文章编号:1001-4500(2004)04-0026-04
宋 剑，何 勇，沈照伟，龚顺风，金伟良
(浙江大学，杭州310027)
摘 要：根据海洋平台结构管节点设计准则，自行开发了海洋平台管节点强度校核和可靠度分析软件，应用冲剪校核和名义应力校核法对渤海BZ 28-1单点系泊海洋导管架平台结构管节点进行了强度校核，并用可靠度分析软件计算了管节点强度可靠度，到了海洋平台的最不利的节点和工况组合，为合理设计海洋平台结构和现役平台结构的科学评估、检测、维护和修理提供了分析方法和理论依据。
关键词：管节点；海洋平台结构；强度校核；可靠性 中图分类号:P 751 文献标识码:A
单点系泊海洋导管架平台结构是近20年来海上采油的新技术，具有可转移再利用的优点，适合海上油田早期生产，也适合油田开发过程中变化着的油气增减处理能力。单点系泊具有风标效应，因此可降低系统
在风、浪、流环境条件作用下的运动响应。正由于这样的优点，国内在B Z 28-1油田的开发中首次采用
了软钢连接的单点系泊(SPM -Single Po in t M oo ring )生产系统。然而单点系泊在风浪流作用下的运动响应是复杂的，环境条件的动力因素直接影响到单点系泊系统的运动响应。单点系泊是一个复杂的非线性系统，所系的油船除了在水平面内的三个自由度运动外(纵荡、横荡及艏摇)，整个系统将有12个自由度的运动响应。因此系泊力很难通过理论计算分析得到，目前最好的方法是进行水池模型试验。B Z 28-1SPM 系统的系泊力以及运动参数来源于1986年在荷兰船模试验池进行的模型试验。通过试验数据，得出系泊力与波浪环境参数之间的非线性关系。对于单点系泊海洋导管架平台结构的管节点，荷载作用效应中系泊力的作用很大，为了正确合理评估平台结构的强度，提高生产作业的安全保障，本文对平台结构管节点强度进行评估分析，并Η—撑杆角度;g —间隙;t —撑杆厚度;
T —弦杆厚度;d —撑杆直径;D —弦杆直径
图1 简单管节点结构和几何参数
开发了相应的强度校核和可靠度计算分析软件。
1 海洋平台结构管节点
海洋平台结构中杆件和管节点是两个基本构件，而其中的管节点是连接各个杆件的关键部位。如果管节点发生破坏可能会导致整个结构的失效，所以应该对海洋
平台结构中的管节点给予足够的重视。图1是管节点的
基本结构。管节点分为K 、T 和Y ，或交叉(X )型管节点。
对于K 型管节点，其中一个撑杆的冲剪荷载由位于节点
同一平面内同一侧的其它撑杆平衡。在T 和Y 型管节点中，冲剪荷载由弦杆的横向剪切力所平衡。对于交叉型管节点，冲剪荷载通过弦杆传于对侧的撑杆，可根据在总荷载中的份额用内插法确定[1]。
2 管节点强度校核和可靠性分析方法
2.1 强度校核准则
收稿日期:2003209215
作者简介：宋剑(1978—)，男，博士研究生，主要从事结构工程和海洋工程的研究。
在复杂环境荷载作用下的海洋平台结构构件，一般都处于拉弯或压弯的状态。海洋平台结构管节点强度校核依据文献[4]，一般采用冲剪校核和名义应力校核。在极限荷载状况下，允许应力值提高1 3。
2.2 可靠性分析方法
2.2.1 管节点强度可靠度计算的极限状态函数
进行海洋平台结构管节点可靠度计算时，计算类型有多种:(1)抗拉或抗压;(2)平面内弯曲;(3)平面外弯曲;(4)拉弯或压弯。采用极限状态函数依据文献[3]。
