【正文】 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)。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。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(gè)是線性累積損傷理論，一個(gè)是修正線性損傷理論。對于海洋平臺(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。 面對海洋平臺(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。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。在海洋環(huán)境的交變荷重作用下時(shí)，整個(gè)海洋平臺(tái)的疲勞破壞過程將是一個(gè)以構(gòu)件存在的缺陷處為開始點(diǎn)，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(diǎn)。 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(xiǎn)性 。疲勞破壞需要很長的時(shí)間，它是一個(gè)逐漸累積的破壞過程。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)的使用過程中，肯定會(huì)面臨更多的問題，因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境復(fù)雜，往往會(huì)面臨一些突如其來的破壞。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，就是常見的海洋平臺(tái)疲勞破壞。 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。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)面臨的問題就比較突出。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)對混凝土板配筋、選取恰當(dāng)?shù)拈L厚比等進(jìn)行考慮。 通過采用防護(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。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。目前風(fēng)浪、波浪對海洋平臺(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。 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，必須對海洋平臺(tái)進(jìn)行加以固定綁定。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。 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)成很長的峰。較短，較低的進(jìn)行波留在后邊，而較長的那些波對譜起著決定作用。所以，涌浪在波浪氣候研究中是很重要的。盡管單個(gè)波的存在期間較短，但涌傳播一個(gè)很長的距離仍不改變其形狀。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。 不同周期和波高的波相互疊加而形成波譜。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)。一個(gè)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(shí) ,是一個(gè)重要的要素。這樣 ,在一個(gè)有限的風(fēng)區(qū)中 ,高風(fēng)速無論出多長時(shí)間 ,也不能產(chǎn)生大浪。 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)。一個(gè)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。這樣 ,一個(gè)波列的總能量以波速傳播。它來自波形內(nèi)水質(zhì)點(diǎn)的速度。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。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。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 ,但是沒經(jīng)過一個(gè)周期 ,質(zhì)點(diǎn)向波浪前進(jìn)的方向稍微推移一點(diǎn)。它們在一個(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。 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(diǎn)正常運(yùn)動(dòng)的速度是很低的。軌道不是封閉的圓 ,水稍向前的移動(dòng)就是通常所說的質(zhì)量輸送。所以高而短的波的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)要比低而長的波快。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。 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(shí)波浪不穩(wěn)定破碎。 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。 如果在深水中測量波浪周期 ,這比較容易。 在深水中 ,簡單正弦波可用周期 T 波高 H 兩個(gè)參數(shù)來表示 : 1. 