【正文】 果在設計過程中，還是按照傳統(tǒng)的確定性去設計分析，那么海洋平臺就會出現(xiàn)無法勝任的局面。同時，海洋環(huán)境變化無常，造成了海洋荷載變化隨機。 3. 海洋平臺結構系統(tǒng)存在非線性性質 海洋平臺結構復雜，和他所處的環(huán)境有著直接的關系，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構也存在非線性，加上強震或強風暴等極端荷載作用，讓海洋結構平臺結構產生極值位移的彈塑性響應。 5. 海洋平臺設計準則和設計方法多重選擇 在對海洋平臺的設計過程中，既有屈服準則、屈曲準則，又有疲勞準則、開裂準則等，還要面對有確定性優(yōu)化設計方法和那些不確定性優(yōu)化設計方法，現(xiàn)在沒有統(tǒng)一的標準，使得在設計過程中，選擇復雜，難以統(tǒng)一。 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。要想開發(fā)海洋平臺的有效的控制理論和系統(tǒng)，就必須去充分了解海洋環(huán)境激振載荷的動力特征以及海洋平臺結構系統(tǒng)的動力響應特性。加上海洋平臺結構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。 研究的現(xiàn)狀 國外研究的現(xiàn)狀 Dario Botte（ 1997）在對于海洋平臺防護系統(tǒng)探究中指出，海洋平臺防護所受載荷主要集中在風、浪、流等環(huán)境載荷上，尤其是波浪載荷對平臺的承載。 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構在非線性時域內的響應基礎上，通過建立 ANSYS 非線性有限元模型，來計算平臺整體結構的極限強度和剩余強 度。 對于疲勞問題的研究，在上個世紀 60年代就引起了很多學者的關注，為此，世界各國海洋平臺建立了各自的疲勞強度校核方法與應力范圍標準。 Tao xu（ 1997）對于海洋防護工程結構的疲勞強度、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。而事實上，海洋平臺防護工程結構的疲勞受大量不確定因素制約，相當?shù)膹碗s，并且這些影響因素又是隨機影響的。 國內研究現(xiàn)狀 趙德廷 [1998]針對海洋防護平臺結構提出，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構、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，各種結構失效經常發(fā)生，造成海洋平臺事故嚴重。 竺艷蓉（ 1991）在對于 海洋平臺防護系統(tǒng)探究中指出波浪載荷與波浪理論有著密切相關性，在實際研究中，常用的波浪理論有線性理論、坦谷波理論和橢圓余弦波理論，對于海洋防護工程的研究，主要是利用 stokes 擴展的有限波幅理論。在對于海洋平臺防護結構的應力研究上，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。 對于海洋平臺的防護研究中，金屬機械結構的斷裂引起了很多專家和學者的關注，在他們的研究過程中，張世聯(lián)（ 1994）指出，海洋平臺防護有 80%以上是由疲勞引起的。 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)點的疲勞強度相關的因素，并指出了對裂紋擴展數(shù)據(jù)的處理方法。 朱啟憲（ 1991）在他的研究中從實用的觀點敘述了有關海洋平臺可靠性設計的主要問題和采用可靠性安全系數(shù)法的主要步驟。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構型式，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，經過實踐分析，計算，建立了平臺的最優(yōu)型式。 國內外的這些研 究為海洋平臺防護系統(tǒng)的建設提供了很好的理論指導，不過這些理論定性分析較多，定量研究較少，并且缺乏一定的可操作性，因此這些研究需要進一步的深入完善，結合海洋平臺自身的特色進行分析，提出更加可靠安全持久耐用的海洋平臺防護系統(tǒng)。海洋平臺防護系統(tǒng)建設中，如果結構的某一部分失效，就有可能造成整個平臺的倒塌，造成很多人員和財產的重大損失，國內外發(fā)生了很多的海洋平臺事故，造成了重大的經濟損失和不良的社會影響 。 