導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)在位分析

1、導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)在位分析第五篇海上平臺結(jié)構(gòu)第二章導(dǎo)管架設(shè)計(jì)第四節(jié)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)在位分析一、概述導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)在位分析是指平臺安裝就位后，在平臺整個(gè)生命周期內(nèi)，對平臺承受自重荷載、設(shè)備荷載、操作荷載、風(fēng)荷載、波浪和流荷載、冰荷載、地震荷載及意外荷載等各種荷載工況進(jìn)行分析，以保證平臺滿足指定標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。目前海洋平臺導(dǎo)管架的整體設(shè)計(jì)一般遵循APIRP2A最新版的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，局部構(gòu)件的設(shè)計(jì)一般依據(jù)AISC最新版的推薦作法。導(dǎo)管架在位分析主要包括：靜力分析、動力分析、地震分析、疲勞分析、樁基分析、波浪拍擊分析和渦激振蕩分析等。下面將對不同分析過程中的荷載基本工況、荷載組合、分析方法、構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)的校核標(biāo)準(zhǔn)、樁的

2、校核方法及標(biāo)準(zhǔn)等因素進(jìn)行闡述。如果單獨(dú)對導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，應(yīng)盡可能模擬底層甲板的結(jié)構(gòu)形式，以便合理的模擬上部結(jié)構(gòu)的剛度。對于上部組塊的荷載，可以采用及重量法將組塊重量作為集中荷載模擬在估計(jì)的重心位置。二、設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)荷載平臺在就位作業(yè)階段承受結(jié)構(gòu)及附屬構(gòu)件的自重荷載、平臺上設(shè)施的自重荷載、平臺上設(shè)施的自重和操作荷載、平臺上的臨時(shí)荷載和活荷載、鉆井和修井荷載，作用在平臺上的風(fēng)荷載、海流荷載、波浪荷載、冰荷載和地震荷載，以及事故荷載如：船舶碰撞、爆炸和落物等。各種設(shè)計(jì)荷載的定義、范圍和模擬方法詳見本章第二、三節(jié)的內(nèi)容。相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇1）海生物的性質(zhì)海生物的分布及性質(zhì)如范圍、厚度和壁厚等一

3、般應(yīng)從設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中獲得，尤其是海生物厚度，它對平臺荷載影響較大，應(yīng)予以充分重視。如果設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中沒有給出海生物的數(shù)據(jù)，海生物厚度可參考臨近平臺的海生物厚度值，海生物生長的上邊界可取平均海平面，下邊界取海床表面。海生物的密度一般可取1.3-1.4t/m3。2）飛濺區(qū)的范圍位于飛濺區(qū)的構(gòu)件，陰極保護(hù)系統(tǒng)不能對其提供有效的保護(hù)，而涂層又可能遭受船舶等碰撞的損傷，所以對該區(qū)域的桿件，應(yīng)采用特殊的涂層并考慮適當(dāng)?shù)母g余量。飛濺區(qū)的范圍可按如下公式確定：飛濺區(qū)上邊界標(biāo)高：DHWL+2HS/3+厶飛濺區(qū)下邊界標(biāo)高：DHWL-HS/3-厶其中：DHWL操作條件下的設(shè)計(jì)高水位，單位為米（m）DLWL操作條件

4、下的設(shè)計(jì)低水位，單位為米（m）HS操作條件下的有效波高，單位為米（m）;施工和測量誤差，當(dāng)水深小于等于50m時(shí)，取0.5m當(dāng)水深大于50m時(shí)，取1.0mo在位狀態(tài)分析時(shí)，對處于飛濺區(qū)內(nèi)的構(gòu)件，桿件壁厚應(yīng)扣除腐蝕余量。腐蝕余量一般取值為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件中建議的年腐蝕速率和平臺的設(shè)計(jì)壽命（年）的乘積，如果設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件中沒有包含建議的年腐蝕速率，對于中國近海海域的固定平臺，腐蝕余量可取0.3mm/ao對于可能遭受冰作用的導(dǎo)管架，位于冰磨蝕區(qū)的桿件還應(yīng)考慮冰磨蝕余量，冰磨蝕應(yīng)按第3）節(jié)中的定義確定范圍和冰磨蝕余3）冰磨蝕區(qū)的范圍如設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中沒有提供，則按如下確定冰磨蝕區(qū)的范圍磨蝕區(qū)上邊界標(biāo)高：WHAT

5、+0.1H+?磨蝕區(qū)下邊界標(biāo)高：WLAT-0.9H-?其中：WHAT冬季最高天文潮位，單位為米（m）WLAT冬季最低天文潮位，單位為米（m）H冰厚，單位為米（m）施工和測量誤差：當(dāng)水深小于等于50m時(shí)，取0.5m當(dāng)水深大于50m時(shí)，取1.0m注：1如無冬季天文潮資料，可用年天文潮資料；2在確定冰作用點(diǎn)時(shí)，冰在水面以上的高度取冰厚的1/10;在位狀態(tài)分析時(shí)，對處于冰作用區(qū)內(nèi)的構(gòu)件，桿件壁厚應(yīng)扣除冰磨蝕余量。冰磨蝕余量一般取值為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件中建議的年冰磨蝕速率和平臺的設(shè)計(jì)壽命（年）的乘積，如果設(shè)計(jì)基礎(chǔ)條件中沒有包含建議的年冰磨蝕速率，對于渤海灣海域的固定平臺，冰磨蝕余量可取0.1mm/a。4）水位

