新型桩基混凝土梁板式海洋平台动力响应与疲劳特性研究
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摘要
我国虽有漫长的海岸线，沿海大陆架的石油资源储量也较丰富，但随着近些年全球对能源需求的急剧扩张，原本被认为开发价值不大的浅海油田也越来越受到重视。由于环境政策的限制性，造价的经济可行性和结构强度的可靠性等要求，开发一种专门针对浅海地区(水深3~10m)的新型结构解决上述问题非常有研究意义，且社会效益大。
本文以某项目的可行性研究为背景，对新型高桩混凝土梁板式海洋平台结构的设计方法，冰激振动响应分析、地震反应谱分析和疲劳特性分析进行了研究。本文的主要工作包括以下几个方面：
1.结合国内外海洋钻井平台和港口码头规范、标准和文献等，共设计了结构断面桩距为6.5m和10.5m的100m×100m的两个单平台结构，两个60m×50m和一个100m×40m的小平台组成的组合平台结构。由于篇幅原因，本文仅对60m×50m平台进行设计介绍。
2.研究了静冰荷载，冰激振动和改进Matlock模型，得到一个周期性动冰荷载，并使用P-y曲线法建模分别进行了动静冰荷载的有限元计算分析，比较了两者的计算结果差异和联系。
3.研究了地震静荷载，地震谱，地震波及随机地震振动法，并采用m法建模分别进行有限元的地震拟静力计算和地震反应谱分析，比较了两者的计算结果差异和联系。
4.对新型平台的钢管桩进行了动冰荷载的疲劳特性分析，对比不同荷载幅值和不同周期情况下钢管桩最危险位置的应力疲劳，结合疲劳分析的基本理论，使用雨流法程序统计所提取出的时程应力得到应力的幅值和循环次数，计算得到疲劳强度，判断疲劳强度是否满足，最后再根据S-N曲线计算得到疲劳寿命。
Though there is a long coastline in China, and there is abundant in oil resources incoastal continental shelf, with global energy demand of rapid expansion in recentyears, more and more attention need to be addressed to which was considered of littlevalue to develop the shallow oil field. However, due to restrictive environmentalpolicies, and the economic feasibility of the cost structure, and the reliability ofstrength, so creating a new structure aiming at shallow areas (water depth of 3 ~ 10m)to solve the above problem has a great significance, and brings great social benefits.In this paper, based on a feasible research of project, I explore the design’s methodology, iceinducedvibration, fatigue analysis and seismic response characteristics of spectral analysis for anew platform structure– concrete slabs and beams platform on standing pile. The mainwork of this study includes the following:
1. Combination of domestic and foreign norms, standards and documentation of the offshoredrilling platforms and the port, I designed two types of platforms: one is two single-platforms for100m×100m whose distance of vertical piles are 6.5m and 10.5m, and the other is acombinatorial platform form two platform for 60m×50m and one for 100m×40m. For lack ofspace, this study only introduces the design condition of 60m×50m platform.
2. Study on static ice load, ice-induced vibration and improve Matlock model to obtain acyclical dynamic ice loads. With the P-y curve method, carry out the finite elementanalysis on the model with static and dynamic ice load, and compare the differenceand connection between the results.
3. Study of the static load earthquake, seismic spectrum, Seismic waves and random seismicvibration. With the M law, analyse the earthquake and its response spectrum based onthe finite element models, and compare the difference and connection between theresults.
4. Analyse the fatigue properties of the new platform for the steel pipe due to the dynamic iceload, and compare the fatigue stresses in the most dangerous steel pipe among different loadamplitudes and load cycles, Combined with the basic theory of fatigue analysis, with rainflowmethod, calculate the fatigue strength to determine whether to meet the strengthand fatigue life in accordance with S-N curves based on the obtained statistical stressamplitudes and cycles.
本文以某项目的可行性研究为背景，对新型高桩混凝土梁板式海洋平台结构的设计方法，冰激振动响应分析、地震反应谱分析和疲劳特性分析进行了研究。本文的主要工作包括以下几个方面：
1.结合国内外海洋钻井平台和港口码头规范、标准和文献等，共设计了结构断面桩距为6.5m和10.5m的100m×100m的两个单平台结构，两个60m×50m和一个100m×40m的小平台组成的组合平台结构。由于篇幅原因，本文仅对60m×50m平台进行设计介绍。
2.研究了静冰荷载，冰激振动和改进Matlock模型，得到一个周期性动冰荷载，并使用P-y曲线法建模分别进行了动静冰荷载的有限元计算分析，比较了两者的计算结果差异和联系。
3.研究了地震静荷载，地震谱，地震波及随机地震振动法，并采用m法建模分别进行有限元的地震拟静力计算和地震反应谱分析，比较了两者的计算结果差异和联系。
4.对新型平台的钢管桩进行了动冰荷载的疲劳特性分析，对比不同荷载幅值和不同周期情况下钢管桩最危险位置的应力疲劳，结合疲劳分析的基本理论，使用雨流法程序统计所提取出的时程应力得到应力的幅值和循环次数，计算得到疲劳强度，判断疲劳强度是否满足，最后再根据S-N曲线计算得到疲劳寿命。
Though there is a long coastline in China, and there is abundant in oil resources incoastal continental shelf, with global energy demand of rapid expansion in recentyears, more and more attention need to be addressed to which was considered of littlevalue to develop the shallow oil field. However, due to restrictive environmentalpolicies, and the economic feasibility of the cost structure, and the reliability ofstrength, so creating a new structure aiming at shallow areas (water depth of 3 ~ 10m)to solve the above problem has a great significance, and brings great social benefits.In this paper, based on a feasible research of project, I explore the design’s methodology, iceinducedvibration, fatigue analysis and seismic response characteristics of spectral analysis for anew platform structure– concrete slabs and beams platform on standing pile. The mainwork of this study includes the following:
1. Combination of domestic and foreign norms, standards and documentation of the offshoredrilling platforms and the port, I designed two types of platforms: one is two single-platforms for100m×100m whose distance of vertical piles are 6.5m and 10.5m, and the other is acombinatorial platform form two platform for 60m×50m and one for 100m×40m. For lack ofspace, this study only introduces the design condition of 60m×50m platform.