周期（ T） 波浪的周期和另外兩個(gè)要素波長 L 及波速 c 有著緊密的聯(lián)系。 當(dāng)波浪陡度增加時(shí) ,具有更為尖銳峰的真實(shí)波浪的不對稱性也增加了。 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。 海浪 動(dòng)力載荷可看作是所有隨時(shí)間有明顯變化的載荷，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。波浪誘導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)可以認(rèn)為是屬于強(qiáng)迫力函數(shù)部分。這一增加近似地正比于包括在模式中的應(yīng)變總能量。在基本的（彎曲）模式中，全部看作是阻尼作用，除非是另有說明。 有些資料上給出了一些結(jié)構(gòu)物的阻尼值。雖然結(jié)構(gòu)物的阻尼在形式上是粘性的，但為了易于分析起見，這樣來表示是可以的。 阻尼 在影響動(dòng)力載荷反應(yīng)的參數(shù)中，結(jié)構(gòu)物的阻尼是最難確定的。 如果離散點(diǎn)的數(shù)目很多，我們僅對最重要的少數(shù)振動(dòng)模式感興趣，這樣的模擬方法是完全能夠滿足精度要求的。如果需要更詳細(xì)的分析，可以采用計(jì)算機(jī)，考慮若干，甚至幾百個(gè)自由度。采用的分析方式影 響所取節(jié)點(diǎn)的數(shù)目和位置的選擇。所選的許多點(diǎn)叫節(jié)點(diǎn)，質(zhì)量集中在這些節(jié)點(diǎn)上。在一般意義上給出這些點(diǎn)的選法是很困難的，因?yàn)檫€要考慮經(jīng)驗(yàn)，而且分析清楚可能發(fā)生的運(yùn)動(dòng)形式，對提供一個(gè)適合的集中模式是很有用的。 把一個(gè)系統(tǒng)集中到離散點(diǎn)上，可能是動(dòng)力分析最困難的任務(wù)之一。 集中質(zhì)量 計(jì)算出包括附連水，海洋生物等附加影響的結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量分布后，使結(jié)構(gòu)物理想化的 傳統(tǒng)方法是集中它的質(zhì)量在很多離散點(diǎn)上。常見的形狀有圓柱，球，平板，方形體等。這樣，包含水的空心元件其有效質(zhì)量為元件質(zhì)量、包含在元件內(nèi)的水的質(zhì)量、外部附連水的質(zhì)量。當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力學(xué)問題時(shí)，必須包括這些水的質(zhì)量。 2. 海洋生物質(zhì)量的增加，結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量在整個(gè)使用周期都在變化。注意這個(gè)基礎(chǔ)問題是有好處的，因?yàn)檫@可給出 可能發(fā)生的最低固有頻率。 質(zhì)量 在計(jì)算結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量時(shí)，第一步先要給出包括基礎(chǔ)和土壤的結(jié)構(gòu)物質(zhì)量詳細(xì)情況和它的質(zhì)量分布。對于波浪和流產(chǎn)生的載荷，方程的右邊項(xiàng)分別在第四章和第五章中討論。amp。 )(tFKxxCxM ??? amp。 這里給出確定一個(gè)結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)的方法和公式，建立了一個(gè)理想化的分析模型，并用來進(jìn)行動(dòng)力分析。 2. 結(jié)構(gòu)物的剛度 這對于低于固有頻率的激發(fā)頻率顯得更為重要。 1. 結(jié)構(gòu)物的有效質(zhì)量 如果結(jié)構(gòu)物是很大的，移動(dòng)它很困難，動(dòng)力載荷對它幾乎沒有影響。西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 13 第 3 章 海洋平臺(tái)防護(hù)機(jī)構(gòu)相關(guān)原理及關(guān)鍵技術(shù) 海洋平臺(tái)的物理性質(zhì) 引言 海洋平臺(tái)的最重要的參數(shù)是固有頻率，如果它與漩渦脫離、波浪等激發(fā)頻率相一致，便產(chǎn)生共振，由此而引起載荷的放大。而且安裝和維護(hù)的成本不高，兼?zhèn)浣?jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。這種裝置將海洋平臺(tái)圍在其中，并且內(nèi)部應(yīng)用液壓系統(tǒng)來緩沖減振，并提出根據(jù)海浪，風(fēng)力，等海洋環(huán)境的情況，通過控制阻尼孔面積的 大小來達(dá)到控制海洋平臺(tái)振動(dòng)的目的。為了保證海洋平臺(tái)安全可靠地運(yùn)行，延長平臺(tái)的疲勞壽命，因此對固定式海洋平臺(tái)防護(hù)機(jī)構(gòu)研究與改進(jìn)具有重大的意義。我們在設(shè)計(jì)海洋平臺(tái)時(shí)，雖然不能夠通過復(fù)雜的試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)和尋找實(shí)際復(fù)雜情況下最佳的設(shè)計(jì)方案，但是具體的數(shù)值分析和優(yōu)化確實(shí)必須的。但是，如何更好的去制造和提高海洋平臺(tái)的可靠性和降低造價(jià)問題，依舊需要進(jìn)一步的研究。因此，研究海洋平臺(tái)的防護(hù)減震設(shè)計(jì)，具有十分重要的意義。海洋平臺(tái)在各種外在因素的影響下，將會(huì)產(chǎn)生慣性力和拖拽力等復(fù)雜的相互作用，進(jìn)而影響海洋平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)。