6、選擇并不是所有的平臺都是在高水位處產(chǎn)生最大的基底剪力或傾覆力矩，所以在計(jì)算平臺的環(huán)境荷載時(shí)應(yīng)至少選擇兩個(gè)水位進(jìn)行荷載組合，避免錯(cuò)過最不利的荷載工況。一般宜選擇極端高水位和極端低水位作為計(jì)算水位。對于水面附近結(jié)構(gòu)形狀變化較大的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，或許需要比較更多的水位。三、靜力分析定義及范圍靜力分析包括操作工況分析和極端工況分析。操作工況是指平臺正常操作條件下可能承受的最不利的荷載組合，一般定義為平臺承受固定荷載和相應(yīng)于平臺正常操作的最大（或最?。┗詈奢d相組合的作業(yè)環(huán)境條件。作業(yè)環(huán)境條件應(yīng)代表平臺現(xiàn)場的適度的惡劣條件，它們不一定是在超過時(shí)要求平臺中止作業(yè)的限制條件。對于中國近海的固定平臺，一般取一年一遇

7、的環(huán)境條件作為操作環(huán)境條件。極端工況是指平臺在服役期內(nèi)有可能遭遇的最惡劣的環(huán)境條件時(shí)的最不利的荷載組合，一般定義為平臺承受固定荷載和相應(yīng)于與極端條件相組合的最大（或最?。┗詈奢d組合的設(shè)計(jì)環(huán)境條件。平臺在承受該設(shè)計(jì)環(huán)境條件時(shí)，平臺上的正常生產(chǎn)活動已中止，但平臺在該設(shè)計(jì)條件下應(yīng)具備滿足規(guī)范要求的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，以保證結(jié)構(gòu)的安全性和完整性。除了地震荷載外的環(huán)境荷載，應(yīng)以在所考慮的荷載條件期間同時(shí)出現(xiàn)的概率形式相結(jié)合，在適用的場合，地震荷載應(yīng)作為單獨(dú)的環(huán)境荷載條件作用在平臺上。鉆井和采油平臺的最大活荷載應(yīng)考慮鉆井、采油和修井狀態(tài)下的操作，以及任何適當(dāng)?shù)呐c采油作業(yè)相結(jié)合的鉆井和修井作業(yè)。荷載組合組合荷載

8、工況應(yīng)考慮所有可能的最不利的荷載組合，包括結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、設(shè)備操作重量、操作活荷載、操作環(huán)境荷載、極端環(huán)境荷載、冰荷載、地震荷載等。同時(shí)應(yīng)考慮可能的產(chǎn)生最大樁壓力和拔力的荷載工況組合。對于甲板上的運(yùn)動和移動設(shè)備，應(yīng)考慮不同作業(yè)位置與其他荷載的最不利組合。典型的荷載條件組合系數(shù)見表3-2-1。表3-2-1荷載組合及荷載條件組合系數(shù)表操作極端風(fēng)暴極端冰拔樁（極端風(fēng)暴）拔樁（極端冰）地震結(jié)構(gòu)自重1.01.01.01.01.01.0設(shè)備自重1.01.01.01.01.01.0儲罐等液體1.00.750.750.250.250.75活荷載1.00.750.750.250.250.75操作風(fēng)、波、流1

9、.0極端風(fēng)、波、流1.01.0冰條件冰、風(fēng)、流1.01.0注：1.此表僅表示荷載條件在參加組合時(shí)應(yīng)取的系數(shù)，并不表示真實(shí)的組合。具體參與組合的荷載工況應(yīng)按實(shí)際情況選取?；竟r中已經(jīng)考慮了各自的荷載系數(shù)。分析計(jì)算1）結(jié)構(gòu)構(gòu)件校核名義應(yīng)力校核依據(jù)APIRP2AWSD最新版，對于極端風(fēng)暴條件和極端冰條件，允許應(yīng)力可以增加1/3。導(dǎo)管架及其結(jié)構(gòu)附屬構(gòu)件的所有桿件的名義應(yīng)力校核應(yīng)滿足規(guī)范要求，即UC值應(yīng)小于1。2）節(jié)點(diǎn)沖剪校核沖剪應(yīng)力校核依據(jù)APIRP2AWSD最新版，對于極端風(fēng)暴條件和極端冰條件，允許應(yīng)力可以增加1/3。導(dǎo)管架及其結(jié)構(gòu)附屬構(gòu)件的所有桿件的沖剪應(yīng)力校核應(yīng)滿足規(guī)范要求，即UC值應(yīng)小于1。

10、3）位移每個(gè)導(dǎo)管架水平層最大位移應(yīng)包括在計(jì)算結(jié)果中，用以判斷節(jié)點(diǎn)位移是否異常。位移值還受到設(shè)備或作業(yè)要求的限制，一般情況下甲板梁的位移不能超過其長度的1/300。四、動力分析概述動力荷載是由對周期性激勵(lì)的響應(yīng)，或由對沖擊的反作用而作用在平臺上的荷載。對平臺的激勵(lì)可能是由波浪、風(fēng)、地震或機(jī)械引起的。當(dāng)設(shè)計(jì)海況在接近平臺的自振頻率的頻率范圍包含有顯著的波能時(shí)則需要對固定平臺進(jìn)行動力分析。APIRP2A中規(guī)定，當(dāng)結(jié)構(gòu)自振周期大于3s或水深大于120m時(shí)，需考慮外部荷載如波浪等的動力影響。波浪對固定平臺的動力分析建議采用帶有修正的峰能量的隨機(jī)線性波浪理論。TOC o 1-5 h z流相應(yīng)于設(shè)計(jì)海況的流

11、可能通過Morison方程式中的非線性拖曳力項(xiàng)影響動力荷載因此在動力分析中應(yīng)予以考慮。風(fēng)對于導(dǎo)管架式、塔式、重力式或最小型化平臺，由持續(xù)風(fēng)產(chǎn)生的總體荷載可以迭加到總體波浪和流荷載上。冰冰的振動由于受到結(jié)構(gòu)形式和剛度、冰的破壞模式、冰的運(yùn)動速度和厚度等多方面因素的影響，冰的動力響應(yīng)很復(fù)雜。所以應(yīng)對具體的導(dǎo)管架平臺進(jìn)行針對性的動力響應(yīng)分析，分析方法應(yīng)選擇世界公認(rèn)的或海洋石油總公司認(rèn)可的方法進(jìn)行。結(jié)構(gòu)模擬固定平臺的動力模型應(yīng)反映質(zhì)量、阻尼和剛度等主要的分析參數(shù)。質(zhì)量應(yīng)包括平臺鋼結(jié)構(gòu)、所有附屬構(gòu)件、隔水套管、甲板荷載、水下圓管構(gòu)件中包含水的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)上預(yù)計(jì)生長的海生物質(zhì)量和水下構(gòu)件的附連水質(zhì)量,同時(shí)還

