吳慶金, 楊飏

(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

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考慮構(gòu)件重要性的導(dǎo)管架平臺(tái)強(qiáng)度儲(chǔ)備提升

吳慶金, 楊飏

(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

摘要：導(dǎo)管架平臺(tái)空間造型復(fù)雜，桿件和節(jié)點(diǎn)數(shù)量繁多，局部冗余度雖然高但總體分布不均勻。同時(shí)，平臺(tái)質(zhì)量大多集中于上部結(jié)構(gòu)，局部構(gòu)件的破壞可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在重力載荷作用下發(fā)生連續(xù)性倒塌。本文在導(dǎo)管架平臺(tái)常遇的冰工況載荷作用下，對(duì)移除各個(gè)構(gòu)件后的缺陷結(jié)構(gòu)進(jìn)行推覆分析，得到各構(gòu)件重要性指標(biāo)，依此判斷每個(gè)構(gòu)件的重要性；分析不同首失效構(gòu)件導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)薄弱路徑，從而確定結(jié)構(gòu)的最薄弱路徑和路徑起始構(gòu)件位置；進(jìn)而，在保證總用鋼量不變的條件下，調(diào)整構(gòu)件截面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的調(diào)控。研究表明：通過構(gòu)件重要性分析的方法，可以較有效地確定結(jié)構(gòu)薄弱路徑；通過調(diào)整薄弱路徑首個(gè)構(gòu)件的方法，可以實(shí)現(xiàn)薄弱路徑的調(diào)整，結(jié)構(gòu)的極限承載力提高10%以上，極限變形降低10%左右。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)管架平臺(tái)；推覆分析；構(gòu)件重要性指標(biāo)；塑性發(fā)展路徑；薄弱環(huán)節(jié)

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160127.1137.024.html

導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)是近海油氣資源開發(fā)的主要工程結(jié)構(gòu)物，其所處海洋環(huán)境非常惡劣，除正常的工作載荷和環(huán)境載荷作用，還時(shí)常遭受船舶碰撞、爆炸和火災(zāi)等事故的威脅，局部構(gòu)件破壞的情況時(shí)有發(fā)生。當(dāng)導(dǎo)管架平臺(tái)局部桿件破壞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)極限承載力降低，并有可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體失效，造成大量的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，為了降低海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體倒塌事故發(fā)生的可能性，要求海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較高的強(qiáng)度儲(chǔ)備[1]。目前針對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備的研究主要通過靜力推覆[2]或增量動(dòng)力分析[3]實(shí)現(xiàn)。導(dǎo)管架平臺(tái)是高冗余度結(jié)構(gòu)，各構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的重要性程度有差異，對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)件重要性分析，可以明確結(jié)構(gòu)體系中不同構(gòu)件的作用，反映結(jié)構(gòu)中局部桿件失效對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載力和失效路徑的影響，加深設(shè)計(jì)者對(duì)結(jié)構(gòu)體系的認(rèn)識(shí)，并指導(dǎo)考慮魯棒性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[4]。

對(duì)于導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)構(gòu)件，一般定性的認(rèn)為導(dǎo)管腿和樁為1類構(gòu)件，與導(dǎo)管腿或樁連接的水平橫撐為2類構(gòu)件，豎向斜撐為3類構(gòu)件。定性的分類方法不能明確各類構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)的影響程度，需要對(duì)構(gòu)件重要性進(jìn)行定量分析，并深入探討各構(gòu)件在結(jié)構(gòu)中的作用。目前，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)件重要性評(píng)價(jià)的方法主要為對(duì)比移除構(gòu)件前后結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的變化，而結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)有結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、冗余度、變形能和可靠性等。Pandy等[5]將移除構(gòu)件后結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化定義為敏感性，敏感性指標(biāo)高的構(gòu)件是結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件。Nafda[6]以移除構(gòu)件前后結(jié)構(gòu)剛度矩陣行列式比值作為構(gòu)件重要性指標(biāo)；Gharaibeh等[7]將構(gòu)件重要性指標(biāo)定義為該構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)整體可靠性的影響。目前對(duì)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)一般通過層間位移角判斷薄弱層，對(duì)薄弱層梁柱進(jìn)行加強(qiáng)實(shí)現(xiàn)對(duì)失效路徑的控制[8]，而通過構(gòu)件重要性分析，可以對(duì)局部重要構(gòu)件進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)有針對(duì)性的加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

