基于ansys的坐底式平臺地震響應(yīng)分析

基于ansys的坐底式平臺地震響應(yīng)分析

0平臺使用需求底部平臺在運(yùn)行過程中支持在底部，可以下沉或發(fā)生漂浮。適用于極淺海域。目前,我國有多艘坐底式平臺分別在勝利油田和遼河油田海域進(jìn)行海上作業(yè)。勝利開發(fā)一號坐底式平臺于1992年投入使用,現(xiàn)設(shè)計(jì)使用年限15年已至,但由于生產(chǎn)的需求,需要繼續(xù)進(jìn)行服役。根據(jù)相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求,平臺的延期使用需要第三方機(jī)構(gòu)對其開展結(jié)構(gòu)安全評估工作。本文是勝利開發(fā)一號平臺延壽結(jié)構(gòu)安全評估工作的子課題。1管輸質(zhì)量的影響平臺地震響應(yīng)分析過程中,地震載荷應(yīng)和其他同時(shí)出現(xiàn)的荷載,如重力、功能性載荷和甲板載荷進(jìn)行組合。地震載荷主要是地震慣性力和動(dòng)水壓力,地震載荷計(jì)算采用地震響應(yīng)譜法。平臺為多質(zhì)點(diǎn)體系,平臺i質(zhì)點(diǎn)、j振型水平向的地震慣性力Pij按下式計(jì)算:Pij=CKHγjψijβjmig式中:γj為結(jié)構(gòu)j振型參與系數(shù);ψij為j振型、質(zhì)點(diǎn)i處的相對水平位移,m;βj為j振型、自振周期為Ti(s)時(shí)的相應(yīng)動(dòng)力放大系數(shù);mi為堆積在質(zhì)點(diǎn)i的質(zhì)量,kg;g為重力加速度,m/s2;KH為水平向地震系數(shù),當(dāng)設(shè)計(jì)烈度為8度時(shí)取0.2;C為綜合影響系數(shù),一般為0.35～0.5,取0.5。地震時(shí)任意向細(xì)長構(gòu)件水下部分所受到的動(dòng)水壓力P按下式計(jì)算:P=CKHβ(CM-1)vγsin2?(i,l)式中:υ為浸水部分的排水體積,m3;γ為流體的容重,kN/m3;?(i,l)為地震的振動(dòng)方向i與構(gòu)件l之間的夾角,rad;CM為慣性力系數(shù),取2.0;C、KH、β同上式中說明。對于動(dòng)水壓力作用,常采用將附連水質(zhì)量m0加到結(jié)構(gòu)單元質(zhì)量上一起計(jì)算,附連水質(zhì)量可用下式計(jì)算:m0=(CM-1)υρsin2?(i,l)式中:ρ為流體密度,kg/m3;其他符號同上式。地震時(shí),地面運(yùn)動(dòng)一般有兩個(gè)水平方向和一個(gè)豎直方向的振動(dòng),這3個(gè)方向不可能在結(jié)構(gòu)上同時(shí)產(chǎn)生最大響應(yīng)。因此在實(shí)際模擬計(jì)算中,對平臺結(jié)構(gòu)最不利的主軸方向取100%,對于與主軸垂直的水平方向取100%,對于與水平面垂直的方向取50%,用這3個(gè)方向的地震引起的慣性力和動(dòng)水壓力同時(shí)作用于平臺結(jié)構(gòu)即為平臺所受的地震載荷。2平臺主要參數(shù)本文以勝利開發(fā)一號平臺為例,使用有限元分析軟件ANSYS對其進(jìn)行地震響應(yīng)分析。勝利開發(fā)一號平臺主要參數(shù)為:長56m,寬26m,沉墊高2.0m,為提高其抗滑能力,結(jié)構(gòu)包括12根抗滑樁,采用Φ529×16(原壁厚12.7)D32高強(qiáng)度鋼,抗滑樁入泥深度為7m。平臺作業(yè)水深1.5～6.5m,沉墊入泥0.5m。2.1平臺儲罐的動(dòng)液系數(shù)勝利開發(fā)一號坐底式平臺的特點(diǎn)是平臺沉墊設(shè)有壓載艙,有限元分析計(jì)算過程中,壓載艙的質(zhì)量模擬對平臺的地震響應(yīng)影響較大,本次分析采用等價(jià)質(zhì)量的概念,在進(jìn)行模態(tài)和地震分析過程中,儲罐的等價(jià)質(zhì)量只考慮儲液的影響。Housner從理論上導(dǎo)出了儲液的等價(jià)質(zhì)量,已被國內(nèi)外抗震規(guī)范采用,其表達(dá)式為m2=Frmt,式中:m2為等價(jià)質(zhì)量,kg;mt為儲罐內(nèi)儲液總質(zhì)量,kg;Fr為動(dòng)液系數(shù)見下表1,表中Dt為儲罐底層的直徑,Hw為儲罐內(nèi)儲液高度。根據(jù)勝利開發(fā)一號平臺儲罐的底層直徑(Dt)和儲液高度(Hw),查閱上表,通過差值法計(jì)算出該平臺儲罐的動(dòng)液系數(shù)。其中甲板儲油罐的動(dòng)液系數(shù)為0.467。在進(jìn)行平臺自振特性計(jì)算和地震響應(yīng)分析時(shí),壓載艙和燃油儲罐的質(zhì)量模擬方式按照上述載荷模擬方式進(jìn)行,以MASS21質(zhì)量單元加載到模型中。