【正文】 境有著直接的關(guān)系，主要表現(xiàn)是：由于海洋地基非線性，造成振動控制設置阻尼裝置結(jié)構(gòu)也存在非線性，加上強震或強風暴等極端荷載作用，讓海洋結(jié)構(gòu)平臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極值位移的彈塑性響應。 7. 海洋平臺約束條件較多 海洋平臺即面臨著同一類約束，比如應力的約束，應力約束雖然是局部性約束，表達式簡單，但是它涉及到的種類較多、數(shù)目過大，處理起來也十分復雜，再如樁基橫向承載力約束時，它的表達較難，不能顯式，在樁基變形連續(xù)點處理樁基橫向承載力約束更困難，它面臨眾多的約束項，這些因素就給海洋平臺的優(yōu)化求解帶來了一定的難度，因此，如何有效優(yōu)化海洋平臺，就變得的十分困難了。加上海洋平臺結(jié)構(gòu)自身的復雜性和波浪及冰等環(huán)境載荷的多層因素影響，使得海洋平臺難以有效的控制。 Dario Botte（ 1997）對于海洋平臺波浪響應也進行了研究，他在分析了海洋平臺結(jié)構(gòu)在非線性時域內(nèi)的響應基礎上，通過建立 ANSYS 非線性有限元模型，來計算平臺整體結(jié)構(gòu)的極限強度和剩余強 度。 Tao xu（ 1997）對于海洋防護工程結(jié)構(gòu)的疲勞強度、疲勞載荷以及疲勞可靠性進行了系統(tǒng)的研究，提出了他們存在的問題。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 趙德廷 [1998]針對海洋防護平臺結(jié)構(gòu)提出，海洋平臺防護系統(tǒng)是載荷、抗力和風險的安全保護系統(tǒng)，它具有相對復雜的結(jié)構(gòu)、實踐中由于矛盾比較集中，承擔的壓力比較突出，因而建設過程中，各種結(jié)構(gòu)失效經(jīng)常發(fā)生，造成海洋平臺事故嚴重。在對于海洋平臺防護結(jié)構(gòu)的應力研究上，歐進萍（ 1999）通過整體推進法分析了導管節(jié)平臺的極限承載能力。 張延宏、柳春圖（ 1990）運用斷裂力學理論對海洋平臺防護進行了分析研究，提出了海洋平臺 T 型管節(jié)點的疲勞強度相關(guān)的因素，并指出了對裂紋擴展數(shù)據(jù)的處理方法。張志強（ 2020）通過對適用于邊際油田的輕型海洋平臺綜合分析，提供了備選平臺的結(jié)構(gòu)型式，并且在自己的創(chuàng)作中建立了輕型平臺選型優(yōu)化的分析模型，經(jīng)過實踐分析，計算，建立了平臺的最優(yōu)型式。海洋平臺防護系統(tǒng)建設中，如果結(jié)構(gòu)的某一部分失效，就有可能造成整個平臺的倒塌，造成很多人員和財產(chǎn)的重大損失，國內(nèi)外發(fā)生了很多的海洋平臺事故，造成了重大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響 。 通過對于現(xiàn)有文獻的研究，筆者發(fā)現(xiàn)影響海洋平臺安全性的主要是海風、海浪、海流、海冰環(huán)境荷載，因此，在下文的研究過程中，本文主要進行海洋工程中的優(yōu)化問題的研究，希望自己可以對這個復雜的工程出一份力，這是自身能力的發(fā)揮，也是海洋工程結(jié)構(gòu)學科的發(fā)展和國民經(jīng)濟建設的實際需要，面對海洋平臺防護這一投資高、風險大的大型復雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如何進行優(yōu)化設計研究，是很多人都該出力奉獻的，以便滿足社會和人類的需求。 在實踐過程中，為了構(gòu)建健康安全的海洋平臺，需要投資 昂貴的費用。而我國的海洋防護平臺有的也出現(xiàn)了先后進入后期服役階段，有的海洋防護平臺是我國從國外購進的退役平臺加以改裝的， 這樣海洋防護平臺的安全和質(zhì)量問題就面臨著很大的風險。