2. Study on static ice load, ice-induced vibration and improve Matlock model to obtain acyclical dynamic ice loads. With the P-y curve method, carry out the finite elementanalysis on the model with static and dynamic ice load, and compare the differenceand connection between the results.
3. Study of the static load earthquake, seismic spectrum, Seismic waves and random seismicvibration. With the M law, analyse the earthquake and its response spectrum based onthe finite element models, and compare the difference and connection between theresults.
4. Analyse the fatigue properties of the new platform for the steel pipe due to the dynamic iceload, and compare the fatigue stresses in the most dangerous steel pipe among different loadamplitudes and load cycles, Combined with the basic theory of fatigue analysis, with rainflowmethod, calculate the fatigue strength to determine whether to meet the strengthand fatigue life in accordance with S-N curves based on the obtained statistical stressamplitudes and cycles.
引文
[1]何生厚，洪学福，浅海固定式平台设计与研究，北京：中国石化出版社，2003：1~2，69~81
[2]张凤成，中国海洋石油和天然气产业发展战略研究，国土与自然资源研究，2007(1)：13~14
[3]张方俭，我国的海冰灾害及其防御，海洋学报，1994，Vol，13，No.5：75~83
[4]佟建峰，冰力函数的幅频特性分析：[硕士学位论文]，天津；天津大学，2001
[5]黄炎，冰激海洋平台振动的动力模型试验研究：[博士学位论文]，天津；天津大学，2004
[6]Tuomo karma,Qu Yan.A New Spectral Method for Modeling Dynamic IceActions.Proceedings of OMAE,04,23rd International Conference on OffshoreMechanics and Arctic Engineering,2004:8~16
[7]岳前进，毕祥军，于晓等，锥体结构的冰激振动与冰力函数，土木工程学报，2003，36(2)：16~19
[8]陈镕，曹国敖，海洋平台地震响应分析，中国海洋平台，1997，12(4)
[9]李家怪，潘如钧，王立宇等，浅水导管架平台的抗地震分析，海洋工程，1984(1)：18~32
[10]汪庠宝，韩继文，自升式海上钻井平台结构的模态分析及地震反应的谱分析，海洋工程，1988(11)：1~8
[11]曹国敖，裴多利，多自由度海洋结构随机地震响应的近似计算方法，地震工程与工程振动，1991，11(1)：30~36
[12]金伟良等，地震荷载作用下海洋平台结构物动力可靠分析，浙江大学学报(工学版)，2002，36(3)：233~238
[13]M G Hallam,N J Heaf,L R Wootton,Dynamics of marine structures,海洋出版社,1984(中译本)
[14]Novak M,Dynamic stiffness and damping of pile,Can Geotechical J,1974,11(4):574~598
[15]Gazetas G & Dobry R,Simple radiation damping model for piles and footings,Journal of Engineering Mechanics,1983,110(6):937~956
[16]Gazetas G,Seismic response of end-bearing single piles,Soil dynamics andEarthquake Engineering,1984,3(2):82~93
[17]卢世深，林亚超编译，桩基础的计算和分析，北京：人民交通出版社，1987：14~20，145~149
[18]张舒羽，水平承载桩静载P-y曲线研究：[硕士学位论文]，南京；河海大学，2001
[19]中华人民共和国交通部，JTJ 254-98，港口工程桩基规范，北京：人民交通出版社，1998
[20]中国船级社，海上移动平台入级与建造规范(2005)，北京：人民交通出版社，2005
[21]API RP 2N Recommended Practice for Planning Designing and ConsturctingSturcutures and Pipelines for Arctic Conditions,American Petroleum Instiute,1995
[22]孙巍峰，波浪力作用下桩土系统的动力反应分析：[硕士学位论文]，南京；东南大学，2001
[23]姜琳，桩-土相互作用的海洋平台动力响应研究：[硕士学位论文]，大连；大连理工大学，2005
[24]S.Suresh著，材料的疲劳，北京：国防工业出版社，1999年第二版.