管节点的承载能力应满足下式要求:
dm368P D<Υj P uj M D<Υj M uj
式中:P D为撑杆的乘系数的轴向荷载;M D为撑杆的乘系数的弯矩;P uj为管节点的极限轴向承载能力;M uj为管节点的极限抗弯能力;Υj为管节点的抗力系数。
对于受轴向荷载和弯矩联合作用的撑杆，满足下式要求:
1-co s[Π
2
(P D
Υj P uj)]+[(
M D
Υj M uj)2ip b+(
M D
Υj M uj)2op b]1 2≤1.0
极限承载能力按下式确定:
P uj=Q u Q f F y T2
sinΗ
M uj=Q u Q f F y T
2
sinΗ
(0.8d)
3 工程实例计算分析
为了正确评价平台结构管节点的强度，本文开发了相应的强度校核和可靠度计算分析软件，对B Z2821单点系泊导管架平台结构管节点进行了强度校核和可靠性分析。
B Z2821单点系泊导管架平台距离B Z2821南井口平台和B Z2821北井口平台1650m，平台所在场址水深为23.4m，平均水位深度为24.22m。B Z2622综合平台14英寸管线、B Z2821南井口平台和B Z2821北井口平台6英寸管线与B Z2821单点系泊导管架平台的14英寸管线相连，原油通过油船运输到岸上。
平台建模计算分析时考虑结构2桩2土相互作用的影响。整个平台结构模型如图2所示，采用有限单元离散，结构模型节点总数为367，单元总数为396。采用非线性弹簧来模拟桩土相互作用，每根桩分为48个梁单元,96根侧向弹簧,48根竖向弹簧,48根扭转弹簧和1根端承弹簧。弹簧参数由文献[6]所提供的P-Y曲线数据表、T-Z曲线数据表、Q-Z曲线数据表计算得出。在非线性结构分析时，钢材料的本构关系采用理想弹塑性关系，强度条件采用V on2M ises准则。
3.1 数值计算分析
对于SPM海洋导管架平台，荷载作用包括由波、风、流(在部分海域还包括海冰)和系泊力的作用。而
波浪荷载、风荷载、海流荷载，对于特定平台来说，分别为波高、风速以及流速的函数。对于系泊力，影响因素很多，起主导作用的是波浪作用，通过荷兰水池模型试验，得出系泊力和波高的指数关系。通过环境资料统计分析得到波高、风速以及流速的分布概率。B Z2821SPM平台共有163种荷载基本工况,64种组合工况。应用软件计算杆件内力、应力时采用了32种极端组合工况。节点中各杆件在各组合工况作用下的内力、应力，包括轴力、弯矩、轴向应力、平面内弯曲应力、平面外弯曲应力，都从分析软件(图3)输出结果中得到。
3.2 强度校核分析
计算分析时分别取20年设计基准期和50年重现期，对B Z2821SPM平台结构管节点在32种极端荷载组合工况作用下进行强度校核。对平台结构所有管节点应用冲剪校核和名义应力校核两种方法进行分析，强度校核值(U.C.)较大值如表1所示。
第二军医大学出版社3.3 管节点可靠度计算
对平台结构管节点强度校核值较大的管节点应用自行开发的可靠度计算程序进行可靠度计算，计算时分别采用20年设计基准期和50年重现期两种状态进行，计算结果如表2所示。
图2 BZ2821SP M平台结构模型 图3 程序计算过程框图
表1 管节点强度校核值
节点编号工况
20年设计基准期U.C.
冲剪校核 名义应力校核
50年重现期U.C.