海洋平臺構(gòu)建，要考慮到服役的各個階段的特點，避免裂紋的出現(xiàn)威脅著平臺的安全和繼續(xù)作業(yè)。本文首先對海洋防護平臺的相關(guān)理論知識進行分析，接著分析海洋平臺防護系統(tǒng)的原理和關(guān)鍵技術(shù)，最后提出建模實證分析，本文的研究內(nèi)容如下： 第一部分是緒論，主要分析本文研究的背景、研究的現(xiàn)狀、研究的內(nèi)容、研究的方法。這個部分首先提出海洋平臺防護系統(tǒng)的構(gòu)建，然后是 建模計算。 理論分析與實例分析相結(jié)合的研究方法。 西南石油大學碩士研究生學位論文 7 第 2 章 海洋平臺相關(guān)概念概論 海洋平臺的定義 二十一世紀是海洋科學不斷飛速發(fā)展的年代，在這個能源問題成為全球矚目問題的年代，海洋資源的開發(fā)利用是一項海洋工程。 海洋平臺是我國海洋科技研發(fā)中海洋油氣田開發(fā)的一個基礎設施之一，海洋平臺主要是運用于海洋石油的勘測和開采海洋結(jié)構(gòu)物 。 隨著海洋科學的快速發(fā)展，海洋開發(fā)也不斷深入，海洋平臺就是伴隨著海洋開發(fā)和利用而產(chǎn)生的，它是海洋工程的一部分。 海洋平臺是海上石油勘探、海上開發(fā)和海上生產(chǎn)的條件，它不同于陸地平臺，有著非常惡劣的環(huán)境，海洋環(huán)境決定了海洋作業(yè)的難度較大，同時海洋作業(yè)的難度也決定了海洋平臺的特點： ； ； ，海洋救援工作難度較大； 。面對海洋平臺作業(yè)環(huán)境惡劣，應該充分考慮工作人員和財 產(chǎn)的安全，建設中確保它的安全可靠。固定式平臺的下部由樁、擴大基腳或其他構(gòu)造直接支承并固著于海底，按支承情況分為樁基式和重力式兩種。在軟土地基上應用較多的一種樁基平臺。平臺甲板的尺寸由使用工藝確定。導管架立柱的直徑取決 于樁徑，其水平支撐的層數(shù)根據(jù)立柱長細比的要求而定。并應考慮防腐蝕及防海生物附著等問題。打樁完畢后，在兩者的環(huán)形空隙 內(nèi)用水泥漿等膠結(jié)材料固結(jié)，使樁與導管架形成一個整體，以承受巨大的豎向和水平荷載。 塔架型平臺。施工時將塔架側(cè)放并拖運就位 ,注入壓艙水，使塔架直立 ,然后打樁，最后安裝平臺甲板。主要由上部結(jié)構(gòu)、腿柱和基礎三部分組成。分離式基礎用若干個分離的艙室做基礎，它對地基適應性強，受力明確，抗動力性能好，腿柱間距大，在拖航及下沉作業(yè)時較安全。上部結(jié)構(gòu)和腿柱用鋼材建造，沉箱底座用鋼筋混凝土建造，可充分發(fā)揮兩種材料的特性。重力式平臺的施工分兩個階段，前階段在干塢中進行，后階段在近岸可避風浪的深水區(qū)進行。當基礎兼做儲油罐時，應考慮由于內(nèi)外溫差所產(chǎn)生的溫度應力。 西南石油大學碩士研究生學位論文 9 活動式平臺 1. 著底式平臺 坐底式平臺。向沉 墊內(nèi)灌水，平臺即下沉坐落在海底。由一個駁船式船體和若干能升降并能起支撐作用的樁腿組成，船體有足夠的浮力以運載鉆井設備和給養(yǎng)到達工作地點。樁腿可插入海底，也可在樁腿下面設置“樁靴”或獨立的小沉墊。這種平臺的應用較廣。 半潛式平臺。在淺水區(qū)作業(yè)時可使下潛體坐落在海底，類似坐底式平臺。（見彩圖 21） 半固定式平臺 張力腿式平臺。對于深水海域 ,如果采用固定平臺 ,則造價隨水深增大而劇增，海上安裝工程也趨于困難， 相應配備的工程船舶均需大型化，而張力腿式平臺僅需加長纜索，對造價影響不大，這種平臺在工作完成后可浮運到其他地點。這種平臺用料少，工作水深大，適用于大深度水域。樁基平臺屬鉆井、采油平臺 ,工作水深一般在十余米到 200米的范圍內(nèi)（個別平臺超過 300米） ,是目前世界上使用最多的一種平臺。 半固定的張力腿式平臺及拉索塔式平臺是兩種適合于大深度海域（ 200 米以上）的平臺結(jié)構(gòu)。木質(zhì)平臺樁基腐蝕嚴重，平臺使用壽命短。在這個時期，海洋平臺安裝不斷擴展到更深的范圍，平臺打樁的數(shù)目也不斷減少，施工設備 不斷完善。