12、要考慮由于海生物引起的構(gòu)件外徑的增加。等效粘性阻尼值可用來代替明確的阻尼分量確定值。如果缺少對特定結(jié)構(gòu)阻尼值的可靠資料,對極端波浪分析,可使用2%-3%的臨界阻尼值,對疲勞分析,可使用2%的臨界阻尼值。6.分析方法推薦采用時(shí)間歷程法進(jìn)行導(dǎo)管架的波浪動力分析。通過對平臺進(jìn)行動力分析，獲得平臺考慮結(jié)構(gòu)運(yùn)動的慣性力和波浪荷載的組合后構(gòu)件的內(nèi)力，并使用該內(nèi)力對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行規(guī)范校核。荷載組合和計(jì)算結(jié)果與第3章相同。五、地震分析概述結(jié)構(gòu)中的地震力是由地面運(yùn)動引起的,而這個(gè)力的大小取決于結(jié)構(gòu)物及基礎(chǔ)的剛度。與其它大多數(shù)環(huán)境力不同,地震力一般是隨結(jié)構(gòu)剛度變小而減少，而剛度變小是由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件或基礎(chǔ)構(gòu)件的非彈性屈

13、服或屈曲所引起的。對于強(qiáng)度水平的地面設(shè)計(jì)水平加速度小于0.05g的地區(qū)，可以不進(jìn)行地震分析，因?yàn)檫@類地區(qū)的平臺控制荷載往往不是地震，而是設(shè)計(jì)環(huán)境荷載。強(qiáng)度要求1）分析方法對于初步的設(shè)計(jì)和研究，平臺的選型可以使用響應(yīng)譜法或時(shí)間歷程法。應(yīng)用響應(yīng)譜方法時(shí)，平臺所處地區(qū)的譜值應(yīng)沿著結(jié)構(gòu)的兩個(gè)正交的水平主方向相等地施加，在豎直方向應(yīng)施加所在地區(qū)的/2譜值。所有三個(gè)譜值應(yīng)該同時(shí)施加,如果用時(shí)間歷程分析進(jìn)行設(shè)計(jì)，在每個(gè)正交方向的三個(gè)時(shí)間歷程分量可以是不同的。由于平臺對輸入運(yùn)動的響應(yīng)具有潛在的敏感性，設(shè)計(jì)時(shí)至少應(yīng)考慮三組時(shí)間歷程曲線。一個(gè)樁基系統(tǒng)的側(cè)向和軸向阻力通常是在沿樁長的不同位置處產(chǎn)生的。因此接近地表的

14、土的水平地面運(yùn)動譜或時(shí)間歷程與樁的側(cè)向運(yùn)動相關(guān),而可能與樁的軸向運(yùn)動有關(guān)的垂向地面運(yùn)動譜或時(shí)間歷程不同。由于動力響應(yīng)只能采用線性方法進(jìn)行分析，對于非線性的樁-土系統(tǒng)，可以采用等效樁或等效基礎(chǔ)剛度的方法轉(zhuǎn)換成線性基礎(chǔ)，用于結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)分析。在形成等效剛度基礎(chǔ)的時(shí)候，應(yīng)采用與地震力水平相當(dāng)?shù)暮奢d施加于結(jié)構(gòu)上，用靜力分析的方法形成基礎(chǔ)剛度矩陣。當(dāng)然對于前期研究過程中，如果還不能獲得現(xiàn)場土壤資料，可考慮使用6-8倍的樁徑的嵌固長度對結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步模擬計(jì)算。2）結(jié)構(gòu)模擬地震荷載應(yīng)和其它同時(shí)出現(xiàn)的荷載，例如重力、浮力和靜水壓力進(jìn)行組合。重力荷載應(yīng)包括平臺的固定重量（包括結(jié)構(gòu)、設(shè)備、附屬構(gòu)件），實(shí)際活荷載（

15、或最大活荷載的75%）和75%的最大供應(yīng)和貯備荷載，結(jié)構(gòu)和附屬構(gòu)件中的流體質(zhì)量以及附加質(zhì)量。附加質(zhì)量可按垂直于個(gè)別結(jié)構(gòu)框架和附屬構(gòu)件的縱軸線運(yùn)動的排水質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算。對于沿著結(jié)構(gòu)框架構(gòu)件和附屬構(gòu)件的縱軸線的運(yùn)動，附加質(zhì)量可以忽略。分析模型應(yīng)包括平臺剛度和質(zhì)量在三個(gè)方向上的分布。應(yīng)考慮平臺剛度或質(zhì)量的不對稱分布可能會引起顯著的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)。在計(jì)算有支撐的樁基鋼結(jié)構(gòu)的動力特性時(shí)，對于彈性分析，應(yīng)使用單一的5%的臨界振型阻尼比。在有確定可靠的資料時(shí)也可使用其它的阻尼比。3）響應(yīng)分析目的在于設(shè)計(jì)響應(yīng)對使用的任何分析方法都應(yīng)是可比較的。在使用響應(yīng)譜方法和一個(gè)設(shè)計(jì)譜被相等地作用在兩個(gè)水平方向時(shí)，對于振型響應(yīng)組合