2.2邊界條件的處理根據(jù)勝利開發(fā)一號平臺的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),結(jié)構(gòu)建模時(shí)選用BEAM188、PIPE59、PIPE16、SHELL63、MASS21等ANSYS程序自帶的單元類型,建立了勝利開發(fā)一號平臺有限元模型。該平臺為坐底式平臺,為提高其抗滑能力,平臺兩側(cè)設(shè)置了12根抗滑樁,在建模過程中,抗滑樁的軸向承載力不考慮,只考慮抗滑樁的水平向抗滑能力。因此抗滑樁下部的邊界條件不考慮樁與土之間的相互作用。PIPE59單元可用于模擬位于海水以上或浸沒于海水中,也可處于半浸沒狀態(tài)的平臺構(gòu)件。在初始狀態(tài),PIPE59單元模擬的節(jié)點(diǎn)不得進(jìn)入泥面以下0.125De,De為圓管的外徑加上2倍的海生物附著層厚度。對于泥面以下的結(jié)構(gòu),可用不計(jì)流體效應(yīng)的PIPE16單元模擬。沉墊底板選用SHELL63單元模擬,SHELL63單元在處理邊界條件時(shí),使用標(biāo)貫系數(shù),參照勝利油田的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù),本次計(jì)算中地基土壤標(biāo)貫系數(shù)取20MPa/m。SHELL63單元標(biāo)貫系數(shù)選項(xiàng)的引用大大減化了邊界條件的處理,為ANSYS軟件在海洋工程中的廣泛應(yīng)用提供了很好的基礎(chǔ)。平臺甲板選用BEAM188單元模擬。圖1是地震響應(yīng)譜分析有限元模型。平臺的結(jié)構(gòu)自重由ANSYS程序自動(dòng)生成,為了準(zhǔn)確模擬該平臺的自振特性,在進(jìn)行模態(tài)計(jì)算和地震分析時(shí),功能性載荷以質(zhì)量單元MASS21的形式加入模型中,并和平臺上對應(yīng)的單元耦合。甲板載荷,包括設(shè)備、生活樓、吊機(jī)等以質(zhì)量單元加入到模型中去,從而更準(zhǔn)確地模擬平臺的自振特性和地震響應(yīng)分析。模擬計(jì)算采用國際通用的結(jié)構(gòu)有限元分析軟件ANSYS8.0進(jìn)行。2.3計(jì)算基礎(chǔ)(1)地震烈度設(shè)計(jì)烈度8度。(2)地震響應(yīng)譜曲線采用文獻(xiàn)中三類場地土的地震響應(yīng)譜曲線。2.4平臺自擾特性的計(jì)算結(jié)果分析2.4.1自振周期分布自振特性計(jì)算結(jié)果取前10階振型數(shù)據(jù)。該平臺自振周期較小,一階振型自振周期0.2201s,二階振型自振周期0.1902s,與設(shè)計(jì)波高對應(yīng)的波周期相距甚遠(yuǎn),各階振型自振周期與頻率見表2。2.4.2到甲苯儲油罐的振型平臺1至4階振型圖見圖2～圖5。從振型圖可以看出第1階振型由于受到甲板儲油罐的影響,振型表現(xiàn)為z方向的振動(dòng),第2階振型為沿x方向的平移振動(dòng),第3階振型為沿y方向的平移振動(dòng),第3階開始產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。其他各階振型顯示的是由于各壓載艙的影響而產(chǎn)生的局部z向位移變化。2.5平臺地震響應(yīng)譜分析2.5.1甲苯油罐底部不在8度地震烈度情況下平臺地震響應(yīng)位移不大,最大位移為16.75mm,發(fā)生在平臺甲板上油罐的底部(見圖6)。表3為各不同方向出現(xiàn)最大位移的節(jié)點(diǎn)和位移。2.5.2平臺支護(hù)結(jié)構(gòu)工程按照文獻(xiàn)中構(gòu)件強(qiáng)度與穩(wěn)定性校核公式計(jì)算平臺地震響應(yīng)譜分析的構(gòu)件強(qiáng)度和穩(wěn)定性。圖7～圖10分別為地震工況下不同單元類型的強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核結(jié)果。強(qiáng)度和穩(wěn)定性校核結(jié)果表明:地震工況下平臺構(gòu)件最大折算應(yīng)力為103.71MPa,最大穩(wěn)定性應(yīng)力為192.51MPa,最大剪應(yīng)力為10.33MPa,所有構(gòu)件強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。由于甲板儲油罐質(zhì)量較大的緣故,儲油罐底部甲板和支撐受力較大。參考文獻(xiàn),平臺地震響應(yīng)分析的許用應(yīng)力可以比靜力分析許用應(yīng)力提高30%,通過對平臺鋼材的資料研究,勝利開發(fā)1號平臺所用鋼材許用應(yīng)力為0.6×315MPa×1.333=246MPa。計(jì)算結(jié)果表明地震響應(yīng)分析各構(gòu)件實(shí)際應(yīng)力小于許用應(yīng)力,可以繼續(xù)服役。3平臺結(jié)構(gòu)分析(1)本文采用SHELL63單元模擬坐底式平臺的壓載艙結(jié)構(gòu),通過輸入標(biāo)貫系數(shù)簡化了平臺的邊界條件處理,有利于有限元分析軟件ANSYS在海洋工程結(jié)構(gòu)計(jì)算中的廣泛