【導(dǎo)讀】海洋平臺結(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，同時還遭受臺風(fēng)和地震等極端荷載的威脅。提高平臺可靠性、改善平臺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，如何采取有效的措施對海洋平臺振動進行有效的控制己經(jīng)成。為當(dāng)前很多專家學(xué)者和海洋工作者關(guān)注的問題。目前降低海洋平臺振動響應(yīng)的主要措施有三。種方法相對安全，不過成本較高。從計算分析的結(jié)果來看，海洋平臺防護機構(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 : 在某個一定的時間間隔之后 ,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. 隨機載荷 : 載荷隨時間的變化關(guān)系不能準確描述。 波浪的作用可作為隨機載荷的例子。 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 (余擺線是由一個沿著直線滾動的圓內(nèi)的某點所劃成的曲線 )。 當(dāng)波浪陡度增加時 ,具有更為尖銳峰的真實波浪的不對稱性也增加了。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 ,簡單正弦波可用周期 T 波高 H 兩個參數(shù)來表示 : 1. 周期（ T） 波浪的周期和另外兩個要素波長 L 及波速 c 有著緊密的聯(lián)系。他們的關(guān)系由 L=cT 給定。 如果在深水中測量波浪周期 ,這比較容易。那么就能從周期得到波長和波速。 波長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。 3. 波陡 波陡是波高 H與波長 L的比值，即 H/L；在物理意義上 ,深水中的波陡不能超過 1/7,此時波浪不穩(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有關(guān) ,但水質(zhì)點正常運動的速度是很低的。在表面質(zhì)點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。所以高而短的波的水質(zhì)點運動要比低而長的波快。深水中 ,水質(zhì)點的運動描繪出一個近似圓的軌道 ,但是沒經(jīng)過一個周期 ,質(zhì)點向波浪前進的方向稍微推移一點。軌道不是封閉的圓 ,水稍向前的移動就是通常所說的質(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有關(guān) ,但水質(zhì)點正常運動的速度是很低的。在表面質(zhì)點的速度決定于波浪周期和波高。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。所以高而短的波的水質(zhì)點運動要比低而長的波 快。深水中 ,水質(zhì)點的運動描繪出一個近似圓的軌道 ,但是沒經(jīng)過一個周期 ,質(zhì)點向波浪前進的方向稍微推移一點。軌道不是封閉的圓 ,水稍向前的移動就是通常所說的質(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 ,一般是勢能 ,這是由于靜水位以上的波峰高度引起的 ,一般是動能。它來自波形內(nèi)水質(zhì)點的速度。動能保持不變 ,而勢能以波速傳播。這樣 ,一個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 ,似乎以單個速度的一半運動 ,它們好象逐個地通過整個波列 ,這個單個波在波的后面形成 ,在前面的消失。一個波長和單位波峰長的能量 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。 風(fēng)浪 風(fēng)浪的尺度依賴于三個因子 :風(fēng)速、風(fēng)時和風(fēng)區(qū)。其中任意一個都能獨立確定一個極限的風(fēng)浪尺度。這樣 ,在一個有限的風(fēng)區(qū)中 ,高風(fēng)速無論出多長時間 ,也不能產(chǎn)生大浪。這個極限風(fēng)浪 ,由氣象形勢或者水域形狀來決定 ,氣象形勢決定風(fēng)向不變的行程 ,水域形狀則決定對風(fēng)浪生 成有效的風(fēng)區(qū)。一個測站的方位 ,它由有效的風(fēng)區(qū)決定 ,在研究它對波浪的反應(yīng)時 ,是一個重要的要素。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)進入一個無風(fēng)區(qū)域，或當(dāng)風(fēng)停止時，風(fēng)浪就變成涌，開始衰減并慢慢的變 形。盡管單個波的存在期間較短，但涌傳播一個很長的距離仍不改變其形狀。如果它已固定式 海洋平臺防護 方案 的設(shè)計與建模分析 16 由長風(fēng)時的強風(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)是波動的某種量度。較短，較低的進行波留在后邊，而較長的那些波對譜起著決定作用。這時，譜寬度變窄， ??? ，如果涌的傳播只有一個主要波系，那么它們通常是長峰波，波峰是與波浪運動方向成直角的相當(dāng)長的連續(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形成 ，其峰僅偶然地聯(lián)成很長的峰。在這個風(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。由于涌浪波長較長，如果比較小的局地波疊加其上，可能是涌浪沒有明顯的變化。但是當(dāng)涌浪接近海岸時，又重現(xiàn)波長較長的涌浪，并且由于它們具有較長的波長和中等的波高，使它們具有很大的能量，而在海濱區(qū)變成主要的波。 設(shè)計原理分析 防護板原理 海洋平臺經(jīng)常面臨著水流及船行波、風(fēng)成浪等侵蝕和沖擊，必須對海洋平臺進行加以固定綁定。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(fēng)浪的沖擊作用，進行防護的研究很少。目前風(fēng)浪、波浪對海洋平臺的防護結(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建設(shè)中。 海洋中，波浪主要來自深水區(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，海洋中的波系中大波波峰處的水質(zhì)點就在能維持平衡而出現(xiàn)破碎。當(dāng)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。 