【導(dǎo)讀】海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)是目前廣泛用于海上油氣生產(chǎn)和作業(yè)的海上工程結(jié)構(gòu)物之一。風(fēng)、浪、流和冰的聯(lián)合作用，同時(shí)還遭受臺(tái)風(fēng)和地震等極端荷載的威脅。提高平臺(tái)可靠性、改善平臺(tái)工作人員的舒適感的重要手段?？茖W(xué)合理的設(shè)置抗震平臺(tái)，如何采取有效的措施對(duì)海洋平臺(tái)振動(dòng)進(jìn)行有效的控制己經(jīng)成。為當(dāng)前很多專家學(xué)者和海洋工作者關(guān)注的問(wèn)題。目前降低海洋平臺(tái)振動(dòng)響應(yīng)的主要措施有三。種方法相對(duì)安全，不過(guò)成本較高。從計(jì)算分析的結(jié)果來(lái)看，海洋平臺(tái)防護(hù)機(jī)構(gòu)的減振效果是相當(dāng)?shù)挠行Ч摹?

　　

【正文】 荷，它可以分為三類 : 1. 周期載荷 : 在某個(gè)一定的時(shí)間間隔之后 ,載荷所有的重要的特性重復(fù)出現(xiàn)； 2. 沖擊載荷 : 載荷僅出現(xiàn)一次； 3. 隨機(jī)載荷 : 載荷隨時(shí)間的變化關(guān)系不能準(zhǔn)確描述。 波浪的作用可作為隨機(jī)載荷的例子。 波浪形態(tài) 波浪基本特征 在深水中 ,小振幅波理想化的形狀是正弦曲線。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(gè)沿著直線滾動(dòng)的圓內(nèi)的某點(diǎn)所劃成的曲線 )。 當(dāng)波浪陡度增加時(shí) ,具有更為尖銳峰的真實(shí)波浪的不對(duì)稱性也增加了。在發(fā)生區(qū)域的波浪 ,由于風(fēng)的當(dāng)?shù)匦?yīng)甚至更不規(guī)則。 在深水中 ,簡(jiǎn)單正弦波可用周期 T 波高 H 兩個(gè)參數(shù)來(lái)表示 : 1. 周期（ T） 波浪的周期和另外兩個(gè)要素波長(zhǎng) L 及波速 c 有著緊密的聯(lián)系。他們的關(guān)系由 L=cT 給定。 如果在深水中測(cè)量波浪周期 ,這比較容易。那么就能從周期得到波長(zhǎng)和波速。 波長(zhǎng)和周期之間的一階關(guān)系 ,用公式（ 32）表示： ?22gTL? ， 即 TL? （ 32） 2. 波高 (H) 波高 ,表示從谷到峰的垂直距離。這是描述波浪的一個(gè)重要特征 ,但它對(duì)建筑物的作用 ,主要決定于它和波浪周期的關(guān)系。 3. 波陡 波陡是波高 H與波長(zhǎng) L的比值，即 H/L；在物理意義上 ,深水中的波陡不能超過(guò) 1/7,此時(shí)波浪不穩(wěn)定破碎。 4. 軌道速度和質(zhì)量輸送 雖然波形的傳播和波長(zhǎng)有關(guān) ,但水質(zhì)點(diǎn)正常運(yùn)動(dòng)的速度是很低的。在表面質(zhì)點(diǎn)的速度決定于西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 15 波浪周期和波高。它們?cè)谝粋€(gè)波浪周期中 ,必須完成一個(gè)軌道運(yùn)動(dòng) ,軌 道的直徑等于波高。所以高而短的波的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)要比低而長(zhǎng)的波快。深水中 ,水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)描繪出一個(gè)近似圓的軌道 ,但是沒(méi)經(jīng)過(guò)一個(gè)周期 ,質(zhì)點(diǎn)向波浪前進(jìn)的方向稍微推移一點(diǎn)。軌道不是封閉的圓 ,水稍向前的移動(dòng)就是通常所說(shuō)的質(zhì)量輸送。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。 軌道速度和質(zhì)量輸送 雖然波形的傳播和波長(zhǎng)有關(guān) ,但水質(zhì)點(diǎn)正常運(yùn)動(dòng)的速度是很低的。在表面質(zhì)點(diǎn)的速度決定于波浪周期和波高。它們?cè)谝粋€(gè)波浪周期中 ,必須完成一個(gè)軌道運(yùn)動(dòng) ,軌道的直徑等于波高。所以高而短的波的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)要比低而長(zhǎng)的波 快。