[25]郑学祥，船舶及海洋工程结构的断裂与疲劳分析，北京：海洋出版社，1988
[26]张淑茳，史冬岩，海洋工程结构的疲劳与断裂，哈尔滨：海尔滨工程大学出版社，2005：1~16
[27]Miner M.A,Cumulative damage in fatigue,J of Applied Mechnicas,1945,67：159~164
[28]徐灏，疲劳强度，北京：高等教育出版社，1988
[29]彭贵胜，导管架平台冰振疲劳特性研究：[硕士学位论文]，大连；大连理工大学，2007
[30]孙熙平，防风网结构风振响应与疲劳特性研究：[硕士学位论文]，天津；天津大学，2008
[31]高万国，循环荷载作用下高桩码头构件疲劳损伤分析方法研究：[硕士学位论文]，天津；天津大学，2008
[32]中华人民共和国交通部，JTJ 211-99，海港总平面设计规范，北京：人民交通出版社，1999
[33]河海大学，大连理工大学，西安理工大学等，水工钢筋混凝土结构学，北京：中国水利水电出版社，1996
[34]中华人民共和国交通部，JTJ 291-98，高桩码头设计与施工规范，北京：人民交通出版社，1998
[35]《建筑结构静力计算手册》编写组，建筑结构静力计算手册，北京：中国建筑工业出版社，1998
[36]中华人民共和国交通部，JTJ 267-98，港口工程混凝土结构设计规范，北京：人民交通出版社，1998
[37]中华人民共和国建设部，GB 50017-2003，钢结构设计规范，北京：中国计划出版社，2005
[38]李润培，王志农，海洋平台强度分析，上海：上海交通大学出版社，1992：46~68
[39]张建勇，浅海独桩平台有限元分析合理结构型式研究：[硕士学位论文]，天津；天津大学，2005
[40]林天健，熊厚金，王利群，桩基础设计指南，北京：中国建筑工业出版社，1995
[41]罗传信等，海洋桩基平台，天津：天津大学出版社，1988：49~52
[42]M J汤姆林森，朱世杰译，桩的设计和施工，北京：人民交通出版社，1984：211~217
[43]中国船级社，海上固定平台入级与建造规范(1992)，北京：人民交通出版社，1992
[44]API RP 2A.Recommended Parctice for Planning.Designing and ConstructingFixed Offshore Platform,American Petroleum Institute,1991
[45]欧进萍，段忠东，肖仪清，海洋平台结构安全评定理论、方法与应用，北京：科学出版社，2003.：1~22
[46]刘楚凡，杨国金，孙宝仓，渤海海冰工程研究的回顾与展望，第六届全国近海工程学术会议论文集，1992 3，桂林
[47]季春群，作用在海工结构物上冰载荷的分析和研究，第六届全国近海工程学术会议论文集，1992 3，桂林
[48]张方俭，海冰作用力在渤海海洋工程设计中的意义，海洋工程，1987.5(2)：58~65
[49]Matlock H,William P Dawkins,John J Panak,Analytical Model for ice-structuralinteraction,Journal of the Engineering MechanicsDivision,Vol.97,No4,July/August 1971:1083~1092
[50] Maattanen M,Stability of self-excited ice-induced structural vibrations,Proceedings of 4th International Conference on Port and Ocean Engineering underArctic Conditions (POAC)；1977
[51]Xu J and Wang L,The ice force oscillator model for dynamic ice-structureinteraction analysis,Proc 1st ICETECH Conf Cambridge,Springer-Verlag,1986：391–397
[52]中国海洋石油总公司，Q/HSn 3000-2002，中国海海冰条件及应用规定，天津：天津市塘沽渤海石油印刷厂，2002
[53]中华人民共和国交通部，JTJ 215-98，港口工程荷载规范，北京：人民交通出版社，1998
[54]Engelbrektson A,Observations of a resonance vibrating lighthouse structure inmoving ice [A],POAC[C],Helsinki,Finland,1983,(2):855~864
[55]李明，冰激柔性直立结构振动的实验研究：[硕士学位论文]，天津；天津大学，2005
[56]韩晓双，导管架式海洋平台地震响应研究：[硕士学位论文]，大连；大连理工大学，2006
[57]Housner G W,Characteristic of Strong Motion Earthquakes.Bull,Seism Soc Am1947,37:17~31
[58]邱驹，港工建筑物，天津：天津大学出版社，2002：44~48
[59]中华人民共和国交通部，JTJ 255-98，水运工程抗震设计规范，北京：人民交通出版社，1998
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[46]刘楚凡，杨国金，孙宝仓，渤海海冰工程研究的回顾与展望，第六届全国近海工程学术会议论文集，1992 3，桂林
[47]季春群，作用在海工结构物上冰载荷的分析和研究，第六届全国近海工程学术会议论文集，1992 3，桂林
[48]张方俭，海冰作用力在渤海海洋工程设计中的意义，海洋工程，1987.5(2)：58~65
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