筆者認為海洋平臺結構復雜、造價昂貴，面對現(xiàn)有的海洋平臺，我們應該進行結構優(yōu)化，設計出一個經濟實惠安全耐用的安全防護方案是十分必要的，這樣還可以推動海洋平臺結西南石油大學碩士研究生學位論文 5 構設計理論的發(fā)展，為海洋平臺防御的安全提供一個科學可靠的保證。 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，也是海洋工程結構學科的發(fā)展和國民經濟建設的實際需要，面對海洋平臺防護這一投資高、風險大的大型復雜結構系統(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。海洋平臺長期處于惡劣的海洋環(huán)境中，受風、浪、流、海冰、地震等自然環(huán)境作用，由于環(huán)境荷載的重復性和惡劣性，使海洋平臺在使用過程中存在明顯持續(xù)不斷的振動問題．這種長期性的作用會造成海洋平臺的振動從而加劇平臺的疲勞破壞、降低系統(tǒng)的可靠度，給生產、生活帶來諸多不利影響。 在實踐過程中，為了構建健康安全的海洋平臺，需要投資 昂貴的費用。海洋平臺一旦遭到破壞，就會帶來不可估量的經濟損失，因此，海洋平臺防護系統(tǒng)的建設，必須保證其在服役期內的安全性。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量問題就面臨著很大的風險。如何建設更加安全經濟的海洋防護平臺，將成為很多國家學者研究的關鍵問題。海洋平臺構建，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)。 本文的研究就是希望通過自己的機械專業(yè)所學的知識，結合力學、機械學、海洋學等知識，涉及構建一個安全、經濟實惠的安全防護系統(tǒng)，提高海洋防護系統(tǒng)的安全性，為我國的海洋防護增加一份力量，同時也對我國海洋安全生產研究具有及其重大的意義與作用。本文首先對海洋防護平臺的相關理論知識進行分析，接著分析海洋平臺防護系統(tǒng)的原理和關鍵技術，最后提出建模實證分析，本文的研究內容如下： 第一部分是緒論，主要分析本文研究的背景、研究的現(xiàn)狀、研究的內容、研究的方法。 第三部分主要講海洋平臺防護系統(tǒng)構建的原理及關鍵技術，這部分是本文研究重點，也是本文的關鍵部分，這部分首先分析海洋平臺的物理性質、海浪的相關知識，這為研究海洋平臺的設計原理提供理論基礎，然后根據(jù)海洋防護平臺物理性質和海浪的特點，設計出安全、可靠的海洋防護系統(tǒng)，提出設計的原理功效、思路等，并且指出設計的關鍵基礎。這個部分首先提出海洋平臺防護系統(tǒng)的構建，然后是 建模計算。 研究的方法 本文擬采取的研究方法： 理論研究與實地調研相結合的方法。 理論分析與實例分析相結合的研究方法。 定量研究與定性研究相結合的方法。 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。 要明白海洋平臺，首先需要明白海洋工程。 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構物 。海洋平臺設計的完善性和科學性直接關系到海洋油氣資源的開發(fā)利用的成本和效率。 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)和利用而產生的，它是海洋工程的一部分。 海洋平臺防護系統(tǒng)建設投資 巨大，面對海洋惡劣的生產環(huán)境，它必須面臨很多危險，一旦海洋平臺發(fā)生事故，就會給整個人類社會帶來巨大的損失和災難。 海洋平臺是海上石油勘探、海上開發(fā)和海上生產的條件，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； 。 海洋平臺結構及其復雜、自身的體積龐大 ,加上外在的海洋環(huán)境復雜和惡劣 ,使得海洋平臺材料易老化、構件缺陷和機械損傷以及疲勞和裂紋擴展等等，這些不利因素的影響往往會導致平臺結構衰減 ,降低了海洋平臺結構的服役安全度和耐久性。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 產的安全，建設中確保它的安全可靠。海洋平臺為在海上進行鉆井、采油、集運、觀測、導航、施工等活動提供生產和生活設施的構筑物。固定式平臺的下部由樁、擴大基腳或其他構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。近年來正在研究新穎的半固定 式海洋平臺，它既能固定在深水中，又具有可移性，張力腿式平臺即屬此類。在軟土地基上應用較多的一種樁基平臺。上部結構一般由上下層平臺甲板和層間桁架或立柱構成。