深水中 ,水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)描繪出一個(gè)近似圓的軌道 ,但是沒(méi)經(jīng)過(guò)一個(gè)周期 ,質(zhì)點(diǎn)向波浪前進(jìn)的方向稍微推移一點(diǎn)。軌道不是封閉的圓 ,水稍向前的移動(dòng)就是通常所說(shuō)的質(zhì)量輸送。質(zhì)量輸送的速度和波速或軌道速度相比很小 ,波浪很小時(shí)更是這樣。 波浪能量 波浪能量 E 依賴于周期和波高。較大能量的波能做更大的功 ,因此它會(huì)比能量較小的波浪引起更大的破壞。 深水波的能量 ,一般是勢(shì)能 ,這是由于靜水位以上的波峰高度引起的 ,一般是動(dòng)能。它來(lái)自波形內(nèi)水質(zhì)點(diǎn)的速度。動(dòng)能保持不變 ,而勢(shì)能以波速傳播。這樣 ,一個(gè)波列的總能量以波速傳播。在靜水 傳播的有限數(shù)目的波列 ,似乎以單個(gè)速度的一半運(yùn)動(dòng) ,它們好象逐個(gè)地通過(guò)整個(gè)波列 ,這個(gè)單個(gè)波在波的后面形成 ,在前面的消失。一個(gè)波長(zhǎng)和單位波峰長(zhǎng)的能量 E,由下式給定公式（ 33）： 82gLHE ?? （ 33） 波浪的描述 作為外激發(fā)力的波浪 : 波浪是風(fēng)吹水面而引起的 ,在風(fēng)停止了對(duì)它的作用后 ,繼續(xù)存在。 波浪正常情況下都是以周期為基礎(chǔ)來(lái)計(jì)算的，波浪的大的運(yùn)動(dòng)周期分為時(shí)間長(zhǎng)短不同的小周期，并且一個(gè)大周期間又存在的一些小周期，并且小的周期還可以細(xì)分成其他的更小的周期，不同的周期時(shí)間長(zhǎng)短不同，不過(guò)都是以一種基本模式運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)模式就是每個(gè)周期都由上升 (或下降 )的 5 個(gè)過(guò)程以及下降 (或上升 )的 3個(gè)過(guò)程構(gòu)成，每個(gè)過(guò)程又稱之為波浪。 風(fēng)浪 風(fēng)浪的尺度依賴于三個(gè)因子 :風(fēng)速、風(fēng)時(shí)和風(fēng)區(qū)。其中任意一個(gè)都能獨(dú)立確定一個(gè)極限的風(fēng)浪尺度。這樣 ,在一個(gè)有限的風(fēng)區(qū)中 ,高風(fēng)速無(wú)論出多長(zhǎng)時(shí)間 ,也不能產(chǎn)生大浪。這個(gè)極限風(fēng)浪 ,由氣象形勢(shì)或者水域形狀來(lái)決定 ,氣象形勢(shì)決定風(fēng)向不變的行程 ,水域形狀則決定對(duì)風(fēng)浪生 成有效的風(fēng)區(qū)。一個(gè)測(cè)站的方位 ,它由有效的風(fēng)區(qū)決定 ,在研究它對(duì)波浪的反應(yīng)時(shí) ,是一個(gè)重要的要素。在外海的波浪形狀比理論上所研究的理想化的波形更復(fù)雜。在外海，幾乎總有很多波浪彼此疊加，而使水面呈現(xiàn)一種雜亂的狀態(tài)。這種特征在風(fēng)浪成長(zhǎng)的區(qū)域中更為明顯。 不同周期和波高的波相互疊加而形成波譜。風(fēng)和浪方向的變化引起更顯著的雜亂狀態(tài)。在波浪成長(zhǎng)區(qū)的波，即所謂的“風(fēng)浪”，它具有寬譜的特征，它是由所出現(xiàn)的很多頻率的波合成的結(jié)果。 涌 當(dāng)波浪移出生成區(qū)進(jìn)入一個(gè)無(wú)風(fēng)區(qū)域，或當(dāng)風(fēng)停止時(shí)，風(fēng)浪就變成涌，開(kāi)始衰減并慢慢的變 形。盡管單個(gè)波的存在期間較短，但涌傳播一個(gè)很長(zhǎng)的距離仍不改變其形狀。如果它已固定式 海洋平臺(tái)防護(hù) 方案 的設(shè)計(jì)與建模分析 16 由長(zhǎng)風(fēng)時(shí)的強(qiáng)風(fēng)所產(chǎn)生，使它具有低的波陡，那么它的衰減率就低。所以，涌浪在波浪氣候研究中是很重要的。 在衰減期間，波浪的形式和狀態(tài)是波動(dòng)的某種量度。較短，較低的進(jìn)行波留在后邊，而較長(zhǎng)的那些波對(duì)譜起著決定作用。這時(shí)，譜寬度變窄， ??? ，如果涌的傳播只有一個(gè)主要波系，那么它們通常是長(zhǎng)峰波，波峰是與波浪運(yùn)動(dòng)方向成直角的相當(dāng)長(zhǎng)的連續(xù)線。 