抗冰海洋平台的全寿命优化设计II-算法与应用

针对抗冰海洋平台全寿命优化设计模型中的不同类型可靠度分析问题,提出了相应的计算方法,包括冰区导管架平台整体抗力和极值冰力响应的概率统计特性及整体可靠度的高效近似算法,基于首次超越破坏机制的海洋平台冰振动力可靠性分析,基于等效应力幅值近似计算的疲劳寿命分析等.最后.以渤海某抗冰平台为例,实现了全寿命总费用最小的抗冰海洋平台优化设计.结果表明,基于风险的全寿命优化模型比基于规范的静力设计和仅考虑动力的最优设计相比更加合理.     

抗冰海洋平台的全寿命优化设计Ⅱ—算法与应用

针对抗冰海洋平台全寿命优化设计模型中的不同类型可靠度分析问题,提出了相应的计算方法,包括冰区导管架平台整体抗力和极值冰力响应的概率统计特性及整体可靠度的高效近似算法,基于首次超越破坏机制的海洋平台冰振动力可靠性分析,基于等效应力幅值近似计算的疲劳寿命分析等。最后,以渤海某抗冰平台为例,实现了全寿命总费用最小的抗冰海洋平台优化设计。结果表明,基于风险的全寿命优化模型比基于规范的静力设计和仅考虑动力的最优设计相比更加合理。     

冰激自升式钻井平台的动力响应分析

由于冰荷载研究的限制,冰区自升式钻井平台尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。为了合理地开展自升式平台结构的抗冰概念设计与安全评价研究,冰荷载下自升式钻井平台的动力响应分析是十分必要的。该文首先分析该类柔性结构在动冰荷载下的动力特性;其次,结合开展的自升式平台冰荷载模型实验研究,明确带齿条桩腿的自升式平台冰荷载作用形式;最后,对渤海某自升式钻井平台在典型冰况下进行冰振动力响应分析。文中的研究对冰区自升式钻井平台抗冰设计及冰振安全评估提供了合理的参考。     

锥体海洋平台结构冰荷载的离散单元分析

在冰区油气开发中,锥体结构可以有效降低冰力,避免强烈的冰激振动,是目前渤海油气平台的主要结构形式。为研究海冰与锥体结构的相互作用过程,文章建立了适用于模拟海冰破碎特性的离散单元模型。该模型将海冰离散为若干个具有粘接-破碎功能的颗粒单元,并通过海冰弯曲试验确定了单元间的粘接强度;然后对海冰与锥体结构的作用过程进行了数值计算,获得了相应的动冰荷载及冰振响应;在此基础上讨论了不同锥角影响下冰荷载及结构振动响应的变化规律。结果表明,水平方向冰荷载及结构冰振响应随锥角的增加明显增加,而竖直方向冰荷载则显著降低。该离散单元模型还可进一步应用于不同类型抗冰结构的冰荷载分析,有助于解决冰区结构物的抗冰结构设计和冰致疲劳分析。     

基础设计中的可靠度评估

阐述基于可靠度理论的基础设计的评估。首先总结具有结构抗力和荷载效应2个基础变量的结构可靠度基本理论。结构抗力的不确定性可以由统计学上的平均值和变异系数（cov或）Ω来描述。变异系数指变量的标准差和平均值的比值。敏感度分析的结果显示结构抗力的变异系数（ΩR）在其应用范围之内时,在分析结构可靠度方面扮演着相当重要的角色。基于这些阐述,在预先指定的风险水平（pf）上ΩR一定有其上限。当结构抗力呈正态分布的时候,这个极限ΩR独立于荷载效应随机性,和安全指数β成反比。安全指数可以定义为在标准正态分布区间极限状态到原点之间的最小距离。在这个极限ΩR之下,结构可以在预定风险水平之下安全工作。中心安全系数（FS）可以由结构抗力和荷载效应的变异系数根据平方关系求得。然而,一些情况下结构抗力为非正态分布的情况并不少见。因此,等效正态分布的概念可以用来得到非正态分布结构抗力的ΩR极限。地质方面的随机变量可能是正态分布,也可能是非正态分布,结构抗力中基本变量之间的关系可能是线性也可能是非线性,或者非常复杂以致于结构抗力只能通过有限元分析才能得到。在此情况下,随机数可以通过蒙特卡洛模拟技术获得。拟合的结构抗力的分布可以在随机试验的基础上通过配合度检验确定。现实中,土壤的力学特性不是各向同性的,同样也不能认为是单一材料的,它们的不确定性是不可以被忽略的。简便的设计方式认为不确定参数是常数,并且通过使用定值的安全系数来确定结构截面,设计原则没有将土壤参数对安全系数的影响考虑进去。参考计算出来的失效概率表明,确定值的安全系数法无法保证足够的安全。因此,在某种情况下,安全系数大于等于3,对于结构容许承受能力,并不能认为太保守。     