16、，可以使用完全二次組合（CQC）方法，對于方向響應(yīng)組合，可以使用平方和的平方根（SRSS）方法。在使用時(shí)間歷程方法時(shí),應(yīng)按照所考慮的每一個(gè)時(shí)間歷程中的最大值的平均值來計(jì)算設(shè)計(jì)響應(yīng)。為了要求得到結(jié)構(gòu)響應(yīng)的適當(dāng)代表值,并不需要把所有振型都包括在內(nèi),例如被選取的振型可按振型參數(shù),例如質(zhì)量參與系數(shù),或按主要響應(yīng)參數(shù),例如基底剪力和能量所確定。如果局部桿件效應(yīng)重要時(shí),可以要求附加振型。重量參與系數(shù)在水平方向一般應(yīng)大于90%。4）響應(yīng)評價(jià)、構(gòu)件應(yīng)力在桿件應(yīng)力的計(jì)算中，地震產(chǎn)生的荷載所引起的應(yīng)力應(yīng)與重力、靜力壓力和浮力所引起的應(yīng)力相組合。對于強(qiáng)度要求，AISC的基本容許應(yīng)力可被增加70%。韌性要求韌性要求的

17、目的是為了保證位于地震活動區(qū)域的平臺有足夠的貯備能力當(dāng)平臺經(jīng)受罕見強(qiáng)烈地震作用時(shí)，個(gè)別結(jié)構(gòu)構(gòu)件可能損壞，但要求平臺的結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)系統(tǒng)仍保持穩(wěn)定。這個(gè)要求可能通過使結(jié)構(gòu)具有足夠的冗余量讓結(jié)構(gòu)在破壞前，荷載能重新分布和產(chǎn)生非彈性變形,和通過盡可能減少結(jié)構(gòu)在垂直方向上剛度的突然變化的方法來達(dá)到。如果結(jié)構(gòu)位于罕見的強(qiáng)烈地震地面運(yùn)動與強(qiáng)度水平地震地面運(yùn)動的強(qiáng)度比等于2或小于2的區(qū)域內(nèi),樁被確認(rèn)是位于由罕見強(qiáng)烈地震引起的地面運(yùn)動下仍為穩(wěn)定的土壤中,而且在確定結(jié)構(gòu)的形狀和選擇相應(yīng)的桿件時(shí)能夠遵循下列的條件,則對具有四個(gè)腿,或更多個(gè)腿的常規(guī)的導(dǎo)管架式結(jié)構(gòu),如滿足下列要求，可不進(jìn)行韌性分析。一對包括內(nèi)含的任何樁的

18、導(dǎo)管架腿,應(yīng)使用兩倍的強(qiáng)度水平地震荷載進(jìn)行設(shè)計(jì),并滿足強(qiáng)度要求。一在垂直框架內(nèi)的斜向撐桿應(yīng)這樣確定其結(jié)構(gòu)形式即在水平框架間或腿之間的垂直走向內(nèi)的剪力對于拉和壓兩個(gè)斜向撐桿基本上相等分配，并在受壓撐桿失穩(wěn)、節(jié)間傳遞剪力的能力喪失時(shí)不能使用“K”形撐桿。在這些條件不能滿足時(shí),對于包括導(dǎo)管架和甲板之間的“門”形框架內(nèi)的結(jié)構(gòu)部件應(yīng)使用兩倍的強(qiáng)度水平地震荷載進(jìn)行設(shè)計(jì),并滿足強(qiáng)度要求。一應(yīng)在垂直框架內(nèi)的水平框架平面上所有各鄰?fù)戎g設(shè)置水平桿件并且這些桿件應(yīng)有足夠的抗壓能力，以便能夠重新分配因鄰近斜向撐桿屈曲引起的荷載。一管狀構(gòu)件的韌性和經(jīng)受周期性荷載時(shí)性能降低的特性與D/t和長細(xì)比關(guān)系密切。在垂直框架內(nèi)的

19、主要斜向撐桿的長細(xì)比Kl/r）應(yīng)限于80,并且它們的徑厚比在Fy的單位為ksi時(shí)應(yīng)限于1900/Fy（在Fy的單位為MPa時(shí),應(yīng)限于13100/Fy）。在垂直框架內(nèi)的連接處的所有非管狀構(gòu)件應(yīng)被設(shè)計(jì)為AISC規(guī)范中的堅(jiān)實(shí)斷面,或者使用兩倍的強(qiáng)度水平地震荷載，按照強(qiáng)度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。應(yīng)對不滿足上述所列條件的結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行分析,以證明它們具備抵抗罕見強(qiáng)地震而不倒塌的能力。分析方法應(yīng)能精確合理的反映系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和土壤部分對強(qiáng)烈的地面振動的預(yù)計(jì)響應(yīng)。結(jié)構(gòu)和土壤單元模型應(yīng)包括在極端荷載的反向作用和軸向力與彎矩的相互作用,以及適用時(shí)靜水壓力和局部慣性力相互作用下強(qiáng)度和剛度的降低特性。應(yīng)考慮由于結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)彈性

20、的非彈性變形而產(chǎn)生的P-delta效應(yīng)。基礎(chǔ)的模擬應(yīng)該考慮周期性荷載的反復(fù)性，應(yīng)變率和孔隙水壓力產(chǎn)生對樁周圍土壤的強(qiáng)度和剛度以及能量擴(kuò)散過程的影響。管節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)尺寸是按連接桿件的屈服和屈曲能力來確定的。這樣就能防止節(jié)點(diǎn)早期破壞并能充分保證整個(gè)結(jié)構(gòu)的韌性。在確定導(dǎo)管架腿樁的節(jié)點(diǎn)加厚段部分的尺寸時(shí)是根據(jù)主要斜撐桿的完全屈服和主水平桿件的屈曲荷載。這些水平構(gòu)件在作彈性分析時(shí)，在典型的情況下只承受少量荷載，但當(dāng)主要斜撐桿屈曲之后，都要承受相當(dāng)大的壓應(yīng)力，以防止整個(gè)結(jié)構(gòu)拉散開。為避免節(jié)點(diǎn)加厚段部分的厚度過厚,可以在主構(gòu)件上加做一節(jié)錐形短節(jié),或考慮桿件搭接和樁灌漿連結(jié)的有利效應(yīng)。分析方法首先進(jìn)行平臺的動力分