本文將建筑結(jié)構(gòu)中常用的構(gòu)件重要性分析方法應(yīng)用于導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)，在分析過程中記錄結(jié)構(gòu)的響應(yīng)信息和桿件塑性狀態(tài)信息，并分析移除構(gòu)件對(duì)整體結(jié)構(gòu)和剩余桿件的影響。在構(gòu)件重要性指標(biāo)的基礎(chǔ)上對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展路徑得到有效調(diào)整，結(jié)構(gòu)極限承載能力得到較好提升。

1構(gòu)件重要性分析的基本理論

1.1構(gòu)件重要性評(píng)價(jià)方法

構(gòu)件重要性系數(shù)是衡量構(gòu)件重要性程度的指標(biāo)，它不僅取決于結(jié)構(gòu)系統(tǒng)本身的力學(xué)性能，也取決于作用載荷情況，還與結(jié)構(gòu)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)相關(guān)[9]。表1中總結(jié)了當(dāng)前構(gòu)件重要性指標(biāo)的主要分析方法及其含義，并對(duì)各類指標(biāo)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1　構(gòu)件重要性指標(biāo)

注：K為完好結(jié)構(gòu)剛度指標(biāo),Ki為移除i構(gòu)件結(jié)構(gòu)剛度指標(biāo),SRj為構(gòu)件最大應(yīng)力比,U為完好結(jié)構(gòu)變形能,Ui為移除第i根構(gòu)件結(jié)構(gòu)的變形能,λo為完好結(jié)構(gòu)極限承載力,λi為移除i構(gòu)件結(jié)構(gòu)極限承載力,βo為完好結(jié)構(gòu)可靠性指標(biāo),βi為移除i構(gòu)件的可靠性指標(biāo),ki為各分項(xiàng)影響權(quán)重,Yi為分項(xiàng)因素。

1.2構(gòu)件重要性評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇

綜合分析各類構(gòu)件重要性指標(biāo)，基于剛度的構(gòu)件重要性指標(biāo)未考慮載荷作用，基于強(qiáng)度和變形能的指標(biāo)無法確定結(jié)構(gòu)極限承載下的性能，基于可靠性的指標(biāo)需要對(duì)諸多因素進(jìn)行假定，缺乏統(tǒng)一的說服力，基于結(jié)構(gòu)承載力的構(gòu)件重要性指標(biāo)雖然計(jì)算量大，但是可以考慮材料非線性的影響并且可以反映結(jié)構(gòu)的極限承載能力，本文以承載力指標(biāo)作為構(gòu)件重要性指標(biāo)。

目前常以結(jié)構(gòu)損傷前后承載力變化作為結(jié)構(gòu)冗余度的測(cè)度，則構(gòu)件失效對(duì)結(jié)構(gòu)冗余度的敏感性即構(gòu)件重要性系數(shù)，Curley等[10]給出結(jié)構(gòu)冗余度參數(shù)的計(jì)算公式：

(1)

式中：R表示結(jié)構(gòu)冗余度指標(biāo)，λ0為完好結(jié)構(gòu)極限承載力，λ*為結(jié)構(gòu)構(gòu)件受損后的結(jié)構(gòu)極限承載力。

完好結(jié)構(gòu)和損傷結(jié)構(gòu)極限承載力可以通過強(qiáng)度儲(chǔ)備比(RSR)和剩余強(qiáng)度比(DSR)直觀的表現(xiàn)，其中RSR指標(biāo)和DSR指標(biāo)的計(jì)算公式為

(2)

(3)

式中λd為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力。引入RSR和DSR指標(biāo)后，極限承載力指標(biāo)的構(gòu)件重要性系數(shù)可以表示為

(4)