基础设计中的可靠度评估

阐述基于可靠度理论的基础设计的评估.首先总结具有结构抗力和荷载效应2个基础变量的结构可靠度基本理论.结构抗力的不确定性可以由统计学上的平均值和变异系数(cou或Ω)来描述.变异系数指变量的标准差和平均值的比值.敏感度分析的结果显示结构抗力的变异系数(ΩR)在其应用范围之内时,在分析结构可靠度方面扮演着相当重要的角色.基于这些阐述,在预先指定的风险水平(pf)上ΩR一定有其上限.当结构抗力呈正态分布的时候,这个极限ΩR独立于荷载效应随机性.和安全指数β成反比.安全指数可以定义为在标准正态分布区间极限状态到原点之间的最小距离.在这个极限ΩR之下,结构可以在预定风险水平之下安全工作.中心安全系数(Fs)可以由结构抗力和荷载效应的变异系数根据平方关系求得.然而,一些情况下结构抗力为非正态分布的情况并不少见.因此,等效正态分布的概念可以用来得到非正态分布结构抗力的ΩR极限.地质方面的随机变量可能是正态分布,也可能是非正态分布,结构抗力中基本变量之间的关系可能是线性也可能是非线性,或者非常复杂以致于结构抗力只能通过有限元分析才能得到.在此情况下,随机数可以通过蒙特卡洛模拟技术获得.拟合的结构抗力的分布可以在随机试验的基础上通过配合度检验确定.现实中,土壤的力学特性不是各向同性的,同样也不能认为是单一材料的,它们的不确定性是不可以被忽略的.简便的设计方式认为不确定参数是常数,并且通过使用定值的安全系数来确定结构截面,设计原则没有将土壤参数对安全系数的影响考虑进去.参考计算出来的失效概率表明,确定值的安全系数法无法保证足够的安全.因此,在某种情况下,安全系数大于等于3,对于结构容许承受能力,并不能认为太保守.     

堆货荷载下高桩码头结构整体安全度分析

以大型通用有限元软件ANSYS为平台,建立了高桩码头结构整体极限承载力分析的非线性有限元数值模型。将蒙特卡洛方法与有限元数值模型相结合,求取出堆载下高桩码头结构整体极限承载力的概率分布及其统计参数。以结构整体极限承载力(结构抗力)和作用荷载(作用效应)为随机变量,构建反映高桩码头结构整体安全度的功能函数,采用JC法计算结构的安全指标,建立了高桩码头结构整体安全度分析的有效方法。研究了堆货荷载下高桩码头结构损伤与尺寸型式改变对极限承载力样本概率分布与统计参数的影响,得出了堆载下高桩码头结构极限承载力概率分布为正态分布,结构损伤与尺寸型式改变对其统计参数影响不大的结论。计算表明,利用此法分析堆货荷载下高桩码头结构整体安全度简便且可行。     

基于塑性理论的海洋平台落物分析

海洋石油平台的工作环境较为复杂,在设计此类平台时,除了考虑平台自重及其受到的冰荷载、环境荷载、建造和安装时产生的事故荷载以外,还需考虑其在正常运行过程中物体坠落冲击载荷引起的应力集中。由此,对海洋平台的局部结构或整体结构进行落物评估分析,以验证其受力是否满足强度要求。采用Sesam软件建立分析模型,并采用USFOS软件进行落物时程分析,得到落物构件承载能力的变化规律;以能量法为依据,为海洋平台结构的设计优化和计算校核提供参考。     