平臺甲板的尺寸由使用工藝確定。樁支承全部荷載并固定平臺位置。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。對深海平臺，還需進行結構動力分析。并應考慮防腐蝕及防海生物附著等問題。管結點是一個空間結點，應力分布復雜；近年應用譜分析技術分析管結點的應力，取得較好的結果。打樁完畢后，在兩者的環(huán)形空隙 內用水泥漿等膠結材料固結，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。這種平臺施工時一般先在陸地上預制導管架 ,再用駁船拖運就位進行安裝 ,通過調節(jié)壓艙水使駁船傾斜，然后用卷揚機將導管架送入水中，由其自身浮力懸浮在水中，再向導管架立柱內灌水，同時用起重船把導管架豎立就位于海底井址，再將樁逐段連續(xù)打入海底土層固定。 塔架型平臺。由腿柱 （通常直徑達 6米）、水平桿和斜桿及大梁 (圓形或箱形 )組成。施工時將塔架側放并拖運就位 ,注入壓艙水，使塔架直立 ,然后打樁，最后安裝平臺甲板。 2. 重力式平臺 鋼筋混凝土重力式平臺。主要由上部結構、腿柱和基礎三部分組成。整體式基礎一般是由若干圓筒形的艙室組成的 大沉墊。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。也屬于分離式基礎型 ,由鋼塔和鋼浮筒組成，浮筒也兼作儲油罐。上部結構和腿柱用鋼材建造，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。整體式基礎多建造在密實的砂土上，避免建在松散砂或較厚的軟土地基上。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。最后把立柱與平臺甲板牢固地連在一起，形成平臺。當基礎兼做儲油罐時，應考慮由于內外溫差所產生的溫度應力?；A下邊可設有插入地基的裙板，防止基礎底座沿海底滑動。 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。后來隨著海洋石油鉆探水深的不斷增加 ,鉆井駁船進一步發(fā)展成坐底式平臺 ,它由沉墊、立柱和平臺甲板三部分組成 ,適用于水深為 5～ 30米而且海底比較平坦的場合。向沉 墊內灌水，平臺即下沉坐落在海底。中國建成的勝利一號平臺即屬淺海坐底式平臺。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。轉移時，把樁腿拔起，駁船式船體下降浮于水面，即可拖運到另一地點。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。樁腿升降機構，有電動液壓式和電動齒輪齒條式。這種平臺的應用較廣。把鉆井設備安裝在船體上，靠錨系或動力定位，在漂浮的狀態(tài)下鉆井。 半潛式平臺。其外形與坐底式平臺相似，上部結構 裝設全部鉆井機械、平臺操作設備以及物資儲備和生活設施、它是一個由頂板、底板、側壁和若干縱橫倉壁組成的空間箱形結構，水密性較高，能提供較大的浮力，作業(yè)時下潛體灌入壓艙水使其潛入水下一定深度，靠錨纜或動力定位。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。 在深水海域中開發(fā)石油時，坐底式鉆井平臺不能滿足要求；自升式平臺雖然使用水深較大，但不經濟；浮動式鉆井船可適用于較大水 深，然而受海況的影響，其開工率很低；而半潛式平臺既可在很深的海域工作，又較能適應惡劣的海況，有良好的運動特性。（見彩圖 21） 半固定式平臺 張力腿式平臺。當平臺受到擾動力時，纜索張力改變而產生彈性變形，因此，平臺只產生微量位移。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。 拉索塔式平臺。這種平臺用料少，工作水深大，適用于大深度水域。 固定式 海洋平臺防護 方案 的設計與建模分析 10 固定式平臺整體穩(wěn)定性好，剛度較大，受季節(jié)和氣候的影響較小 ,抗風暴的能力強。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（個別平臺超過 300米） ,是目前世界上使用最多的一種平臺。鋼筋混凝土重力式平臺是 70年代初開始發(fā)展起來的一種新型平臺結構，目前主要用于 歐洲的北海油田。 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）的平臺結構。但仍處于研究試制的階段。木質平臺樁基腐蝕嚴重，平臺使用壽命短。 鋼質導管架平臺于 1947年首次出現(xiàn)在墨西