2導(dǎo)管架平臺(tái)構(gòu)件重要性分析

2.1結(jié)構(gòu)模型建立

針對(duì)圖1所示的導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)件重要性分析。導(dǎo)管架平臺(tái)為四腿樁基式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)水平兩方向?qū)ΨQ，斜撐對(duì)角型布置。導(dǎo)管架樁腿截面直徑1.2 m，壁厚0.05 m；橫撐構(gòu)件截面直徑0.78 m，壁厚0.038 m；斜撐構(gòu)件截面直徑0.51 m，壁厚0.025 4 m。平臺(tái)設(shè)計(jì)水深33.8 m，平臺(tái)總重量為1 465×103kg，其中上部甲板重量為784×103kg，支撐結(jié)構(gòu)總重量為682×103kg。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面展開并對(duì)桿件予以編號(hào)如圖2所示。

圖1　平臺(tái)結(jié)構(gòu)模型Fig.1　Model of platform structure

采用ANSYS軟件建立有限元模型。由于主要研究對(duì)象是下部導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，建模時(shí)將上部甲板結(jié)構(gòu)略去，上部甲板結(jié)構(gòu)以如圖1中4個(gè)集中力F的形式施加在導(dǎo)管架端帽處的節(jié)點(diǎn)上。對(duì)泥面以上的構(gòu)件采用PIPE288單元模擬，可以考慮海流作用；泥面以下的樁腿采用BEAM188單元模擬，可以考慮結(jié)構(gòu)剪切變形的影響。平臺(tái)樁土相互作用簡化為等效樁方法，將導(dǎo)管架平臺(tái)約束條件模擬為剛性固定端，剛性固定端位于設(shè)計(jì)泥面垂直以下6倍樁直徑處。平臺(tái)選用Q235鋼材，材料屈服強(qiáng)度為235 MPa，楊氏模量為210 GPa，泊松比為0.3，密度為7 850 kg/m3。

圖2　平臺(tái)側(cè)面展開圖及桿件編號(hào)Fig.2　Flank figure of platform and number of members

2.2載荷工況選取

為了得到導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲(chǔ)備指標(biāo)，本文對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行推覆分析。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行推覆分析的結(jié)果在很大程度上與所選擇的側(cè)向載荷分布模式相關(guān)，常見的分布形式有：頂點(diǎn)集中力形式、均勻分布形式、基本振型分布形式和多振型分布形式等。考慮到導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全影響主要來自于外部環(huán)境且水面處環(huán)境載荷較大的特點(diǎn)，本文選取載荷類型為冰工況，冰厚、風(fēng)速和水面流速均采用極值Ⅰ型分布，各類載荷的分布參數(shù)[1]如表2所示，不同重現(xiàn)期下的冰厚、風(fēng)速和水面流速可以通過下式求得：

(5)

式中：A和B為各類載荷極值Ⅰ型分布的分布參數(shù)，T為重現(xiàn)期，C為冰厚、風(fēng)速或者水面流速。

在淺海區(qū)，流速隨水深的變化規(guī)律可以表示為

(6)

式中：us為水面流速,d為水深,z為自海底以上高度。

表2　環(huán)境載荷要素分布

根據(jù)式(5)得到不同重現(xiàn)期下的風(fēng)速、冰厚和水面流速。然后，根據(jù)淺海固定平臺(tái)規(guī)范[11]中給出的計(jì)算方法得到相應(yīng)的風(fēng)載荷、冰載荷和不同水深條件下的海流載荷。將風(fēng)載荷以水平作用集中力的形式施加于導(dǎo)管架端帽處的四個(gè)節(jié)點(diǎn)；在考慮遮蔽效應(yīng)的前提下，將冰載荷以水平作用力的形式施加于水面處的結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)；將海流載荷以水平分布力的方式施加于水面以下結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。

導(dǎo)管架海洋平臺(tái)所受載荷方向隨機(jī)性比較大，為降低載荷方向?qū)?gòu)件重要性指標(biāo)的影響，考慮載荷方向如圖3所示。由于結(jié)構(gòu)水平兩方向?qū)ΨQ，對(duì)稱構(gòu)件的重要性程度一致，只需對(duì)圖3中ab面和cd面內(nèi)構(gòu)件進(jìn)行移除分析，當(dāng)移除ab面內(nèi)外圍橫撐、斜撐和主導(dǎo)管構(gòu)件時(shí)，考慮載荷方向?yàn)?°、45°、90°、135°和180°；當(dāng)移除cd面內(nèi)橫撐構(gòu)件時(shí)，考慮載荷方向?yàn)?5°、90°、135°、180°和225°。