冲剪校核 名义应力校核
361780.454790.447850.466400.45923
381780.443490.437320.451970.44574
401760.440040.428790.464290.45234
401770.555980.542340.568000.55401
411780.477950.465750.488890.47637
411790.524140.511700.531620.51890
421770.493020.480180.505950.49272
431910.440530.430470.451440.44111
501791.274921.241601.275971.24270
沃尼希密码
501881.027610.998691.049801.01997
4 结语
通过自行开发的海洋平台管节点强度校核和可靠度分析软件对B Z28-1SPM平台进行了管节点强度校核和可靠度计算分析，在强度校核时，采用基于A P I2A-W SD规范的设计准则，考虑了安全系数，进行可靠度计算时，采用文献[3]的极限状态函数，没有考虑安全系数。通过计算分析得到以下几点结论:
1)在32种极端荷载组合工况作用下，可靠度指标最低的节点为50号节点，在荷载工况组合179下的可靠度指标Β=0.26，相应的失效概率为P f=0.398。因此平台投入使用时，要对该节点进行加固。
2)位于平台顶端的50号节点在极端荷载组合工况作用下，其强度校核值超过了1.0，同时位于平台顶部
个旧一中校长的40、41、42、43、44号节点的强度校核值也较大，说明在单点系泊平台结构中，系泊力对平台结构的影响起到了主导作用。
3)分析管节点强度校核值，可以发现冲剪校核值和名义应力校核值两者结果较为接近，所以在对平台结构进行管节点强度校核时，采用冲剪校核法和名义应力校核法两者效果大致相同。
表2 管节点可靠度
节点编号工况
20年设计基准期管节点可靠度
可靠度指标Β失效概率P f
50年重现期管节点可靠度
可靠度指标Β失效概率P f
361785.653.51e-75.375.71e-7
381787.031.37e-136.839.87-e11
401764.895.04e-74.355.20e-5
401773.749.36e-53.621.21e-4
411784.872.26e-64.523.11e-6
411793.993.23e-53.934.29e-5
421774.221.20e-53.944.07e-5
431914.633.27e-74.523.89e-7
501790.370.210.260.398
501881.477.07e-21.378.63e-2
表3 荷载组合工况
工况荷载组合情况
176自重+活荷载+50年风(180度)+50年波流(180度)+50年系泊力(180度)
177自重+活荷载+50年风(225度)+50年波流(225度)+50年系泊力(225度)
178自重+活荷载+50年风(270度)+50年波流(270度)+50年系泊力(270度)
179自重+活荷载+50年风(315度)+50年波流(315度)+50年系泊力(315度)
188自重+活荷载+50年风(315度)+50年波流(315度)+50年系泊力(315度)
191自重+活荷载+50年风(135度)+50年波流(135度)+50年系泊力(135度)
(注：工况176、177、178、179为极端高水位；工况188、191为极端低水位。)
参考文献
[1] 金伟良，龚顺风，朱俊民.海洋平台结构管节点强度可靠性分析[J].科技通报,2002,18(5):349-354.
[2] 赵国藩，金伟良，贡金鑫.结构可靠度理论[M].北京：中国建筑工业出版社,2000.
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[4] Am erican Petro leum Institute.A P I recomm ended p ractice2A-W SD(R P2A-W SD)[S].Tw enty2F irst Editi on,
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STRENGTH CHECK AND REL I AB I L IT Y ANALY SIS OF TUBULAR JO INTS FOR SING L E PO INT MOOR ING OFFSHORE JACKET PLATFOR M S SONG J ia n,HE Yong,S HEN Zha ow e i,GONG S hunfe ng,J I N W e ilia ng
(Zhejiang U n iversity,H angzhou310027,Ch ina)
Abstract: Strength check softw are and reliab ility analysis softw are of tubu lar jo in ts in offsho re p latfo r m structu res are developed based on design p rinci p le of tubu lar jo in ts.Punch ing shear and no r m al loads check m ethods are p erfo r m ed to check the strength of the tubu lar jo in ts of B Z2821single po in t m oo ring off2 sho re jacket p latfo r m.T he reliab ility analysis softw are is app lied to calcu late the reliab ility of tubu lar jo in ts.T he w o rst tubu lar jo in ts and load com b inati on cases are found.T he analysis m ethod is p rovided fo r design ing offsho re p latfo r m structu re reasonab ly and evaluating,detecting,m ain tain ing and rep airing off2 sho re p latfo r m in service scien tifically.
Key words: tubu lar jo in t;offsho re p latfo r m structu re;strength check;reliab ility
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