通過采用防護板，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的最大壓力 ,實際上，在沖擊點附近還會受到一定的沖擊力 ,這個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板的附加拉應(yīng)力 ,因此，在防護板的板長、板厚上必須選取適當(dāng)?shù)拈L度和厚度，不要超過素混凝土的抗拉強度。在海洋平臺的建設(shè)中，應(yīng)該重視波浪破波壓力形成的附加拉應(yīng)力，在防護板的設(shè)計中 適當(dāng)對混凝土板配筋、選取恰當(dāng)?shù)拈L厚比等進行考慮。 設(shè)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(fù)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(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。海洋平臺防護材料或結(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)力和材料的強度極限之間的關(guān)系，在遇到材料強度比環(huán)境應(yīng)力還低的時，海洋環(huán)境就會面臨著破壞。海洋平臺交變載荷重復(fù)作用下材料或結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象，就是常見的海洋平臺疲勞破壞。 面對海洋平臺疲勞破壞的分析，應(yīng)該根據(jù)材料力學(xué)去分析靜力試驗數(shù)據(jù)，并且通過這些數(shù)據(jù)來確定材料的機械性能，通過對于靜力的分析，確定材料機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工作的零件或構(gòu)件，如果只是按靜載荷去設(shè)計海洋平臺，在海洋平臺的使用過程中，肯定會面臨更多的問題，因為海洋環(huán)境復(fù)雜，往往會面臨一些突如其來的破壞。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在較長時期的交變應(yīng)力作用的破壞結(jié)果。疲勞破壞需要很長的時間，它是一個逐漸累積的破壞過程。 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度極限時，一般不會產(chǎn)生靜力破壞；但對于疲勞破壞來說，交變應(yīng)力如果遠小于靜強度極限，甚至小于屈服極限時，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，通常會有明顯的塑性變形產(chǎn)生；而在疲勞破壞時，很多情況下沒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察出來，這樣疲勞破壞就面臨更多、更大的危險性 。 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)。在海洋環(huán)境的交變荷重作用下時，整個海洋平臺的疲勞破壞過程將是一個以構(gòu)件存在的缺陷處為開始點，而光滑無缺口的結(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。加上疲勞破壞的反復(fù)的變形， 那些裂紋將會不斷擴展，疲勞破壞的擴展過程 中，開裂的兩個面將會面臨擠緊和松離的反復(fù)重復(fù)，這樣在不斷的摩擦過程中，就形成了光滑區(qū)。隨著裂紋的不斷擴大，剖面就會被逐漸削弱，海洋平臺的材料或構(gòu)件靜強度就會受到嚴峻的挑戰(zhàn)，在不足時，或者在某載荷作用超出范圍時，海洋平臺就會出現(xiàn)突然斷裂的情況，海洋平臺的突然性破壞將會使材料的端面呈晶粒狀。 第五，在靜應(yīng)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。在當(dāng)裂紋的起始工作完成后，裂紋就會在海洋環(huán)境 的疲勞破壞下，沿著垂直于最大主應(yīng)力的方向穩(wěn)定擴展，對于金屬材料的裂紋，其裂紋擴展速率將從緩慢到極速呈曲線變化。這樣，海洋平臺建設(shè)中，就必須考慮到建設(shè)過程中的焊接缺陷等原因，通常情況下，裂紋一開始本身就存在了，這樣就使得裂紋的起始過程可以忽略。 面對海洋平臺的疲勞破壞分析，在海洋平臺的建設(shè)中，就應(yīng)該考慮機器和結(jié)構(gòu)上所有的應(yīng)力的分析。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(yīng)力的機器和結(jié)構(gòu)是很少存在的。對于海洋平臺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、抗疲勞性能的測定分析以及預(yù)計疲勞壽命的分析等等，本文設(shè)計過程中主要考慮疲勞累積損傷理論以及疲勞裂紋振動理論。 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。對于疲勞損傷理論目前有很多，不過主要常用的有兩種，一個是線性累積損傷理論，一個是修正線性損傷理論。 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(yīng)力之間存在相互獨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到某一數(shù)值時，海洋平臺的試件或構(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)海洋平臺在受載過程中，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 海洋平臺防護 方案 的設(shè)計與建模分析 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. 海洋平臺每個試樣吸收的功與應(yīng)力的作用循環(huán)次數(shù)達到一定的循環(huán)次數(shù)時，就會達到破壞； 4. 假設(shè)海洋平臺的試樣達到破壞時的總損傷量是一個常量，那么他們之間就存在一個簡單的函數(shù)，并且應(yīng)力損傷與海洋平臺載荷作用的次序無關(guān)； 5. 在海洋平臺的各循環(huán)應(yīng)用產(chǎn)生的所有損 傷分量之和達到 1 時，海洋平臺試樣就會產(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對應(yīng)循環(huán)次數(shù)。 ni為應(yīng)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