圖3　載荷作用方向Fig.3　The direction of loading

2.3構(gòu)件重要性分析流程

4) 4臺(tái)推進(jìn)器變壓器，容量為5 300 kVA/2 650 kVA/2 650 kVA,電壓變比11 kV/0.71 kV/0.71 kV。

基于推覆分析得到結(jié)構(gòu)極限承載力的構(gòu)件重要性分析流程如圖4所示，分析步驟為：

1)計(jì)算50年一遇載荷工況，對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并以該工況作用下的結(jié)構(gòu)基底剪力作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力。

圖4　構(gòu)件重要性分析流程Fig.4　Flow diagram of component importance analysis

2)以重現(xiàn)期逐漸增長的方式增加載荷并對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，記錄每一載荷工況下的基底剪力與頂點(diǎn)位移信息。

3)逐漸增加載荷直到計(jì)算程序不收斂時(shí)剛度矩陣奇異，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)達(dá)到極限承載狀態(tài)。

4)得到完好結(jié)構(gòu)在45°和90°方向的RSR指標(biāo)和移除構(gòu)件后結(jié)構(gòu)在圖3載荷工況下的DSR指標(biāo)，以各方向下求得的構(gòu)件重要性系數(shù)最大值作為該移除構(gòu)件的重要性指標(biāo)。

2.4導(dǎo)管架平臺(tái)構(gòu)件重要性指標(biāo)

完好結(jié)構(gòu)在45°和90°載荷方向下設(shè)計(jì)基底剪力為7.92×103kN和4.76×103kN, 結(jié)構(gòu)在45°和90°方向極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的基底剪力為2.08×104kN 和1.76×104kN，則完好結(jié)構(gòu)在45°和90°方向的RSR指標(biāo)分別為2.622和3.690。根據(jù)API RP 2A規(guī)范，合理設(shè)計(jì)的導(dǎo)管架平臺(tái)儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)約在1.8～2.4，可以看出，該導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)儲(chǔ)備強(qiáng)度較高。

表3　構(gòu)件重要性指標(biāo)

3移除構(gòu)件影響分析

為研究不同類型構(gòu)件對(duì)剩余結(jié)構(gòu)的影響，分別取移除3號(hào)腿柱、移除36號(hào)外圍橫撐、移除57號(hào)內(nèi)部橫撐和移除73號(hào)斜撐結(jié)構(gòu)與完好結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。在90°方向冰工況載荷作用下，完好結(jié)構(gòu)和移除構(gòu)件后剩余結(jié)構(gòu)的基底剪力與頂點(diǎn)位移如圖5所示。橫撐構(gòu)件的重要性指標(biāo)較小，對(duì)應(yīng)的基底剪力與頂點(diǎn)位移基本沒有變化。完好結(jié)構(gòu)彈性階段斜率為1.10×105kN/m，移除73號(hào)斜撐后結(jié)構(gòu)彈性階段的斜率為8.2×104kN/m，結(jié)構(gòu)剛度降低25.5%；移除3號(hào)腿柱后剩余結(jié)構(gòu)彈性階段的斜率為6.3×104kN/m，結(jié)構(gòu)剛度降低42.7%。

進(jìn)一步分析移除73號(hào)斜撐構(gòu)件后結(jié)構(gòu)傳力路徑的改變情況。在移除73號(hào)斜撐結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)載荷條件下，對(duì)比完好結(jié)構(gòu)與移除構(gòu)件后剩余結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能變化如圖6所示。將移除73號(hào)斜撐后變形能變化比較大的桿件用粗線表示在結(jié)構(gòu)側(cè)面展開圖中，如圖7所示。從圖中可以看出73號(hào)斜撐構(gòu)件移除導(dǎo)致應(yīng)力重分布到相鄰層與載荷平行立片的橫撐和斜撐構(gòu)件上。