這些波與短峰波可能很不相同，后者由兩列波在很寬廣的方向上傳播時(shí)形成 ，其峰僅偶然地聯(lián)成很長(zhǎng)的峰。在這個(gè)風(fēng)暴區(qū)域，典型陡的峰變得平坦，而涌浪幾乎變成正弦曲線。由于涌浪波長(zhǎng)較長(zhǎng)，如果比較小的局地波疊加其上，可能是涌浪沒(méi)有明顯的變化。但是當(dāng)涌浪接近海岸時(shí)，又重現(xiàn)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的涌浪，并且由于它們具有較長(zhǎng)的波長(zhǎng)和中等的波高，使它們具有很大的能量，而在海濱區(qū)變成主要的波。 設(shè)計(jì)原理分析 防護(hù)板原理 海洋平臺(tái)經(jīng)常面臨著水流及船行波、風(fēng)成浪等侵蝕和沖擊，必須對(duì)海洋平臺(tái)進(jìn)行加以固定綁定。海洋平臺(tái)防護(hù)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(jìn)行 加固，不過(guò)在這些防護(hù)方法中，大多數(shù)加固主要是針對(duì)防護(hù)結(jié)構(gòu)的抗浮、抗傾的穩(wěn)定性角度去分析的，而對(duì)于波浪風(fēng)浪的沖擊作用，進(jìn)行防護(hù)的研究很少。目前風(fēng)浪、波浪對(duì)海洋平臺(tái)的防護(hù)結(jié)構(gòu)的影響主要集中在海岸上，而現(xiàn)有的研究難以完全應(yīng)用到不同情況下的海洋平臺(tái)建設(shè)中。 海洋中，波浪主要來(lái)自深水區(qū)，并且向水深漸減的岸坡傳播。當(dāng)海洋的水深減小到一定程度時(shí)，海洋中的波系中大波波峰處的水質(zhì)點(diǎn)就在能維持平衡而出現(xiàn)破碎。當(dāng)出現(xiàn)破碎時(shí)，波浪就會(huì)在斜坡坡面上破碎，海洋的水體就會(huì)以射流狀態(tài)沖擊斜坡，在沖擊斜坡過(guò)程中，射流沖擊點(diǎn)就會(huì)產(chǎn)生最大沖擊壓 力，這個(gè)沖擊力就會(huì)對(duì)海洋平臺(tái)造成很大的破壞，這個(gè)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(diǎn)，對(duì)海洋平臺(tái)及其防護(hù)結(jié)構(gòu)具有較大的沖擊作用。 通過(guò)采用防護(hù)板，可以阻擋波浪和風(fēng)浪的作用力，如果風(fēng)浪和波浪在破碎后射流沖擊點(diǎn)的最大壓力 ,實(shí)際上，在沖擊點(diǎn)附近還會(huì)受到一定的沖擊力 ,這個(gè)沖擊力是局部較為集中的分布力。而波浪的沖擊壓力可以增加防護(hù)板的附加拉應(yīng)力 ,因此，在防護(hù)板的板長(zhǎng)、板厚上必須選取適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度和厚度，不要超過(guò)素混凝土的抗拉強(qiáng)度。在海洋平臺(tái)的建設(shè)中，應(yīng)該重視波浪破波壓力形成的附加拉應(yīng)力，在防護(hù)板的設(shè)計(jì)中 適當(dāng)對(duì)混凝土板配筋、選取恰當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)厚比等進(jìn)行考慮。 設(shè)計(jì)原理 海洋工程結(jié)構(gòu)中，尤其是海洋的采油平臺(tái)，它的結(jié)構(gòu)都非常的復(fù)雜，無(wú)論是固定式平臺(tái)結(jié)構(gòu)、活動(dòng)式平臺(tái)結(jié)構(gòu)，還是半固定式平臺(tái)，他們都是一個(gè)大尺寸的復(fù)雜裝置。這些結(jié)構(gòu)建設(shè)一般是由各式各樣的部件組成，并且每一個(gè)部件又由不同的材料制成，這樣就決定了不同的結(jié)構(gòu)所受的載荷歷史和環(huán)境條件又面臨著不同和復(fù)雜的形式，這些形式絕大多數(shù)是隨機(jī)性質(zhì)的，加上海洋環(huán)境的自身復(fù)雜性，海洋工程結(jié)構(gòu)面臨的問(wèn)題就比較突出。因此，建設(shè)海洋工程結(jié)構(gòu)要想確保它的安全性，就必須考慮海洋結(jié) 構(gòu)的疲勞以及平臺(tái)自身的壽命。 為了降低海洋結(jié)構(gòu)疲勞，就必須考慮海洋環(huán)境循環(huán)載荷作用下的損傷和破壞。