【正文】 到海洋事業(yè)的開發(fā)中，尤其是鋼管制造技術(shù)，使鋼鐵技術(shù)得到了快速發(fā)展，鋼管樁樁徑、壁厚和樁的長度可以得到不斷增加，加上電子計算機(jī)技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，讓海洋平臺結(jié)構(gòu)可以更加準(zhǔn)確和快速的分析，加上大型運輸駁船、大型打樁錘技術(shù)和設(shè)備的廣泛運用，海洋平臺建設(shè)得到了空前的快速發(fā)展。限于當(dāng)時的科技條件，平臺的發(fā)展極為 緩慢。 海洋平臺的發(fā)展概況 國外海洋平臺的發(fā)展 第一座海洋平臺于 1887年建于美國加州海岸幾英尺深的水域中，它由陸地延伸到海上的油田上，實際上是一座木質(zhì)棧橋。是近年來發(fā)展起來的新結(jié)構(gòu)型式，具有明顯的優(yōu)點。這種平臺具有鉆井、采油、儲油等多種功能，水深在 200 米以內(nèi)均可采用，最佳水深為 100～ 150 米。從設(shè)計理論和建造技術(shù)來衡量，它都是一種最成熟和最通用的平臺型式。缺點是機(jī)動性能差 ,一經(jīng)下沉定位固定，則較難移位重復(fù)使用。 各類平臺的適用范圍 :活動式平臺，由于機(jī)動性能好 ,故一般均用于鉆井；坐底式平臺特別適合于淺海 (10 米左右及岸邊的潮間區(qū) )油田的鉆井和采油工作； 自升式平臺和半潛式平臺主要是供鉆井之 用，當(dāng)油田的規(guī)模很小而又不宜設(shè)置固定式平臺時，也可做采油用；活動式平臺整體穩(wěn)定性較差，對地基及環(huán)境條件有一定的要求。是一種新型的海洋平臺結(jié)構(gòu) ,其支承塔架下端著地，上端一般用 4～ 8 根鋼索張緊固定。施工時整座平臺在工廠建造，工作地點定位，適用于開采周期較短的深水井小型油田。纜索可豎向或斜向布置。上部結(jié)構(gòu)是浮體，通過收緊錨固在海底的纜索，使浮體的吃水深度比靜平衡狀態(tài)大一些，浮力大于浮體重力，剩余浮力由纜索的張力來平衡。因此，半潛式平臺是目前深海鉆井的主要裝置。它既可在 10～ 600 米深的海域工作 ,又能較好地適應(yīng)惡劣的海況，但其經(jīng)濟(jì)水深一般為 100～ 300 米。拖航時排出壓艙水，使下潛體浮在水面。主要由上部結(jié)構(gòu)、下潛體、立柱及斜撐組成，下潛體有靴式、矩形駁船船體式、條形浮筒式。一般都有自航能力，可在幾百米或上千米水深的海域工作，但對風(fēng)浪極為敏感，當(dāng)風(fēng)力超過 7～ 8級，波高超過 3～ 4 米時就要停止作業(yè)。 3. 浮動式平臺 鉆井船。船體平面形狀可以是三角形、矩形或五邊形，其特點是浮運方便 ,作業(yè)時穩(wěn)定性好，適用水深為 5～ 90 米。樁腿結(jié)構(gòu)可以是封閉殼體式，也可以是構(gòu)架 式。 自升式平臺分為插樁自升式和沉墊自升式。作業(yè)時平臺被樁腿支撐并抬升到海面以上。 自升式平臺。把水排出 ,平臺就能浮起，故這種平臺又有沉浮式之稱 ,要求沉得下，坐得穩(wěn)，浮得起。沉墊可以是整體式，也可以是分離式。最早的活動平臺采用鉆井駁船。此外，結(jié)構(gòu)的傾斜度，總沉降量及動力效應(yīng)都要求不超過限值。平臺要有足夠的整體穩(wěn)定性。 重力式平臺設(shè)計時應(yīng)防止基礎(chǔ)艙壁失穩(wěn)或壓壞。施工程序是；在干塢中建造基礎(chǔ)下部，至預(yù)定高度后向干塢中灌水，把已建成的基礎(chǔ)下部連同起重設(shè)備一起浮運至能避風(fēng)浪的深水區(qū)，并牢牢系泊，繼續(xù)建造基礎(chǔ)的上部及立柱，直至混凝土工程全部完成，再向基礎(chǔ)內(nèi)部灌水，使平臺下沉，然后將預(yù)制的平臺甲板構(gòu)件用駁船運到立柱上，使基礎(chǔ)排水，稍稍起浮，直至立柱恰好頂在平臺甲板的預(yù)定位置。