這種平臺工作水深為 330m。這種平臺一般在 590m水深范圍作業(yè)，最大工作水深達到 130 多米。 80年代，半潛式平臺最大工作水深能力為 3048 米 ，開創(chuàng)了北海海域鉆井的記錄。還有，為了加快海上小型油田的開發(fā)，巴西石油公司還設計出了標準化、系列化組裝平臺，這個平臺可在離安裝地點最近的海灣組裝，使用非常方便，受到世界各國的青睞，到 2020 為止，世界上不同的國家已經(jīng)有不同類型的海洋平臺近萬余座。 西南石油大學碩士研究生學位論文 11 國內(nèi)海洋平臺的發(fā)展 海洋石油工業(yè)在我國起步較晚。同時還考慮海洋平臺建設的投資規(guī)模、投資效益和資本回收等經(jīng)驗因素。要做好邊際石油的開發(fā)，海洋平臺的建設是非常重要的一環(huán)，對于海洋平臺的初始造價和維護費用是其中研究的重點。不過和世界先進國家相比，目前還有一定差距，我國的工程技術(shù)人員和科研工作者應該不斷努力，為我國的油氣事業(yè)做出更大貢獻。因此如何減輕平臺在環(huán)境荷載作用下的振動日趨重要，海洋平 臺的振動控制技術(shù)也成為延長平臺的疲勞壽命、提高平臺可靠性、改善平臺工作人員的舒適感的重要手段。因此它們不僅僅給海洋平臺帶來各種不利因素，同時還影響平臺工作人員的工作效率，還會造成他們的心理陰影。在這兩個海域每年的海冰結(jié)冰期大約為 3 個月。前面我們已經(jīng)提及，海洋平臺的建造不僅僅是一個浩大的工程，還需要耗費高昂的經(jīng)濟代價，如果考慮不全或者保守設計，很可能造成巨大的浪費。在深水海洋隨著水位的不斷加深，海洋平臺的柔性需要不斷的增強，因為隨著振動頻率 的不斷降低，在這種低頻成分趨于海洋波浪頻寬時，會產(chǎn)生能力的大量聚集，進而引起嚴重的共振后果。我們需要明確的看到，海洋的各種外在因素，風、海冰、潮汐等都具有不穩(wěn)定性特點，這種不穩(wěn)定性帶給我們的研發(fā)就是一種難以確定性，因此，我們需要在研發(fā)和保護平臺設計中采取盡可能的滿足不同開采環(huán)境和工作 狀態(tài)的需要。 本文提出的一種新的海洋平臺的防護裝置，進行了簡化，并對其建模分析。 這種海洋平臺的防護思想對以后的探索也是一個有益的啟示和指引。對于超過固有頻率的激發(fā)頻率，質(zhì)量成為更重要的因素。 實質(zhì)上，這涉及到計算運動方程左邊的結(jié)構(gòu)物的個別系數(shù)，如公式（ 31）。 （ 31） 這需要結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量、剛度和阻尼的知識，并考慮這些性質(zhì)的所有的外界影響和長期變化的影響。一般地，這是一個相當簡單地問題。 對于任何淹沒或部分淹沒并受到振動的結(jié)構(gòu)物，有一定的水量由結(jié)構(gòu)物 夾帶著，并隨結(jié)構(gòu)物一起運動。外部附連水的質(zhì)量要根據(jù)不同水中的物體的幾何形狀來分別計算。對于某些很簡單的系統(tǒng)例如一個普通的梁是個例外的，這時可以保持質(zhì)量的分布性質(zhì)。 一般情況，對任何結(jié)構(gòu)物進行動力分析必須用一個理想模式來表示。對于用“手算”初步的估算，只需取一個或兩個自由度。當然，這樣做的缺點是每個點表示一個自由度 ，點越多，自由度越多，因而分析變得更為復雜并且浪費時間。與總的阻尼估算值相比，在這一假定的計算中其誤差多半是小的。對于大于一個自由度的模式，結(jié)構(gòu)物的阻尼是增加的。如果結(jié)構(gòu)物是一波浪頻率運動時，粘性阻尼必須分別考慮。在淺水中波峰變陡 ,而波谷變平 ,波形趨向于余擺線 (余擺線是由一個沿著直線滾動的圓內(nèi)的某點所劃成的曲線 )。他們的關(guān)系由 L=cT 給定。這是描述波浪的一個重要特征 ,但它對建筑物的作用 ,主要決定于它和波浪周期的關(guān)系。它們在一個波浪周期中 ,必須完成一個軌道運動 ,軌 道的直徑等于波高。