海洋平臺(tái)防護(hù)材料或結(jié)構(gòu)在面臨多次重復(fù)變化的載荷作用后，它的結(jié)構(gòu)建設(shè)就必須考慮環(huán)境應(yīng)力和材料的強(qiáng)度極限之間的關(guān)系，在遇到材料強(qiáng)度比環(huán)境應(yīng)力還低的時(shí)，海洋環(huán)境就會(huì)面臨著破壞。海洋平臺(tái)交變載荷重復(fù)作用下材料或結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象，就是常見(jiàn)的海洋平臺(tái)疲勞破壞。 面對(duì)海洋平臺(tái)疲勞破壞的分析，應(yīng)該根據(jù)材料力學(xué)去分析靜力試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并且通過(guò)這些數(shù)據(jù)來(lái)確定材料的機(jī)械性能，通過(guò)對(duì)于靜力的分析，確定材料機(jī)械性能能否充分反映材料在西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 17 交變應(yīng)力作 用下的特性。因此，海洋平臺(tái)建設(shè)中，充分考慮交變載荷作用，根據(jù)數(shù)據(jù)分析去考慮海洋平臺(tái)工作的零件或構(gòu)件，如果只是按靜載荷去設(shè)計(jì)海洋平臺(tái)，在海洋平臺(tái)的使用過(guò)程中，肯定會(huì)面臨更多的問(wèn)題，因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境復(fù)雜，往往會(huì)面臨一些突如其來(lái)的破壞。疲勞破壞與靜應(yīng)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(tái)處于海洋環(huán)境中多次重復(fù)性的載荷作用破壞，疲勞破壞是海洋平臺(tái)在較長(zhǎng)時(shí)期的交變應(yīng)力作用的破壞結(jié)果。疲勞破壞需要很長(zhǎng)的時(shí)間，它是一個(gè)逐漸累積的破壞過(guò)程。 其次， 靜力破壞與靜應(yīng)變力之間關(guān)系較明顯，當(dāng)靜應(yīng)力小于屈服極限或強(qiáng)度極限時(shí)，一般不會(huì)產(chǎn)生靜力破壞；但對(duì)于疲勞破壞來(lái)說(shuō)，交變應(yīng)力如果遠(yuǎn)小于靜強(qiáng)度極限，甚至小于屈服極限時(shí)，疲勞破壞有可能發(fā)生，這主要是由于疲勞破壞的特征造成的。 第三，靜力破壞結(jié)果較明顯，在靜力破壞中，通常會(huì)有明顯的塑性變形產(chǎn)生；而在疲勞破壞時(shí)，很多情況下沒(méi)有特別顯著的塑性變形發(fā)生，即使在靜載下表現(xiàn)為韌性的材料，在交變應(yīng)力作用下，也表現(xiàn)為無(wú)明顯塑性變形的斷裂，疲勞破壞與脆性破壞很相似，這種破壞一般事先不容易被覺(jué)察出來(lái)，這樣疲勞破壞就面臨更多、更大的危險(xiǎn)性 。 第四，靜力破壞和疲勞破壞的端口也不相同，在靜應(yīng)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(huì)出現(xiàn)兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)區(qū)域是暗淡光滑區(qū)，這個(gè)區(qū)域也稱作疲勞破壞裂紋發(fā)生和擴(kuò)展區(qū)域，另一個(gè)區(qū)域是光亮晶粒狀區(qū)，這個(gè)區(qū)域也叫快速斷裂區(qū)。在海洋環(huán)境的交變荷重作用下時(shí)，整個(gè)海洋平臺(tái)的疲勞破壞過(guò)程將是一個(gè)以構(gòu)件存在的缺陷處為開(kāi)始點(diǎn)，而光滑無(wú)缺口的結(jié)構(gòu)中，一般是由于滑移產(chǎn)生微小裂紋，這些裂紋便是疲勞破壞的起點(diǎn)。加上疲勞破壞的反復(fù)的變形， 那些裂紋將會(huì)不斷擴(kuò)展，疲勞破壞的擴(kuò)展過(guò)程 中，開(kāi)裂的兩個(gè)面將會(huì)面臨擠緊和松離的反復(fù)重復(fù)，這樣在不斷的摩擦過(guò)程中，就形成了光滑區(qū)。