分離式基礎(chǔ)由于基礎(chǔ)面積視地質(zhì)條件而定，立 柱的間距隨水深而變 ,故對地基和水深的適應(yīng)性很強(qiáng) ,可用于地質(zhì)條件較差的場合。以上三種重力式平臺適用于較深海域。 鋼 鋼筋混凝土重力式平臺。 鋼重力式平臺。沉墊也可采用平板分倉的蜂窩式結(jié)構(gòu)，其側(cè)表面可做成多波形或平板形?；A(chǔ)分整體式和分離式兩種。依靠自身重量維持穩(wěn)定的固定式海洋平臺。在自然條件惡劣的深水區(qū)，目前多采用導(dǎo)管架和塔架的組合方式。為減小擋水面積，樁均設(shè)置在腿柱內(nèi) ,排成圓形，樁頂與腿柱焊接，空隙內(nèi)灌入水泥漿，以防止薄壁腿柱發(fā)生局部壓屈，并使樁固定在腿柱下端。另一種適于軟土地基的樁基平臺。用于深海的導(dǎo)管架高度很大，整體運輸困難，可采用分段制造，分段下水連接而成。若樁的承載能力不能滿足要求時，可在立柱之間和角立柱的周圍增設(shè)鋼樁。導(dǎo)管架由導(dǎo)管（即立柱）和導(dǎo)管間的水平桿和斜桿焊接組成，鋼樁沿導(dǎo)管打入海底。導(dǎo)管架焊接管結(jié)點的設(shè)計是一個重要問題，有些平臺的失事，常由于管結(jié)點的破壞而引起。結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的剛度以防止嚴(yán)重振動，保證安全操作。在冰塊飄流的海區(qū)，應(yīng)盡量在水線區(qū)域（潮差段）減少或不設(shè)支撐，以免冰塊堆積。樁數(shù)、長度和樁徑由海底地質(zhì)條件及荷載決定?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)（即下部結(jié)構(gòu)）包括導(dǎo)管架和樁。甲板上布置成套鉆采裝置及輔助工具、動力裝置、泥漿循環(huán)凈化設(shè)備、人員的工作、生活設(shè)施和直升飛機(jī)升降臺等。由上部結(jié)構(gòu)（即平臺甲板）和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)組成。 固定式平臺 固定式 海洋平臺防護(hù) 方案 的設(shè)計與建模分析 8 1. 樁基式平臺 導(dǎo)管架型平臺?；顒邮狡脚_浮于水中或支承于海底，能從一井位移至另一井位，接支承情況可分為著底式和浮動式兩類。按其結(jié)構(gòu)特性和工作狀態(tài)可分為固定式、活動式和半固定式三大類。 海洋平臺的分類 海洋蘊(yùn)涵如此豐富的資源，如何將其開發(fā)出來供人類所用，就成為了各國尤其是沿海國家的重要課題。海洋平臺的疲勞和損傷主要表現(xiàn)在海洋平臺裂縫尺寸不斷的擴(kuò)展，嚴(yán)重時會導(dǎo)致整個平臺的倒垮，給人類帶來不可估量的風(fēng)險和災(zāi)害，因此，海洋平臺的建設(shè)必須要特別注意它的安全性，在建設(shè)過程中，要考慮到于海洋平臺的安全涉及到的各個方面，不要局限于一點。 風(fēng)險大。所以，必須建立安全的海洋平臺防護(hù)系統(tǒng)，確保平臺的安全，這是海洋工程健康發(fā)展的十分必要條件，也是可行的。海洋平臺、海洋工程主要是以海洋科學(xué)為基礎(chǔ)，主要是用來開發(fā)和利用海洋各種資源，建立的一系列工程結(jié)構(gòu)物，以及為完成這一任務(wù)所需的技術(shù)和儀器設(shè)備。因此研究海洋平臺的開發(fā)和利用具有十分重要的含義。隨著海洋事業(yè)的不斷發(fā)展，各種海洋工程設(shè)備的不斷完備，海洋平臺結(jié)構(gòu)的研發(fā)和建設(shè)也被國內(nèi)外科研界和生產(chǎn)界越來越重視。海洋工程是以開發(fā)和利用各種海洋資源為目的而存在和建造的一系列的工程結(jié)構(gòu)物，還包括為了完成這些科研、任務(wù)、開發(fā)等所需的一系列的技術(shù)平臺和設(shè)備儀器。