21、析，獲取平臺的動力特性，為了簡化計(jì)算，可以將結(jié)構(gòu)質(zhì)量凝結(jié)到結(jié)構(gòu)的主要節(jié)點(diǎn)上。通過檢查質(zhì)量的參與程度，確定進(jìn)行地震譜分析的振型數(shù)。分別計(jì)算不同振型對地震震動的響應(yīng)并組合，得到不同桿件在地震動力作用下的應(yīng)力。該應(yīng)力的正負(fù)值分別與只考慮重量影響的構(gòu)件靜應(yīng)力疊加，用于計(jì)算構(gòu)件的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)。六、疲勞分析概述導(dǎo)管架的疲勞分析一般可分為譜疲勞分析和確定性疲勞分析，通過疲勞分析驗(yàn)證管節(jié)點(diǎn)和支桿端部的疲勞壽命是否滿足平臺的使用要求。對于譜疲勞分析，一般應(yīng)先確定應(yīng)力的傳遞函數(shù)。其方法是使用波陡相同的特征波浪，計(jì)算結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)不同部位（一般取8點(diǎn)）的應(yīng)力幅值與波高之比與波浪周期的對應(yīng)關(guān)系。然后使用平臺場址波浪的統(tǒng)計(jì)

22、值，采用波浪譜的方法進(jìn)行疲勞分析。確定性分析是采用實(shí)際的波浪計(jì)算結(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力幅值，并根據(jù)其響應(yīng)的波浪出現(xiàn)次數(shù)與選擇的S-N曲線的許可重復(fù)次數(shù)比較，計(jì)算損傷該波浪的疲勞損傷，然后對不同波浪條件的損傷進(jìn)行累加計(jì)算節(jié)點(diǎn)的總的損傷程度。定義用于疲勞中的某些術(shù)語有著特定的含義。這樣的術(shù)語定義如下：1）熱點(diǎn)應(yīng)力熱點(diǎn)應(yīng)力是在直接鄰近結(jié)構(gòu)不連續(xù)點(diǎn)處的應(yīng)力。2）平均跨零周期平均跨零周期是以正的斜度（上跨）在時(shí)間歷程中連續(xù)跨過零軸的平均時(shí)間。3）名義應(yīng)力名義應(yīng)力是由桿端的構(gòu)件截面性質(zhì)和合力及力矩確定的應(yīng)力。截面性質(zhì)必須考慮加厚端和擴(kuò)口厚壁端的存在。4）隨機(jī)波浪隨機(jī)波浪表示海洋環(huán)境的不規(guī)則海面高程和相應(yīng)的水質(zhì)點(diǎn)

23、運(yùn)動。隨機(jī)波浪可以用不同波高，周期，相位和方向的正弦波的合成解析方法表示。5）規(guī)則波浪規(guī)則波浪是具有循環(huán)水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動和海面高程的無方向性波浪。6）S-N曲線S-N曲線表示應(yīng)力幅值和破壞循環(huán)數(shù)之間的試驗(yàn)確定的關(guān)系。7）海況對于一段規(guī)定的時(shí)間，可以特征化為平穩(wěn)隨機(jī)過程的海洋波浪條件。8）有效波高有效波高是一個(gè)海況中存在的所有單個(gè)波浪中最大三分之一波高的平均值。9）穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)指的是在由假設(shè)的初始條件引起的瞬態(tài)效應(yīng)由于阻尼變得不顯著時(shí)，結(jié)構(gòu)對波浪的響應(yīng)。10）應(yīng)力集中系數(shù)對于特定應(yīng)力分量和管連接位置的應(yīng)力集中系數(shù)是熱點(diǎn)應(yīng)力對包含熱點(diǎn)的截面處的名義應(yīng)力的比。11）傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)定義為作為頻率函數(shù)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

24、值的幅值對波高的比。分析方法在管狀連接的設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮與局部循環(huán)應(yīng)力有關(guān)的疲勞問題。對導(dǎo)管架型結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行詳細(xì)的疲勞分析，建議采用譜分析方法。如果證明對力及桿件響應(yīng)具有足夠的代表性，也可使用其它合理的方法。必要時(shí)，要作如下的累積疲勞損傷詳細(xì)分析。1）波浪條件應(yīng)是長期內(nèi)預(yù)期出現(xiàn)的全部海況的集合。為了結(jié)構(gòu)分析的目的，這種集合可以集中為波浪能量譜和具有出現(xiàn)概率的物理參數(shù)來表達(dá)的代表性海況。2）應(yīng)進(jìn)行空間框架分析，以獲得給定波浪力作用下結(jié)構(gòu)桿件的名義應(yīng)力響應(yīng)。一般采用Morison公式計(jì)算波浪力。然而，由于流可以忽略，因此不必考慮波浪的表觀周期和流的阻擋。另外，疲勞分析的波浪運(yùn)動系數(shù)和隔水套管的遮蔽系

25、數(shù)應(yīng)取.0。對小波浪，粗糙桿件取Cm=2.0,Cd=0.8,光滑桿件取Cd=0.5。應(yīng)采用譜分析方法來確定每一海況的應(yīng)力響應(yīng)。對于在平臺自振周期附近具有顯著能量的海況，應(yīng)考慮動力影響。3）發(fā)生在管連接處的局部應(yīng)力應(yīng)由直接鄰近節(jié)點(diǎn)連接處考慮了適當(dāng)應(yīng)力集中系數(shù)的熱點(diǎn)應(yīng)力來表示。發(fā)生在焊趾處的微區(qū)影響要用選擇適當(dāng)?shù)腟-N曲線來反映。4）對所研究的每一構(gòu)件相貫線周圍的每一部位,都應(yīng)計(jì)算出對各種海況的應(yīng)力響應(yīng),應(yīng)充分考慮總體和局部的應(yīng)力影響。這些應(yīng)力響應(yīng)要組合成為長期的應(yīng)力分布，從而計(jì)算累積疲勞損傷比D,D=X（6-3-1）/（Nn式中：n給定應(yīng)力幅值的循環(huán)次數(shù)；N適當(dāng)?shù)腟-N曲線上，給定應(yīng)力幅值的允許