冰区海上风电基础的抗冰性能分析

海上风电基础属于典型的柔性结构。由于冰与柔性抗冰结构相互作用的复杂性,长期以来尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。结构抗冰设计中大都是从极端荷载出发,只考虑最大静冰力或最大倾覆力矩。基于对渤海辽东湾柔性抗冰结构的多年监测,发现强烈的冰激振动引起柔性结构的风险性要远大于极端静冰荷载下结构的整体安全问题。为了明确冰区风电基础结构的抗冰性能及抗冰设计的合理性,文章结合基于多年现场冰与结构作用观测及冰荷载的研究成果,明确该类柔性结构与海冰作用形式及其动力特性;提出了柔性抗冰结构设计中应考虑的主要失效模式及评价方法。最后,以渤海某典型风电基础为例,对其抗冰性能进行评价。该文的研究可为寒区风电基础的抗冰设计及安全保障提供合理依据。     

渤海某新建升压站平台的抗冰性能分析

为了明确海上升压站平台设计中抗冰设计的合理性,以渤海某新建升压站平台为例,采用有限元数值模拟方法分析典型冰况下升压站平台的抗冰性能,与渤海典型的油气平台对比表明,动冰力下,结构的振动不明显,在极值静冰下结构具有很大的静力安全储备;新设计的升压站平台具有较好的抗冰性能。     

导管架海洋平台整体结构海冰载荷环境下响应分析

以当前广泛应用的海洋导管架平台为研究对象,针对导管架海洋平台冰区服役环境中,海冰载荷作用下结构响应问题,采用理论公式对导管架所受的环境载荷进行计算分析,并通过ABAQUS有限元分析软件对导管架平台进行整体建模,分析其在环境载荷作用下的整体位移响应,并对不同海流速度下桩腿的位移响应进行分析,探索不同桩基入泥深度变形的敏感性因素。结果表明,正常环境载荷下,平台下甲板部位产生0.75 m作用的位移;桩腿位移变化对海流速度较为敏感,某些极端情况下,桩腿上部位移可达5 m左右;变形敏感性因素分析表明,桩身的变形和受力特征存在差异,随着桩基入泥深度的减少,桩身变形会较明显的影响泥面位移和总位移,并导致其桩基中下部及桩底岩土体的塑性区分布范围增加,桩基入泥深度超过一定范围时桩基变形趋近稳定,且计算荷载施加后不会明显影响桩基中下部的应力和塑性区分布特征。     

自升式钻井平台的抗冰性能评价

自升式钻井平台属于典型的柔性结构。由于冰与柔性抗冰结构相互作用的复杂性,长期以来尚未形成基于动冰力响应分析的结构设计。结构抗冰设计中大都是从极端荷载出发,只考虑最大静冰力或最大倾覆力矩是否能推倒平台。基于对渤海辽东湾柔性抗冰平台的多年监测,发现强烈的冰激振动引起平台管节点疲劳失效、上部设施的非正常运行、作业人员不舒适等问题的风险性要远大于极端静冰荷载下结构的整体安全问题。文中基于多年现场冰与结构作用观测及冰荷载的研究成果,提出了柔性抗冰结构设计中应考虑的主要失效模式及评价方法。最后,以渤海某典型自升式钻井平台为例,对其抗冰性能进行评价。该文的研究可为寒区自升式平台的抗冰概念设计提供合理依据。     

核电平台连接机构设计与运动响应分析

[目的]为满足深海冰区海洋核反应堆安全工作的要求,设计冰区核电平台与弹簧阻尼连接机构。[方法]利用三维势流理论及刚体动力学理论建立平台与连接机构的仿真模型。计算平台所受弹簧阻尼力,研究连接机构刚度、阻尼系数特性,选择最佳方案。应用离散元法进行冰载荷数值模拟,通过计算试验椎体所受冰载荷,验证该方法的准确性。研究浪、风、流或海冰、风、流环境载荷联合作用下平台的运动响应。[结果]结果显示,平台系泊于深海冰区可远离海啸的影响,环境承载平台能较好抵抗冰载荷;在连接机构与系泊系统的作用下,核堆支撑平台可抵御福岛核泄漏事故最大海啸波高与17级超强台风的联合作用;在北海万年一遇风暴作用下,核堆支撑平台的水平位移与水深之比、垂荡与纵摇响应及垂向加速度均小于海上浮动核电平台(OFNP)。[结论]核电平台与连接机构的设计可保证应用于深海冰区的核堆的安全稳定。     

直立墙上不规则波波浪力试验和统计分析

为确定波谷作用下波浪荷载的概率分布和统计参数,进行了不规则波浪对直立墙作用的室内试验,并对测得的波浪力进行统计分析;通过长期波浪最大荷载与短期波浪荷载的统计关系,得到50 a设计基准期内波浪荷载的概率分布和统计参数。研究结果表明,波谷作用下短期波浪荷载服从Weibull分布,50 a设计基准期内最大波浪荷载服从极值I型分布。     