海洋工程的啟動和研發(fā)則是以海洋科學(xué)為基礎(chǔ)的。以定性分析為主，通過定量模型進(jìn)行考證。依據(jù)海洋平臺、海浪等基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)，結(jié)合海洋平臺的實際需求，進(jìn)行設(shè)計建模，使文章更有說服力和實踐意義。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，并通過對海洋平臺的考察，獲得研究的第一手資料，這樣可以在現(xiàn)有的理論的基礎(chǔ)上，對觀察到的事實進(jìn)行分析研究，形成自己的結(jié)論。 第五部分對全文進(jìn)行總結(jié)，并對研究中存在的問題，和對未來前景的展望。 第四部分主要是海洋平臺防護(hù)系統(tǒng)的構(gòu)建與建模計算，這個部分是對第三部分的充實和實證，通過這個部分，使本文更有說服力和意義。 固定式 海洋平臺防護(hù) 方案 的設(shè)計與建模分析 6 第二部分主要概述海洋平臺防護(hù)的相關(guān)概念，這部分主要對海洋平臺的定義、海洋平臺的分類、海洋平臺的發(fā)展進(jìn)程、以及海洋平臺防護(hù)減震進(jìn)行分析，這部分是文章的基礎(chǔ)部分，通過這個部分的分析可以更清楚的認(rèn)識海洋防 護(hù)系統(tǒng)，為下文的研究奠定了基礎(chǔ)。 研究的內(nèi)容和方法 研究的內(nèi)容 海洋平臺防護(hù)系統(tǒng)建設(shè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建設(shè)體積龐大，建設(shè)造價昂貴，加上海洋結(jié)構(gòu)比陸地結(jié)構(gòu)復(fù)雜和惡劣，風(fēng)、海浪、海流、海冰和潮汐等作用，時時對 海洋防護(hù)平臺進(jìn)行破壞，嚴(yán)重時海洋平臺受到地震威脅，在這種情形下，對于海洋防護(hù)平臺的研究，就顯得非常重要。如何構(gòu)建安全的海洋平臺，避免海洋平臺的斷裂、失控等重大事件的發(fā)生，最大限度地發(fā)揮結(jié)構(gòu)潛 能，延長平臺的使用壽命，這是很多業(yè)主非常關(guān)心和重視的，這也是很多海洋平臺工作者關(guān)注的重點工作。 海洋防護(hù)平臺的建設(shè)，必須考慮到海洋自身的惡劣環(huán)境，并且要考慮各種載荷的交互作用，以及疲勞失效等因素，盡量避免海洋平臺結(jié)構(gòu)失效造成危害。雖然為了節(jié)約投資，增加經(jīng)濟(jì)效益，繼續(xù)使用這些平臺，但是最大的安全問題不得不去考慮。目前國內(nèi)外很多的海洋防護(hù)平臺已進(jìn)入或正在進(jìn)入后期服役階段，呈現(xiàn)老齡化平臺，有的海洋防護(hù)平臺已經(jīng)出現(xiàn)超齡服役階段，由于海洋平臺的造價十分昂貴，一般從經(jīng)濟(jì)性考慮，在實踐過程中，盡可能讓海洋平臺服役期延長。海洋平臺防護(hù)系統(tǒng)建設(shè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴，平臺建設(shè)必須確保安全可靠，避免事故的發(fā)生。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。 研究的意義 海洋平臺是海洋石油天然 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。對于海洋平臺的優(yōu)化，主要有 3 個層次 :一是選型優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)化，二是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)化、三是可靠性優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)化，本文將主 要對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行展開探討，希望通過自己的設(shè)想，尋找一個可靠的設(shè)計模型。