海洋固定平臺(tái)抗震的地震安全性評(píng)價(jià)

海洋固定平臺(tái)抗震的地震安全性評(píng)價(jià)

導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的控制工況固定海上平臺(tái)是海上油田生產(chǎn)的基地。導(dǎo)管架式海洋固定平臺(tái)是應(yīng)用得非常普遍的固定平臺(tái)形式,其工作年限較長,一般都在15年以上,而且在使用期內(nèi)又不能移動(dòng),所以其安全性和可靠性非常重要,它要承受在使用期限內(nèi)風(fēng)、浪、流、冰和地震等環(huán)境荷載,而且要在最惡劣的環(huán)境條件下能夠生存和繼續(xù)工作,如其結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,將造成嚴(yán)重的人員傷亡、設(shè)備損失、油田停產(chǎn)與環(huán)境污染等危害事件。在環(huán)境荷載中,地震荷載破壞力巨大并且具有不可預(yù)報(bào)性。從以往平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果來看,對(duì)于風(fēng)、浪、流等環(huán)境條件不是很惡劣的海區(qū),導(dǎo)管架式海洋固定平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)中的控制工況是地震工況(王忠暢等)。因此,平臺(tái)抗震問題在平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須加以考慮。1海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)抗震對(duì)于海上固定平臺(tái)的抗震設(shè)防,現(xiàn)階段我國的工作一般都呈現(xiàn)2步走的特點(diǎn)。一是從工程地震的角度,結(jié)合重大工程所在區(qū)域的地震環(huán)境及歷史地震資料、場地條件,專門研究該地區(qū)的地震動(dòng)參數(shù)水平,用概率方法給出不同超越概率對(duì)應(yīng)的不同設(shè)防水準(zhǔn)下的地震動(dòng)參數(shù)值。隨著海域地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃和特定海洋工程的地震安評(píng)工作的蓬勃開展,很多工程人員、學(xué)者在這方面做了大量的研究:呂悅軍等,彭艷菊等討論了平臺(tái)抗震設(shè)防所涉及的設(shè)防地震動(dòng)水準(zhǔn)、設(shè)定地震、地震動(dòng)衰減關(guān)系、長周期地震動(dòng)及其相關(guān)問題。彭艷菊,唐榮余等研究了不同抗震標(biāo)準(zhǔn)下海洋石油平臺(tái)的設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)。指出按照美國石油協(xié)會(huì)RP2A-WSD規(guī)范進(jìn)行海洋平臺(tái)的抗震設(shè)計(jì)偏于保守。二是從結(jié)構(gòu)抗震的角度,針對(duì)特定的平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行不同地震動(dòng)水平下的抗震計(jì)算,并給出結(jié)構(gòu)的可靠度。這方面也已經(jīng)具備了較為堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ),如莊一舟等,金偉良等以渤海灣的兩座典型海洋導(dǎo)管架平臺(tái)為研究對(duì)象,運(yùn)用非線性逐步破壞分析方法,提出了在環(huán)境荷載作用下海洋導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)抗震可靠性的分析方法,并計(jì)算了相應(yīng)的可靠度。竇培林,袁洪濤采用等效荷載法分析了自升式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的可靠性,但其研究中只考慮了風(fēng)浪荷載,沒有針對(duì)地震荷載進(jìn)行可靠性分析。韓曉雙應(yīng)用ANSYS對(duì)平臺(tái)進(jìn)行了3維時(shí)程響應(yīng)分析,并提出了一種基于梁理論的海洋平臺(tái)隨機(jī)地震響應(yīng)簡化計(jì)算模型。魏巍深入研究了導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)在地震作用下的破壞過程和破壞狀態(tài),將平臺(tái)破壞過程劃分為定常、塑變、破壞3個(gè)階段,并對(duì)不同特性地震動(dòng)作用下導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài)和抗震安全裕度進(jìn)行了實(shí)例分析。原則上講,工程地震與結(jié)構(gòu)抗震這2方面的工作應(yīng)該是緊密聯(lián)系的,但是實(shí)際上,海洋固定平臺(tái)工程的抗震設(shè)防中這兩方面工作存在著脫節(jié)的現(xiàn)象。究其原因,很大程度上是因?yàn)檫€沒有專門的規(guī)范來規(guī)定海洋石油平臺(tái)的抗震標(biāo)準(zhǔn),在比較原則的問題,如地震荷載重現(xiàn)期的選取上都還存在值得商榷的地方。如果完全沿用《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的概率水準(zhǔn)來設(shè)防,可能會(huì)使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過于保守而變得很不經(jīng)濟(jì)。2海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、韌性和強(qiáng)度的計(jì)算方法目前世界海洋油氣行業(yè)的抗震規(guī)范主要是美國石油協(xié)會(huì)(AmericanPetroleumInstitute)制訂的RP2A-WSD規(guī)范。