質(zhì)量輸送的速度和波速或軌道速度相比很小 ,波浪很小是更是這樣。所以高而短的波的水質(zhì)點運動要比低而長的波 快。 波浪能量 波浪能量 E 依賴于周期和波高。動能保持不變 ,而勢能以波速傳播。 波浪正常情況下都是以周期為基礎來計算的，波浪的大的運動周期分為時間長短不同的小周期，并且一個大周期間又存在的一些小周期，并且小的周期還可以細分成其他的更小的周期，不同的周期時間長短不同，不過都是以一種基本模式運動，這種運動模式就是每個周期都由上升 (或下降 )的 5 個過程以及下降 (或上升 )的 3個過程構(gòu)成，每個過程又稱之為波浪。這個極限風浪 ,由氣象形勢或者水域形狀來決定 ,氣象形勢決定風向不變的行程 ,水域形狀則決定對風浪生 成有效的風區(qū)。這種特征在風浪成長的區(qū)域中更為明顯。 涌 當波浪移出生成區(qū)進入一個無風區(qū)域，或當風停止時，風浪就變成涌，開始衰減并慢慢的變 形。 在衰減期間，波浪的形式和狀態(tài)是波動的某種量度。在這個風暴區(qū)域，典型陡的峰變得平坦，而涌浪幾乎變成正弦曲線。海洋平臺防護的方法目前有很多，如堆石、砌石、使用混凝土板、或者用鋼絲籠、或者采用水泥等進行 加固，不過在這些防護方法中，大多數(shù)加固主要是針對防護結(jié)構(gòu)的抗浮、抗傾的穩(wěn)定性角度去分析的，而對于波浪風浪的沖擊作用，進行防護的研究很少。當出現(xiàn)破碎時，波浪就會在斜坡坡面上破碎，海洋的水體就會以射流狀態(tài)沖擊斜坡，在沖擊斜坡過程中，射流沖擊點就會產(chǎn)生最大沖擊壓 力，這個沖擊力就會對海洋平臺造成很大的破壞，這個破壞力經(jīng)常被稱之為破波壓力，它具有瞬間力、集中力的特點，對海洋平臺及其防護結(jié)構(gòu)具有較大的沖擊作用。 設計原理 海洋工程結(jié)構(gòu)中，尤其是海洋的采油平臺，它的結(jié)構(gòu)都非常的復雜，無論是固定式平臺結(jié)構(gòu)、活動式平臺結(jié)構(gòu)，還是半固定式平臺，他們都是一個大尺寸的復雜裝置。海洋平臺防護材料或結(jié)構(gòu)在面臨多次重復變化的載荷作用后，它的結(jié)構(gòu)建設就必須考慮環(huán)境應力和材料的強度極限之間的關(guān)系，在遇到材料強度比環(huán)境應力還低的時，海洋環(huán)境就會面臨著破壞。疲勞破壞與靜應力破壞他們之間存在很大的差異： 首先，靜力破壞是在靜態(tài)環(huán)境中，海洋環(huán)境一次性最大載荷作用下的破壞；而疲勞破壞是海洋平臺處于海洋環(huán)境中多次重復性的載荷作用破壞，疲勞破壞是海洋平臺在較長時期的交變應力作用的破壞結(jié)果。 第四，靜力破壞和疲勞破壞的端口也不相同，在靜應力破壞的斷口上，一般是呈現(xiàn)出粗粒狀或纖維狀的特征；而疲勞破壞在斷口上卻出現(xiàn)不同的特征，它的破壞會出現(xiàn)兩個區(qū)域，一個區(qū)域是暗淡光滑區(qū)，這個區(qū)域也稱作疲勞破壞裂紋發(fā)生和擴展區(qū)域，另一個區(qū)域是光亮晶粒狀區(qū)，這個區(qū)域也叫快速斷裂區(qū)。 第五，在靜應力破壞分析時，靜力破壞的的抗力取決于材料的本身，而在疲勞破壞分析時，不但要考慮材料，還要考慮材料的組成、構(gòu)件的形狀、材料的尺寸、材料的表面狀態(tài)以及材料的使用環(huán)境等等。在分析時，理論上的靜載荷可以作為一個單一的循環(huán)進行分析，而海洋平臺中，完全不承受交變應力的機器和結(jié)構(gòu)是很少存在的。 線性損傷理論它是指海洋平臺在循環(huán)載荷作用下，疲勞損傷的程度可以采用線性累加的，不同的應力之間存在相互獨立和各不相干的情況，這些不同的應力一起累加到損傷達到某一數(shù)值時，海洋平臺的試件或構(gòu)件就發(fā)生 破壞。 ni為應力作用下的實際循環(huán)次數(shù)） 修正線性損傷理論是相對線性損傷理論提出的，相對線性損傷理論簡單方便，在使用過程中，可以粗略地估算疲勞