隨著裂紋的不斷擴(kuò)大，剖面就會(huì)被逐漸削弱，海洋平臺(tái)的材料或構(gòu)件靜強(qiáng)度就會(huì)受到嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，在不足時(shí)，或者在某載荷作用超出范圍時(shí)，海洋平臺(tái)就會(huì)出現(xiàn)突然斷裂的情況，海洋平臺(tái)的突然性破壞將會(huì)使材料的端面呈晶粒狀。 第五，在靜應(yīng)力破壞分析時(shí)，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(shí)，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。在當(dāng)裂紋的起始工作完成后，裂紋就會(huì)在海洋環(huán)境 的疲勞破壞下，沿著垂直于最大主應(yīng)力的方向穩(wěn)定擴(kuò)展，對(duì)于金屬材料的裂紋，其裂紋擴(kuò)展速率將從緩慢到極速呈曲線變化。這樣，海洋平臺(tái)建設(shè)中，就必須考慮到建設(shè)過(guò)程中的焊接缺陷等原因，通常情況下，裂紋一開(kāi)始本身就存在了，這樣就使得裂紋的起始過(guò)程可以忽略。 面對(duì)海洋平臺(tái)的疲勞破壞分析，在海洋平臺(tái)的建設(shè)中，就應(yīng)該考慮機(jī)器和結(jié)構(gòu)上所有的應(yīng)力的分析。在分析時(shí)，理論上的靜載荷可以作為一個(gè)單一的循環(huán)進(jìn)行分析，而海洋平臺(tái)中，完全不承受交變應(yīng)力的機(jī)器和結(jié)構(gòu)是很少存在的。對(duì)于海洋平臺(tái)的完整的疲勞分析原理，它應(yīng)該包括疲勞應(yīng)力的分析、疲勞破 壞的形式分析、抗疲勞性能的測(cè)定分析以及預(yù)計(jì)疲勞壽命的分析等等，本文設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮疲勞累積損傷理論以及疲勞裂紋振動(dòng)理論。 疲勞損傷理論它是分析疲勞破壞的主要原理之一，這個(gè)理論也是估算變應(yīng)力幅值下安全疲勞壽命的關(guān)鍵理論。對(duì)于疲勞損傷理論目前有很多，不過(guò)主要常用的有兩種，一個(gè)是線性累積損傷理論，一個(gè)是修正線性損傷理論。 線性損傷理論它是指海洋平臺(tái)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(yīng)力之間存在相互獨(dú)立和各不相干的情況，這些不同的應(yīng)力一起累加到損傷達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，海洋平臺(tái)的試件或構(gòu)件就發(fā)生 破壞。這里面最著名的就是 Miner 理論，這個(gè)理論在海洋工程建設(shè)上得到了廣泛應(yīng)用。 Miner 的線性損傷理論如下： 1. 假設(shè)海洋平臺(tái)在受載過(guò)程中，每一次載荷循環(huán)中都需要消耗一定的有效壽命份數(shù)； 固定式 海洋平臺(tái)防護(hù) 方案 的設(shè)計(jì)與建模分析 18 2. 假設(shè)在應(yīng)力作用下疲勞損傷與試樣中所吸收的功成正比； 3. 海洋平臺(tái)每個(gè)試樣吸收的功與應(yīng)力的作用循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定的循環(huán)次數(shù)時(shí)，就會(huì)達(dá)到破壞； 4. 假設(shè)海洋平臺(tái)的試樣達(dá)到破壞時(shí)的總損傷量是一個(gè)常量，那么他們之間就存在一個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)，并且應(yīng)力損傷與海洋平臺(tái)載荷作用的次序無(wú)關(guān)； 5. 在海洋平臺(tái)的各循環(huán)應(yīng)用產(chǎn)生的所有損 傷分量之和達(dá)到 1 時(shí)，海洋平臺(tái)試樣就會(huì)產(chǎn)生破壞。即公式（ 34）： kiΣ Npini=1 （ 34） （其中 p代表疲勞可靠度， k 為塊譜數(shù)， Npi 為可靠度 P 下應(yīng)力為 Si對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)。 ni為應(yīng)力作用下的實(shí)際循環(huán)次數(shù)） 修正線性損傷理論是相對(duì)線性損傷理論提出的，相對(duì)線性損傷理論簡(jiǎn)單方便，在使用過(guò)程中，可以粗略地估算疲