26、循環(huán)次數(shù)。換句話說,計(jì)算每個(gè)海況下的損傷比,然后加以組合而得到累積的損傷比。5）每個(gè)節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的設(shè)計(jì)疲勞壽命應(yīng)至少是結(jié)構(gòu)使用壽命的兩倍（即安全系數(shù)=2.0）。對設(shè)計(jì)疲勞壽命，損傷比D不應(yīng)超過1.0。對于深水導(dǎo)管架,每個(gè)節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的設(shè)計(jì)疲勞壽命應(yīng)是結(jié)構(gòu)使用壽命的四倍。對那些一旦失效將導(dǎo)致災(zāi)難性后果的關(guān)鍵構(gòu)件,應(yīng)該考慮應(yīng)用較大的安全系數(shù)。當(dāng)由于其它循環(huán)荷載作用可能發(fā)生疲勞損傷時(shí)，例如運(yùn)輸過程中，應(yīng)該滿足如下公式：X1.0（6-3-2）iiiDSF式中：Di是每種荷載類型下的疲勞損傷比,SFi為相應(yīng)的安全系數(shù)。對于運(yùn)輸過程,是用長期的波浪分布來預(yù)報(bào)短期的損傷,應(yīng)考慮采用一個(gè)較大的安全系數(shù)。6）選擇相

27、應(yīng)于每個(gè)頻率的波高可使用與波候相適應(yīng)的不變的波陡。一般使用1:15至1:25之間的波陡。應(yīng)使用0.3m（1ft）的最小波高和等設(shè)計(jì)波高的最大波高。7）在疲勞損傷累積的每一點(diǎn)上,根據(jù)最少四個(gè)平臺方向（正向,側(cè)向,兩個(gè)斜度）計(jì)算應(yīng)力幅值傳遞函數(shù)。對于形狀特殊的導(dǎo)管架,或在波浪的方向性或散射或流被考慮時(shí),可能要求考慮更多的方向。在每個(gè)頻率,傳遞函數(shù)的一個(gè)點(diǎn)是將一個(gè)合適波高的Airy波通過結(jié)構(gòu)并用波高除響應(yīng)應(yīng)力幅值而得到。分析方法必須刪除在到達(dá)穩(wěn)態(tài)條件時(shí)的瞬時(shí)效應(yīng)。應(yīng)選擇足夠數(shù)量的計(jì)算桿件應(yīng)力的波浪循環(huán)時(shí)間點(diǎn),以確定撐桿最大熱點(diǎn)應(yīng)力幅值。應(yīng)考慮連接的撐桿和弦桿每一側(cè)最少4個(gè)熱點(diǎn)位置。管連接的S-N曲線

28、對于承受環(huán)境荷載或操作引起的交變應(yīng)力的管連接，可采用圖3-4-1給出的S-N曲線，或采用其他公認(rèn)的S-N曲線，如DnV推薦的曲線。對飛濺區(qū)、自由腐蝕、或者超腐蝕的情況，不應(yīng)考慮疲勞極限。一般應(yīng)避免飛濺區(qū)內(nèi)的連接。對在大氣中使用的承受規(guī)則的循環(huán)荷載的管的連接，X和X曲線的疲勞極限分別為107和2x107。圖6-4-1疲勞S-N曲線對沒有外形控制，但其外形符合基本標(biāo)準(zhǔn)的平滑剖面（ANSI/AWSD1.1-92，圖10.12）和支桿厚度小于16mm（0.625in）的焊接，可采用X曲線。對更大壁厚的同樣平滑的剖面，應(yīng)考慮尺度效應(yīng)修正（公式5-5-1）。尺度效應(yīng)修正：許用應(yīng)R=SO25.06-4-1)

29、禪許的關(guān)戟循環(huán)故N二W迪舉5二改雋卞輕注匕這些曲線可以數(shù)學(xué)地衣m為：N=210*閒線MI0&的應(yīng)力幅值雙對數(shù)斜率的倒數(shù)200X1護(hù)的披勞根繼l5kwi(lOOMPa)4.3斤07ksi(35MPh)1.4ksi(7S)MPa)3.74（2鬪血）式中:弋為采用地獅壞應(yīng)和卜Mi.聽列罰利m時(shí)的容忤循壞次.式中：SO由S-N曲線得出的許用應(yīng)力；t支桿厚度；tO支桿的限制厚度。X曲線適用于具有剖面控制的焊接和支桿厚度小于25mm（1in）的焊縫。同樣情況下，當(dāng)壁厚更大時(shí)，應(yīng)進(jìn)行尺度效應(yīng)修正（公式6-4-1），但是，不需要修正下面的X，曲線。對支桿壁厚大于25mm（1in）的焊縫，當(dāng)其外表打磨光順后的半

30、徑大于或等于支桿壁厚的一半時(shí)則可采用（曲線，而不考慮尺度效應(yīng)。最后的研磨標(biāo)志應(yīng)該與焊縫軸線垂直，并且整個(gè)完工的焊縫應(yīng)該通過磁粉檢驗(yàn)。應(yīng)力集中系數(shù)可以使用有限元薄殼分析，以得到與APIX（或X）曲線相一致的熱點(diǎn)應(yīng)變，只要網(wǎng)格細(xì)到足以顯示出陡的應(yīng)力梯度，以及相應(yīng)于實(shí)際焊趾位置，而不是使用相交界面的中點(diǎn)的結(jié)果。等軸厚殼元和固體元可被用來更直接地模擬焊接區(qū)。概述一些經(jīng)驗(yàn)公式可被用來估算熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)，例如以下公式：根據(jù)大量的薄殼有限元分析推導(dǎo)出Kuang公式。在用它推算X曲線數(shù)據(jù)庫中的疲勞試驗(yàn)后報(bào)熱點(diǎn)應(yīng)變時(shí)，其結(jié)果比根據(jù)測量應(yīng)變得出的關(guān)系要偏于保守。應(yīng)注意，撐桿側(cè)的應(yīng)力集中系數(shù)已用5/8的折減系數(shù)修

