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)計使用年限15年已至,但由于生產(chǎn)的需求,需要繼續(xù)進行服役。根據(jù)相關(guān)規(guī)范標準的要求,平臺的延期使用需要第三方機構(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)和其他同時出現(xiàn)的荷載,如重力、功能性載荷和甲板載荷進行組合。地震載荷主要是地震慣性力和動水壓力,地震載荷計算采用地震響應(yīng)譜法。平臺為多質(zhì)點體系,平臺i質(zhì)點、j振型水平向的地震慣性力Pij按下式計算: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i處的相對水平位移,m;βj為j振型、自振周期為Ti(s)時的相應(yīng)動力放大系數(shù);mi為堆積在質(zhì)點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)計烈度為8度時取0.2;C為綜合影響系數(shù),一般為0.35～0.5,取0.5。地震時任意向細長構(gòu)件水下部分所受到的動水壓力P按下式計算: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)量上一起計算,附連水質(zhì)量可用下式計算: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,地面運動一般有兩個水平方向和一個豎直方向的振動,這3個方向不可能在結(jié)構(gòu)上同時產(chǎn)生最大響應(yīng)。因此在實際模擬計算中,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個方向的地震引起的慣性力和動水壓力同時作用于平臺結(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平臺儲罐的動液系數(shù)勝利開發(fā)一號坐底式平臺的特點是平臺沉墊設(shè)有壓載艙,有限元分析計算過程中,壓載艙的質(zhì)量模擬對平臺的地震響應(yīng)影響較大,本次分析采用等價質(zhì)量的概念,在進行模態(tài)和地震分析過程中,儲罐的等價質(zhì)量只考慮儲液的影響。Housner從理論上導(dǎo)出了儲液的等價質(zhì)量,已被國內(nèi)外抗震規(guī)范采用,其表達式為m2=Frmt,式中:m2為等價質(zhì)量,kg;mt為儲罐內(nèi)儲液總質(zhì)量,kg;Fr為動液系數(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,通過差值法計算出該平臺儲罐的動液系數(shù)。其中甲板儲油罐的動液系數(shù)為0.467。在進行平臺自振特性計算和地震響應(yīng)分析時,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,結(jié)構(gòu)建模時選用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)點不得進入泥面以下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,使用標貫系數(shù),參照勝利油田的地質(zhì)勘探數(shù)據(jù),本次計算中地基土壤標貫系數(shù)取20MPa/m。SHELL63單元標貫系數(shù)選項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程序自動生成,為了準確模擬該平臺的自振特性,在進行模態(tài)計算和地震分析時,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、吊機等以質(zhì)量單元加入到模型中去,從而更準確地模擬平臺的自振特性和地震響應(yīng)分析。模擬計算采用國際通用的結(jié)構(gòu)有限元分析軟件ANSYS8.0進行。2.3計算基礎(chǔ)(1)地震烈度設(shè)計烈度8度。(2)地震響應(yīng)譜曲線采用文獻中三類場地土的地震響應(yīng)譜曲線。2.4平臺自擾特性的計算結(jié)果分析2.4.1自振周期分布自振特性計算結(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)計波高對應(yīng)的波周期相距甚遠,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,第2階振型為沿x方向的平移振動,第3階振型為沿y方向的平移振動,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)點和位移。2.5.2平臺支護結(jié)構(gòu)工程按照文獻中構(gòu)件強度與穩(wěn)定性校核公式計算平臺地震響應(yīng)譜分析的構(gòu)件強度和穩(wěn)定性。圖7～圖10分別為地震工況下不同單元類型的強度和穩(wěn)定性校核結(jié)果。強度和穩(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,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。計算結(jié)果表明地震響應(yīng)分析各構(gòu)件實際應(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)計算中的廣泛