导管架平台火炬臂冰激振动响应数值分析

针对渤海某浅水重冰区导管架平台火炬臂的冰激振动问题,提出了一种基于有限元的时域分析方法。该方法根据导管架平台火炬臂的结构特征,对导管架平台与火炬臂这一主从动力系统中的主结构和子结构分别进行瞬态动力分析,从而实现对火炬臂冰激振动响应的准确评估。计算结果表明:火炬臂的动力响应与平台整体结构的动力响应之间有着明显的"继承"关系,并具有显著的动力放大特征,可为渤海浅水重冰区平台设计提供参考和借鉴。     

外海轻型码头结构环境荷载的统计分析

对外海轻型码头结构的波浪荷载和海流荷载进行了统计分析。给出一个波浪周期内,波浪荷载的均值系数和变异系数随相位角的变化,进而得出50年设计基准期内波浪荷载的均值系数和变异系数。使用Monte-Carlo方法研究了波浪荷载的概率分布类型。利用海洋平台已有的研究成果,给出了50年设计基准期内海流荷载的均值系数和变异系数。结果表明:对于外海轻型码头结构,可认为波浪荷载和海流荷载均服从极值I型分布;50年基准期波浪荷载的均值系数为1.166,变异系数为0.263,海流荷载的均值系数为1.269,变异系数为0.142。     

考虑荷载作用下抗力时变特性的沿海钢筋混凝土结构可靠度分析

针对海洋环境下钢筋混凝土结构破坏影响因素复杂的特点,建立了荷载作用下的氯离子侵蚀模型和钢筋锈蚀率模型;将钢筋混凝土构件的抗力和作用荷载均视为随机过程,并离散为设计基准期内服从某种分布的随机变量,通过改进的一次二阶矩法计算结构的可靠度指标,建立了荷载作用下考虑构件抗力时变特性的海洋环境下钢筋混凝土结构可靠度分析方法。通过高桩码头的算例说明了该方法的可行性,研究了荷载作用对结构耐久性和承载力寿命的影响。     

基于蒙特卡罗有限元法分析运营中的厦门海底隧道荷载效应

文中在总结运营公路隧道的荷载特点、概括影响隧道荷载效应各种因素及其统计特征的基础之上,运用蒙特卡罗有限元法对厦门海底隧道海域Ⅳ类围岩下左洞某断面二次衬砌的荷载效应和弯矩的统计特征进行了计算和分析。研究结果表明：厦门海底隧道海域Ⅲ级（Ⅳ类）围岩下左洞某断面的二次衬砌结构最大弯矩发生在仰拱处,最大轴力发生在拱脚处;衬砌拱顶、拱腰以及拱脚和仰拱处的弯矩不拒绝服从对数正态分布;衬砌拱顶、拱腰以及拱脚和仰拱处的荷载效应不拒绝服从正态分布。     

半潜式海洋平台抗冰性能分析

全球范围内,北极海底油气资源十分丰富。随着钻探技术的进步,加上易开采油气资源变少,北极地区的油气开采已经是势在必行。半潜式海洋平台拥有较强的抵抗极端环境的能力,在冰区不同的冰况下亦可操作。由于冰与不同结构物作用的复杂性,长期以来尚未形成关于半潜式海洋平台在海冰作用下的设计准则。本文通过对典型半潜式平台与海冰相互作用机理与冰载荷模型分析,提出了该类结构在海冰作用下的主要失效模式及评价方法。最后,以我国首座北极海域传统半潜式钻井平台为例,对其抗冰性能进行了评价,明确了半潜式平台在抗冰设计及安全保障中需要考虑的关键失效模式。     

渤海简易独腿导管架节点全周期疲劳分析

为解决冰区导管架节点存在的冰激与波浪荷载联合疲劳作用问题,采用美国石油学会的简化疲劳分析方法确定受波浪影响较大的节点及其所受荷载的方向,利用SACS软件对这些节点的波浪详细谱疲劳进行分析.针对冰激荷载,考虑到不同冰速下结构物的动力响应差异,分别利用ANSYS软件的瞬态分析和谱分析方法对节点的稳态冰振和随机冰振疲劳影响进...