31、正，這個(gè)系數(shù)僅適用于應(yīng)力的放大部分。根據(jù)Kellogg公司的應(yīng)力集中系數(shù)。這組應(yīng)力集中系數(shù)公式被規(guī)定用于灌漿的節(jié)點(diǎn)。但是，由于最近的資料指出灌漿僅在加載和弦桿成橢圓形狀的節(jié)點(diǎn)幾何形狀下影響應(yīng)力集中系數(shù)，所以應(yīng)謹(jǐn)慎使用這些公式。由倫敦勞氏船級社發(fā)展的應(yīng)力集中系數(shù)公式，是由聚丙烯模型測得的應(yīng)變推導(dǎo)的。這些是根據(jù)實(shí)際合理的范圍，而不是統(tǒng)計(jì)相關(guān)技術(shù)。由Gibstein,Buitrago和Tebbett進(jìn)行的其他更新的工作。在使用標(biāo)定范圍以外的參數(shù)方程時(shí)，要給予特別的注意。累積疲勞損傷應(yīng)在每個(gè)管連接的周圍最小四個(gè)點(diǎn)以上予以評價(jià)。在鞍點(diǎn)，是組合軸向和平面外彎曲熱應(yīng)力，而在冠點(diǎn)，是組合軸向和平面內(nèi)彎曲熱點(diǎn)應(yīng)

32、力，如圖5.1.1所示。在組合荷載下，最大熱點(diǎn)應(yīng)力可能發(fā)生的鞍點(diǎn)和冠點(diǎn)以外的圓周位置上。在3點(diǎn)或更多的點(diǎn)外評價(jià)損傷時(shí),應(yīng)使用模型試驗(yàn),有限元分析或參數(shù)研究考慮應(yīng)力分布。在得不到這種資料時(shí),可以使用簡化的應(yīng)力分布公式。從嚴(yán)格的意義講，本節(jié)列出的所有應(yīng)力集中系數(shù)公式僅應(yīng)用于簡單的二維節(jié)點(diǎn)。平面外撐桿的荷載對應(yīng)力集中系數(shù)的影響應(yīng)予以考慮。已建議了包含節(jié)點(diǎn)處所有有關(guān)的撐桿的荷載相互作用應(yīng)力集中系數(shù)公式的使用。支桿冠點(diǎn)焊趾冠點(diǎn)焊根鞍點(diǎn)弦桿圖5.1.1管節(jié)點(diǎn)的幾何定義簡單管節(jié)點(diǎn)簡單管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)可以簡單的使用節(jié)點(diǎn)分類法。節(jié)點(diǎn)的分類就是把給定支桿的軸向力對應(yīng)于應(yīng)力集中公式中三種節(jié)點(diǎn)形式，分解成K、X和

33、丫三個(gè)分作用力的過程。這樣劃分一般考慮了節(jié)點(diǎn)處同一平面內(nèi)的所有構(gòu)件。在本規(guī)定中，把互相相差15的支桿平面都認(rèn)為是一個(gè)共用平面。該平面內(nèi)每一支桿都能隨作用條件變化而確定的唯一分類。該分類可以是以上三種節(jié)點(diǎn)類型的組合。對于按照K型節(jié)點(diǎn)對待的支桿，其軸向力應(yīng)該平衡到同一平面內(nèi)且在該節(jié)點(diǎn)同側(cè)的其它支桿軸向力的0%以內(nèi)。對于丫型節(jié)點(diǎn)，其支桿內(nèi)的軸向力被弦桿內(nèi)的剪力總量所平衡。對于X型節(jié)點(diǎn)，其支桿內(nèi)的軸向力通過弦桿傳遞到另一側(cè)的支桿上。簡單管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)可以采用不同的計(jì)算方法獲得，女API,AWS,DNV和KUANG等方法都是世界公認(rèn)的方法，應(yīng)根據(jù)具體的節(jié)點(diǎn)形式選擇合適的計(jì)算理論。灌漿管節(jié)點(diǎn)灌漿節(jié)點(diǎn)

34、是指弦桿內(nèi)完全充填水泥漿（單層灌漿節(jié)點(diǎn)）或者弦桿與內(nèi)部構(gòu)件之間的環(huán)形空間內(nèi)充填水泥漿（雙層灌漿節(jié)點(diǎn)）。灌漿節(jié)點(diǎn)的SCF取決于加載歷程。如果弦桿及混凝土之間的結(jié)合力沒有喪失，SCF就小。在進(jìn)行灌漿節(jié)點(diǎn)的模型試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)把它們之間的結(jié)合力在測量SCF前消除。由于灌漿的影響，拉力及壓力作用下的SCF可能會不同。為了得到偏于安全的疲勞設(shè)計(jì)，建議使用從結(jié)合力已被消除掉，節(jié)點(diǎn)承受拉力的試驗(yàn)中得出的SCF。加大拉力就可以把這種結(jié)合力破壞掉,該拉力的大小可由試驗(yàn)得出的力和位移的關(guān)系而求得（把荷載增到出現(xiàn)非線性）。應(yīng)該把灌漿節(jié)點(diǎn)按簡單節(jié)點(diǎn)來處理，只是支桿和弦桿的鞍點(diǎn)SCF計(jì)算中Y所取的弦桿厚度必須用下面公式中給出