圖5　結(jié)構(gòu)基底剪力與頂點(diǎn)位移關(guān)系曲線Fig.5　Base shear-roof displacement curves of structure

圖6　構(gòu)件變形能Fig.6　Strain energy of members

圖7　傳力路徑變化Fig.7　Change of force transfer path

4基于構(gòu)件重要性的結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展路徑調(diào)整

通過對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行推覆分析，可以得到在相應(yīng)載荷工況下的塑性發(fā)展路徑，而結(jié)構(gòu)的極限承載力是由塑性發(fā)展路徑上構(gòu)件的承載能力決定的。構(gòu)件重要性指標(biāo)可以反映各構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)承載性能的敏感性，在構(gòu)件重要性的基礎(chǔ)上可以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行針對(duì)性的加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

4.1結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展路徑

記錄各桿件截面的塑性狀態(tài)，在桿件截面上取32個(gè)柵點(diǎn)并記錄其應(yīng)變狀態(tài)。當(dāng)柵點(diǎn)處出現(xiàn)塑性應(yīng)變時(shí)，認(rèn)為桿件在該處進(jìn)入塑性，柵點(diǎn)位置如圖8所示。

導(dǎo)管架平臺(tái)在90°方向冰工況載荷推覆分析時(shí)的塑性發(fā)展路徑如圖9所示，可以看出，當(dāng)基底剪力達(dá)到12×103kN時(shí)73和77號(hào)斜撐構(gòu)件出現(xiàn)塑性，其后，最底部的樁腿構(gòu)件進(jìn)入塑性，當(dāng)基底剪力達(dá)到18×103kN時(shí)，26、28、30、32、54、56、74和76號(hào)桿件也出現(xiàn)塑性。而結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展路徑代表結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。

圖8　桿件截面Fig.8　Cross section of member

圖9　結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展過程Fig.9　Plastic development of structure

4.2構(gòu)件截面調(diào)整

73號(hào)斜撐構(gòu)件所在層的斜撐重要性程度較高，且該層斜撐在冰工況下首先進(jìn)入塑性，因此選擇該層斜撐構(gòu)件截面進(jìn)行調(diào)整。在導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)總用鋼量不變的前提下對(duì)73號(hào)斜撐構(gòu)件所在層的所有斜撐構(gòu)件進(jìn)行加強(qiáng)，將原始壁厚由2.54 cm增加為2.7 cm，對(duì)重要性程度不高的第一層外圍橫撐構(gòu)件進(jìn)行削弱，壁厚由原來的3.8 cm降低為3.74 cm。

對(duì)調(diào)整后結(jié)構(gòu)進(jìn)行冰工況下的推覆分析，載荷方向分別為45°和90°。90°方向下的塑性發(fā)展過程如圖9所示。從結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)中首個(gè)進(jìn)入塑性的構(gòu)件位置發(fā)生變化，當(dāng)基底剪力達(dá)到14×103kN時(shí)，6號(hào)和18號(hào)腿柱開始進(jìn)入塑性；當(dāng)基底剪力達(dá)到16×103kN時(shí)12和24號(hào)腿柱開始進(jìn)入塑性；其后，26號(hào)和30號(hào)外圍橫撐出現(xiàn)塑性；當(dāng)基底剪力達(dá)到24×103kN時(shí)，74、77和78號(hào)斜撐構(gòu)件出現(xiàn)塑性。為進(jìn)一步分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)入塑性程度，以柵點(diǎn)處不同程度進(jìn)入塑性桿件占總桿件數(shù)的比值作為桿件塑性率，原結(jié)構(gòu)與調(diào)整后結(jié)構(gòu)桿件塑性率如圖10所示?？梢钥闯?，對(duì)于調(diào)整后結(jié)構(gòu)，在極限狀態(tài)下1/4截面進(jìn)入塑性的桿件率增大2.3%，全截面進(jìn)入塑性的桿件率降低2.3%。調(diào)整后能更好地發(fā)揮構(gòu)件的承載能力，而全截面進(jìn)入塑性的桿件比率降低可保證結(jié)構(gòu)具備更好的極限儲(chǔ)備。

