大位移的因素,而且还要考虑单个结构杆件刚度变化的影响,如屈曲或塑性。这样的局部破坏能引起内力的重新分布,从而使结构显示出较高的非线性特征直至结构极限倒塌。在这方面国内外学者已作了大量的工作。Setwart以实例说明了估算平台结构极限承载能力的方法,从而对设计准则方法加以补充,即确定评估现有平台结构完整性的准则。Tiuts分析了64m水深的导管架平台在不同的波作用下的储备强度率,给出了结构破坏和基础破坏的极限载荷。Zayas考虑了一个1:6尺寸的二维框架模型,试验了在地震载荷条件下结构的非线性特性,结果是其破坏形式主要是杆件的塑性屈曲。Grenda给出了六个真实平台尺寸的K型框架试验报告。Moan给出了海洋平台可能损伤条件的简单描述,对于非线性倒塌分析给出了两种有限元分析方法的理论基础。Clawson分析了8腿海洋平台结构的倒塌分析。Ueda提出了一种有效的方法—理想结构单元法。ISUM来估算极限强度。方法中考虑了应变硬化、损伤效应和局部壳屈曲等非线性特性。其在海洋平台结构的应用中,还考虑了杆件、节点及结构整体的非线性特性。Van研究了墨西哥湾平台部分损伤结构,统计预测了风载荷,使用了非线性推倒技术破坏后果的极限倒塌载荷。Lalani提出了三步结构整体估算过程,进行了平面框架的倒塌分析。
然而,对海洋导管架平台这样一个复杂的结构来说,其有限元分析模型可达几百个节点,上千个自由度,使用复杂的分析程序来完成整个平台结构倒塌分析,既需要大型计算机,又需占用大量CPU,这样的分析一般来说是不适合日常使用的。
应用“杆件替代”法来完成“推倒”分析是一种需要大量手工劳动的细致工作,它不需要复杂的非线性分析程序,只需线性分析程序即可完成。在此方法中,每根杆件假设具有线性特性,直到达到峰值承载,然后,杆件载荷下落到一个残余的值,这样,杆件的后峰值特性能从完全塑性到完全脆性变化(如图所示)。一旦杆件达到它的峰值载荷,在模型中,它被人工地用残余载荷替换。此方法的主要缺点是:它不能考虑连续的强度退化,且得到的极限强度趋于保守;手工操作时间多。Nordai用杆件替代法计算了8腿钢结构导管架平台口,在考虑杆件具有连续的后屈曲特性的前提下,Pike给出了另外一种杆件替代法.〕,即屈曲后杆件载荷下降的过程。虽然此方法更精确,但要求大量的线弹性结构分析。当用于模拟重复的杆件破坏时,此方法较繁琐。
Stewart给出了一种简单有效的模拟系统,使传统的线性分析程序 (SACS.MARCS等)能用来完成框架倒塌特性分析。倒塌模式主要是支撑杆件轴向破坏(屈曲或屈服)或桩轴向破坏(拉出或传透)。杆件的非线性特性数据由用户描述,非线性问题被减小到寻找一组杆件端部力。在组如侧耐合载荷条件下,强制线性系统模拟非线性系统的特性,由于在倒塌机制中有限几根杆件起作用(一般十根左右),所以即使对大的结构来说,一组约束力也是相当小的。这个方法比复杂的非线性分析程序有几个优点,其中之一就是简单易行、节省时间,使用非线性乘程序需要几个月的复杂结构倒塌分析,利用这个方法仅用几天时间就可以完成。Setwart文中分析计算了平面框架的极限强度,并与用非线性程序USFOS计算结果进行了比较,结果相当吻合。我们用线性迭代法进行平台倒塌分析,并计算两座平台结构的极限强度。
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