35、的等效弦桿壁厚來代替：()144/1345TDTe+=(2.8.2)式中：D和T分別為弦桿直徑及壁厚。灌漿對B比高或Y比低的節(jié)點(diǎn)幾乎沒有影響。如果沒有其它證明，對于309或者Y12.0的節(jié)點(diǎn)應(yīng)忽略灌漿帶來的作用。5.4管狀對接焊縫節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)由于外側(cè)的S-N曲線沒有內(nèi)側(cè)的S-N曲線危險(xiǎn)，因此特別建議在設(shè)計(jì)管狀對接焊接連接時(shí)把厚度過渡段放在外側(cè)(見圖5.4.1)o對于這種幾何形狀，厚度過渡段的SCF適用于外側(cè)。內(nèi)側(cè)可保守的選用SCF=1.0。制作厚度過渡段時(shí)一般采用1:4的坡度。管狀對接焊接連接處的應(yīng)力集中是由于不同原因造成的偏心而引起的。這些偏心可分為：同心度(管件直徑的差異)、連接管件

36、的厚度差異、不圓度以及中心偏心等，把不同原因產(chǎn)生的偏心距直接相加，就可以保守的計(jì)算出總偏心距。一般情況下不圓度所產(chǎn)生的偏心距對于總偏心6的影響最大。用板件的偏心距公式計(jì)算管狀對接焊接處的SCF是保守的。如果T/t2,那么使用如下公式就可以把直徑厚度關(guān)系的影響包括在內(nèi)：a666?+?+=etTtSCFmt5.20)/(11)(61(5.3.1)式中：5.2)/(1182.1tTDtL+?=!；60S-N數(shù)據(jù)固有的軸偏量，60=0.1t。外側(cè)anorminal中軸線內(nèi)側(cè)圖5.4.1管狀對接焊縫的厚度過渡段首選放在外側(cè)5.5非簡單管節(jié)點(diǎn)對于非簡單管節(jié)點(diǎn)，荷載的傳遞是由搭接或節(jié)點(diǎn)板、加強(qiáng)環(huán)等形式來完成

37、的，在支桿中應(yīng)該用一個(gè)最小為.0的應(yīng)力集中系數(shù)，以代替附加的分析。對于不能提供足夠的桿件連接靜承載能力的弦桿或節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)，也要單獨(dú)對這些單元進(jìn)行校核。分析模型疲勞分析用的空間框架模型應(yīng)包括剛度、質(zhì)量、能量耗散、海生物和平臺結(jié)構(gòu)部件和基礎(chǔ)的加載性質(zhì)的所有重要特征。分析模型主要包括梁單元。疲勞分析用的計(jì)算的桿端應(yīng)力的充分性要根據(jù)使用的模擬技術(shù)而定。強(qiáng)度分析用的模擬可能需要修正，例如，增加或修正疲勞敏感的構(gòu)件。平臺剛度和質(zhì)量分析的不對稱可能引起顯著的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)，應(yīng)予以考慮。剛度模型應(yīng)包括平臺剛度的三維分布。對于典型的導(dǎo)管架桿件，撐桿名義應(yīng)力應(yīng)在撐桿和弦桿中心線交點(diǎn)處計(jì)算。對于大直徑弦桿和短撐桿，應(yīng)考慮局

38、部剛度。對于飛濺區(qū)的桿件，疲勞分析時(shí)可保留50%的腐蝕余量附加到桿件的凈壁厚上。附屬構(gòu)件，例如：下水滑橇、防沉板、J型管、立管、裙樁導(dǎo)向結(jié)構(gòu)等對結(jié)構(gòu)整個(gè)總體剛度有顯著影響時(shí)，則在模型應(yīng)予以考慮。隔水套管和水平框架的剛度也應(yīng)包括。另外對于直接在設(shè)計(jì)波谷高程以下的水平層，應(yīng)包括足夠的細(xì)節(jié)以能進(jìn)行個(gè)別框架部件的疲勞分析。如果在基礎(chǔ)中考慮隔水導(dǎo)管套管，則對泥面水平層同樣還需另外的有限元類型(即殼、板、塊體元等)。應(yīng)足夠詳細(xì)地考慮甲板剛度，以充分表示甲板一導(dǎo)管架的相互關(guān)系?？梢允褂镁€性基礎(chǔ)表示，只要?jiǎng)偠认禂?shù)反映對疲勞損傷有顯著影響的海況的循環(huán)響應(yīng)。質(zhì)量質(zhì)量模型應(yīng)包括結(jié)構(gòu)鋼、設(shè)備、隔水套管、附屬結(jié)構(gòu)、水泥

39、漿、海生物、封閉水和附加質(zhì)量。為得到結(jié)構(gòu)總體響應(yīng)，集中質(zhì)量模型應(yīng)是足夠的。但是，這個(gè)方法可能不會充分地預(yù)報(bào)局部動力響應(yīng)。在需要時(shí)，局部響應(yīng)予以檢查。包括在模型中的設(shè)備質(zhì)量應(yīng)考慮在平臺上任何給定的操作期間由結(jié)構(gòu)支撐的所有設(shè)備。如果設(shè)備質(zhì)量被預(yù)計(jì)在平臺壽命期間對不同的操作是顯著變化的，則合理的作法是分別進(jìn)行分析，然后合成疲勞損傷。對于垂直于單個(gè)結(jié)構(gòu)框架和附屬結(jié)構(gòu)的縱軸運(yùn)動，可按排開水的質(zhì)量計(jì)算附加質(zhì)量。能量耗散阻尼系數(shù)的選擇可能有極深的影響，根據(jù)在低海況的測量，建議2和更低的臨界值。由于在阻力的計(jì)算中包含結(jié)構(gòu)速度，這就是增加了系統(tǒng)總阻尼。對于非柔性結(jié)構(gòu)，在測量中沒有觀測到阻尼的這種增加，因此不應(yīng)被考慮。對于柔性結(jié)構(gòu)，例如牽索，除了2的結(jié)構(gòu)(包括基礎(chǔ))阻尼外，還