調(diào)整后結(jié)構(gòu)在45°和90°方向的RSR指標(biāo)分別為2.949和4.731，分別比原結(jié)構(gòu)提高12.5%和28.2%。調(diào)整結(jié)構(gòu)相比原結(jié)構(gòu)在45°和90°方向極限變形分別降低8.1%和15.5%，調(diào)整后結(jié)構(gòu)基底剪力與頂點(diǎn)位移曲線如圖11所示，原結(jié)構(gòu)在45°和90°方向彈性階段的斜率為1.10×105kN/m，調(diào)整后結(jié)構(gòu)在45°和90°方向彈性階段的斜率為1.43×105kN/m，調(diào)整后結(jié)構(gòu)整體剛度提高30.0%左右。在原結(jié)構(gòu)達(dá)到極限狀態(tài)載荷條件下，對(duì)比調(diào)整后結(jié)構(gòu)的層間位移，73號(hào)斜撐所在層的層間位移明顯降低，90°方向結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移降為原來的一半左右，45°方向結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移降低19.9%，如圖12所示。

圖10　桿件塑性率Fig.10　 plasticity ratio of member

圖11　調(diào)整后結(jié)構(gòu)基底剪力與頂點(diǎn)位移Fig.11　Base shear-roof displacement curves of adjusted structure

圖12　結(jié)構(gòu)層間位移Fig.12　Inter-story displacement

5結(jié)論

1)對(duì)于導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)，可以以移除構(gòu)件前后結(jié)構(gòu)冗余度的變化率作為構(gòu)件重要性指標(biāo)，而結(jié)構(gòu)冗余度可以通過靜力非線性推覆分析的方法實(shí)現(xiàn)，且應(yīng)考慮載荷方向的影響。

2)以移除構(gòu)件前后結(jié)構(gòu)冗余度的變化率作為構(gòu)件重要性指標(biāo)，可以反映構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)極限承載能力的影響，依此可以判斷每個(gè)構(gòu)件的重要性程度并反映結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)；通過對(duì)比移除構(gòu)件前后剩余構(gòu)件變形能的變化可以反映移除構(gòu)件對(duì)剩余桿件的影響。

3)在構(gòu)件重要性分析的基礎(chǔ)上，人為調(diào)整結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展路徑首桿件，可以有針對(duì)性的實(shí)現(xiàn)薄弱路徑的調(diào)整，從而提高結(jié)構(gòu)的極限承載能力，減小極限變形，充分發(fā)揮構(gòu)件的承載能力。

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收稿日期：2014-11-28.

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50908036)；遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(201202040).

作者簡介：吳慶金(1990-) 男，碩士研究生； 通信作者：楊飏, E-mail: yyang@dlut.edu.cn.

doi:10.11990/jheu.201411083

中圖分類號(hào)：P751

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-7043(2016)04-0514-06

Improving strength reserve of a jacket platform considering component importance

WU Qingjin, YANG Yang

(Department of Naval Architecture, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

Abstract：Space configuration of a jacket offshore platform is complex with numerous of members and joints. The partial redundancy of structure is high, but the overall distribution is uneven. Meanwhile, the mass of the structure is mostly concentrated in the upper deck structure. Damage to local members progressively leads to the collapse of the entire structure under the influence of gravity. We performed nonlinear pushover analysis on the defect structure after removing each member by using the conventional encountered ice condition as an environmental factor. The importance of each member is evaluated by the obtained component importance index; weak paths caused by different first-to-fail members were analyzed to determine the weakest path in the structure and the location of the starting member in said path. Then, the weak path of the structure was regulated by adjusting the cross sections of a few members on the basis of the component importance index under the condition of constant total steel mass. The main achievements are as follows: effective identification of structural weak paths by component importance analysis, regulation of the weak path by adjusting the starting member in the path, and 10% increase in the ultimate bearing capacity of the structure accompanied by a 10% decrease in the ultimate deformation.

Keywords：jacket platform; pushover analysis; component importance index; plastic development path; weak section

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-01-27.

楊飏(1975-) 女，副教授，碩士生導(dǎo)師.