面對海洋平臺防護(hù)給人類和社會帶來的慘痛的教訓(xùn)，我們不得不加倍地投資和努力去研究海洋平臺，找出其中的關(guān)鍵問題，提高海洋平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計、維護(hù)和安全，確保人類得到更加安全的防護(hù)。 啟示 海洋平臺防護(hù)系統(tǒng)建設(shè)是一個十分復(fù)雜的工程系統(tǒng)，很多的學(xué)者進(jìn)行了研究，并且提出了她們的意見和建議。 翟剛軍（ 2020）、通過運用多級模糊優(yōu)選的方法對我國近海導(dǎo)管架平臺進(jìn)行了選型優(yōu)化研究，并且設(shè)計了較為理想的平臺型式。 隨著數(shù)學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展，數(shù)學(xué)優(yōu)化方法在海洋工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化中不斷得到運用。他們對于 斷裂力學(xué)方法的運用，使海洋平臺用鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展可以很好的得到掌握，并且對裂紋擴(kuò)展曲線取得了相關(guān)的數(shù)據(jù)效 果分析。疲勞破壞是海洋工程結(jié)構(gòu)主要的失效原因之一。戴大農(nóng)（ 1986）運用三維等參元和三維相對自由度殼元的組合模型和子結(jié)構(gòu) 技術(shù)對海洋平臺管節(jié)點的應(yīng)力進(jìn)行了有限元分析。 過玉卿（ 1985）指出了“三峰谷計數(shù)原則”，并用這個原則代替了以前的“四峰谷計數(shù)原則”，這個原則在對海洋平臺的防護(hù)研究中，計算雨流法顯的比較簡便。為了使海洋平臺防護(hù)建設(shè)的昂貴的費用可以積極的發(fā)揮安全長期地運營，很多的專家和學(xué)者對海洋平臺諸多方面進(jìn)行了研究，并且設(shè)計了很多種平臺防護(hù)系統(tǒng)。比如， Mortagavi， M， M 指出海浪的無規(guī)則運動固定式 海洋平臺防護(hù) 方案 的設(shè)計與建模分析 4 引起的波浪載荷是隨機(jī)的，而材料性能的分散性和材料性能測試不確定性所造成的海洋平臺結(jié)構(gòu)疲勞也是隨機(jī)的，加上計算中的一些假設(shè)和簡化造成的計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)真實內(nèi)力之間的誤差也是隨機(jī)的。 不過國外的這些理論研究，都是在確定性的條件下進(jìn)行分析的，這些因素的計算都有確定的數(shù)值支撐。 （ 1990）對于海洋防護(hù)工程的結(jié)構(gòu)的疲勞破壞進(jìn)行了大量的研究，他采用 Miner 線性累積損傷理論和S 一曲線來計算海洋平臺結(jié)構(gòu)的疲勞損傷和壽命長度。 （ 1985）通過對海洋平臺防護(hù)系統(tǒng)的研究，提出了自升式防護(hù)平臺，他對深水惡劣的環(huán)境進(jìn)行了分析，指出了深水處的動力響應(yīng)，他通過計算指出了動力響應(yīng)的不確定性，這些不確定性主要與波峰模型、 Morison 公式和阻尼三者有著重要的關(guān)系。 Morison（ 1951）和他的同事通過大量試驗與理論研究，提出了世界著名的 Morison 公式，用這個公式來計算平臺樁腿波浪力，這個公式很受各國學(xué)者歡迎，并且至今一直在沿用。