因此，充分注重海洋平臺(tái)防護(hù)減震的意義是十分重要的。如果忽略就會(huì)引起各種重要的海洋事故，不僅僅 造成巨大的影響，而且?guī)碇苯拥慕?jīng)濟(jì)損失，甚至生態(tài)污染或者災(zāi)害。海固定式 海洋平臺(tái)防護(hù) 方案 的設(shè)計(jì)與建模分析 12 冰嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種形式的災(zāi)害，其中比較重要的災(zāi)害之一就是對海上建筑的影響。 對于海洋平臺(tái)所面臨的各種危害性因素，我們是難以取完全把握和控制的，比如在我國海冰主要分布地區(qū)在渤海和黃海的北部。并且海洋平臺(tái)的造價(jià)一般比較昂貴，如何在高代價(jià)下獲得最好的使 用效果是向來為人們所追求的。同時(shí)，我們可以看出，這些影響因素不僅僅是一時(shí)的作用，它們是長期存在、連續(xù)并且具有隨機(jī)不確定性。 海洋平臺(tái)長期受各種環(huán)境因素的影響，比如海浪、風(fēng)、潮汐、海冰、海流，等等因素。 海洋平臺(tái)防護(hù)減振的意義 海洋平臺(tái)是海洋石油天然氣資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，是海上生產(chǎn)作業(yè)的生活基地．海洋平臺(tái)長期處于惡劣的海洋環(huán)境中，受風(fēng)、浪、流、海冰、地震等自然環(huán)境作用，由于環(huán)境荷載的重復(fù)性和惡劣性，使海洋平臺(tái)在使用過程中存在明顯持續(xù)不斷的振動(dòng)問題．這種長期性的作用會(huì)造成海洋平臺(tái)的疲勞破壞、降低系統(tǒng)的可靠度，給生產(chǎn)、生活帶來諸多不利影響。對于目前已探明的油氣儲(chǔ)量主要在淺海海域，其中近一半屬于邊際型油田。自我國第一座固定式導(dǎo)管架海洋平臺(tái)建成以來，經(jīng)過 40 多年的努力，我國海洋石油總公司已經(jīng)建立了四大公司 :渤海公司、南海東部、西部公司和東海公司，同時(shí)建成了30 余座海洋平臺(tái)。起初，對于混凝土平臺(tái)我國進(jìn)行了研究和探討，到上個(gè)世紀(jì)七十年代末時(shí)，對混凝土平臺(tái)取得了一些寶貴的技術(shù)成果，并且現(xiàn)在把混凝土平臺(tái)運(yùn)行到實(shí)際海洋平臺(tái)中去，混凝土結(jié)構(gòu)與鋼質(zhì)導(dǎo)管架固定平臺(tái)相比，施工時(shí)間較短，防火性能較好，并且具有超強(qiáng)的抗海水腐蝕、抗疲勞、抗各種事故破壞能力，維修費(fèi)用也低，受到各國的青睞，使用時(shí)也獲得 了很好的經(jīng)濟(jì)效益。海上油氣開發(fā)難度較大，風(fēng)險(xiǎn)較高，是一個(gè)高科技的工程項(xiàng)目，面對世界全球石油市 場的激烈競爭，我國如何采取有效的投資方式，加大對邊際油田開發(fā)和運(yùn)用，將是一個(gè)十分重要和有價(jià)值的問題。 目前我國海洋平臺(tái)發(fā)展已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步和成效，已經(jīng)探明了海洋油氣儲(chǔ)量的具體位置（主要在淺海海域），勘測出我國淺海海域的石油儲(chǔ)量約 13 億噸，其中一半儲(chǔ)量處在邊際油田地區(qū)。 我國對于海洋平臺(tái)的發(fā)展，十分重要的經(jīng) 濟(jì)問題是我國在平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型時(shí)，一般考慮油田的油氣特性、海洋的海風(fēng)、海浪、海冰和潮汐等海洋環(huán)境因素，還考慮海洋平臺(tái)制造的自身因素、和材料的加工技術(shù)。從 1966年在渤海灣水深 到現(xiàn)在，有幾十座海洋平臺(tái)先后建成在渤海灣進(jìn)行鉆井和采油工作，其主要是鋼質(zhì)導(dǎo)管架固定式平臺(tái)，也有錐體沉箱式和浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)。腿平臺(tái)近 20 座，其工作水深已接近了 1000米。 1984 年第一座張力 腿平臺(tái)正式安裝在美國的 Hutton 油田，工作水深 157 米。面對深水油氣田的開發(fā)的需要，又設(shè)計(jì)出了柔性支承結(jié)構(gòu)的海洋平臺(tái)、牽索固定的塔式海洋平臺(tái)和半潛式海洋平臺(tái)、自升式海洋平臺(tái)等。 1973 年，北海 Ekofisk 油田建設(shè)了第一座海上混凝土儲(chǔ)油平臺(tái)。這種平臺(tái)適用于惡劣海況、更大工作水深及更大鉆井深度。自升式平臺(tái)在數(shù)量上增加較快，到 1985 年，自升式平臺(tái)占移動(dòng)式鉆井裝置總數(shù)的比例己達(dá)到 60%。 為了適應(yīng)在不同水深范圍內(nèi)鉆井， 1954 年第一座自升式鉆井平臺(tái)“加里福尼亞 1號”建成。1963 年美國建成的“環(huán)球 54 號，工作水深達(dá) 53米。 第一座坐底式平臺(tái)是 1949 年在墨西哥灣鉆井的“環(huán)球 40號”。海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的迅速發(fā)展，在大陸上使用的機(jī)械設(shè)備日夜不斷運(yùn)用到海洋平臺(tái)上，這樣就使得整個(gè)模塊可以送往海洋平臺(tái)現(xiàn)場，可以減少海上安裝的工作量，大大降低了海上安裝的花銷。那個(gè)時(shí)候正處在第二次世界大戰(zhàn)之后，戰(zhàn)爭中許多先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)和研究成果不斷的運(yùn)用