因此，對于海洋平臺控制系統(tǒng)的研究，將有利于延長海洋平臺服役壽命和提高其可靠度，同時也可以設(shè)計新的模型，用來加強(qiáng)或修復(fù)整體性能衰減的海洋結(jié)構(gòu)物。不過目前還沒有簡單、有效的海洋平臺構(gòu)建技術(shù)可以準(zhǔn)確地辨識海洋平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力特性。 面對海洋平臺結(jié)構(gòu)的風(fēng)險和建設(shè)的眾多困難，我們應(yīng)該一方面積極開發(fā)主要設(shè)施的建設(shè)，同時面對海洋惡劣環(huán)境，必須對海洋平臺進(jìn)行優(yōu)化，制定一 套安全保證保障技術(shù)。 6. 計算時目標(biāo)函數(shù)面臨多樣性 對海洋平臺的計算時，目標(biāo)函數(shù)既有平臺重量、平臺造價、平臺抗振性能、平臺穩(wěn)定特性，還要考慮海洋平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性等等，這樣在計算過程中就會造成很復(fù)雜的多樣性函數(shù)出現(xiàn) 。 4. 海洋平臺結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多變性 由于海洋環(huán)境惡劣，海洋平臺上經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)備移動，引起的荷載變化，海洋平臺在長期使用過程中也 面臨著腐蝕、疲勞、損傷加上海洋生物的附著等等，使得海洋平臺結(jié)構(gòu)每時每西南石油大學(xué)碩士研究生學(xué)位論文 3 刻都在變化。 2. 海 洋平臺結(jié)構(gòu)體系大，并且復(fù)雜 海洋平臺結(jié)構(gòu)一般包括上部結(jié)構(gòu)，水下結(jié)構(gòu)，儲油設(shè)施與地基基礎(chǔ)等等，這些結(jié)構(gòu)占據(jù)面積大，設(shè)備眾多，因此考慮時要面臨眾多問題的分析。因此，應(yīng)該對現(xiàn)在的海洋平臺進(jìn)行優(yōu)化，將先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計方法應(yīng)用到平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計中去，不過，海洋平臺作為多功能的結(jié)構(gòu)體系，其優(yōu)化設(shè)計面臨諸多困難，主要表現(xiàn)在 : 1. 海洋環(huán)境荷載多樣，存在隨機(jī)特性 海洋環(huán)境荷載包括海風(fēng)、海浪、海流、海冰和地震等眾多的荷載，以及海洋平臺結(jié)構(gòu)自身的變形，船舶的撞擊和溫度的影響。因此，如何建立安全可靠的海洋平臺防護(hù)系統(tǒng)，減輕平臺的振動，提高結(jié)構(gòu)物的安全性和可靠度，延長海洋平臺的使用壽命，這將是保證海洋結(jié)構(gòu)物上的作業(yè)人員的舒適感等問題已成為當(dāng)務(wù)之急。振動的存在，不但加劇了海洋平臺的疲勞破壞速度，也降低了平臺的安 全性和可靠性，同時，由于一些海洋平臺的振動幅度過大，就無法滿足工作人員的基本生活要求。 固定式 海洋平臺防護(hù) 方案 的設(shè)計與建模分析 2 圖 11 CII 平臺照片 海洋平臺是海洋石油、天然氣等資源開發(fā)的基礎(chǔ)性設(shè)施，是石油和天然氣開發(fā)必須的設(shè)備，也是海上生產(chǎn)作業(yè)和生活的基地。由于結(jié)構(gòu)本身的原因， CII 平臺投產(chǎn)后不久，生活平臺的振動問題逐漸暴露了出來，特別是在冬季風(fēng)浪較大時，其劇烈的振動令平臺上的工作人員感到不安，擔(dān)心 平臺疲勞累積而損壞。 1977 年 Frazer 采用網(wǎng)格計算法，計算出太平洋的