美國石油協(xié)會(huì)RP2A-WSD規(guī)范是基于美國近海岸、特別是南加利福尼亞地區(qū)的地震活動(dòng)強(qiáng)度和地震區(qū)劃的研究結(jié)果制定的。該規(guī)范要求對(duì)平臺(tái)場址首先進(jìn)行地震活動(dòng)評(píng)價(jià),用場地的專門研究確定設(shè)計(jì)使用的地震地面運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度和特性。地面運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度和特性的評(píng)價(jià)應(yīng)考慮區(qū)域內(nèi)的活動(dòng)斷層、斷層的類型、每條斷層可能產(chǎn)生的地震的最大量級(jí)、區(qū)域地震活動(dòng)率、現(xiàn)場到可能的震源斷層的距離、在這些斷層和平臺(tái)現(xiàn)場之間的地面運(yùn)動(dòng)的衰減以及現(xiàn)場土壤條件。對(duì)海洋平臺(tái)的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)概率水準(zhǔn)的規(guī)定為海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)在使用期限內(nèi)滿足指定的強(qiáng)度和韌性要求,考慮兩級(jí)地震動(dòng)水平:(1)為了滿足強(qiáng)度要求,平臺(tái)應(yīng)根據(jù)具有“平均重現(xiàn)期”的地面運(yùn)動(dòng)進(jìn)行設(shè)計(jì);(2)為了確定是否符合韌性要求,應(yīng)確定在“稀有強(qiáng)烈地震”期間可能發(fā)生的地面運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度。RP2A-WSD規(guī)范對(duì)“平均重現(xiàn)期”和“稀有強(qiáng)烈地震”沒有明確的定義,但是給出了根據(jù)有效水平地面加速度分級(jí)的響應(yīng)譜1.0G的標(biāo)準(zhǔn)譜,如圖1,系數(shù)G的大小是根據(jù)地面運(yùn)動(dòng)研究結(jié)果,以及對(duì)于承受地震和波浪引起的強(qiáng)烈荷載的平臺(tái)的分析研究和經(jīng)驗(yàn)制訂的,其取值見表1。由于我國近海海域地震研究程度的限制,尚未進(jìn)行海域地震區(qū)劃研究,我國現(xiàn)有的平臺(tái)推薦作法SY/T10030-2000是直接翻譯了APIRP2A-WSD規(guī)范,而其中的標(biāo)準(zhǔn)譜是基于美國沿岸水域地震區(qū)劃給出的,在我國近海平臺(tái)抗震設(shè)計(jì)中無法直接套用。不得已的情況下我國船檢局只好在《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》采用了與建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范類似的地震反應(yīng)譜。然而在實(shí)際工程中對(duì)一些地震活動(dòng)性較高海域內(nèi)規(guī)模較大的海洋石油平臺(tái),其抗震設(shè)防是依據(jù)國家規(guī)范《工程場地地震安全性評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范(GB17741-1999)》的要求,進(jìn)行專門的地震動(dòng)參數(shù)研究給出海底泥面的場地譜,同時(shí)參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB5001-2001)》進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),在地震荷載重現(xiàn)期的選取上,一般采用我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的基本設(shè)防烈度。對(duì)于強(qiáng)度水平地震分析,采用重現(xiàn)期為475年的地震荷載;對(duì)于韌性水平地震分析,采用重現(xiàn)期為2500年的地震荷載(罕遇地震荷載)。在平臺(tái)強(qiáng)度和韌性的計(jì)算方法、判斷標(biāo)準(zhǔn)上,采用APIRP2A-WSD規(guī)范,即:對(duì)于強(qiáng)度水平地震采用線性系統(tǒng)的計(jì)算方法,通過判斷桿件的應(yīng)力是否達(dá)到結(jié)構(gòu)的允許應(yīng)力來判斷結(jié)構(gòu)是否破壞;對(duì)于韌性水平地震采用8腿平臺(tái)的韌性設(shè)計(jì)方法,即采用兩倍的強(qiáng)度水平地震的設(shè)計(jì)值,計(jì)算方法仍然采用線性系統(tǒng)的計(jì)算方法,并通過判斷樁、導(dǎo)管架腿等主要構(gòu)件的應(yīng)力是否超過允許應(yīng)力來判斷整個(gè)平臺(tái)是否倒塌。3韌性水平地震的施工從上文介紹的我國海洋石油平臺(tái)抗震設(shè)防狀況和目前采用的地震分析方法來看,主要存在以下問題:(1)地震荷載重現(xiàn)期的模糊性。如果采用APIRP2A-WSD規(guī)范,就應(yīng)該采用其推薦的地震荷載重現(xiàn)期。對(duì)于強(qiáng)度水平地震,該規(guī)范沒有給出明確的地震荷載重現(xiàn)期,對(duì)于韌性水平地震,其推薦值是幾百到幾千年,表述也比較模糊。而采用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中475年的地震荷載重現(xiàn)期,對(duì)使用壽命只有30年左右的平臺(tái)結(jié)構(gòu)很可能偏于保守;(2)我國沿用APIRP2A-WSD規(guī)范的適用性。APIRP2A-WSD規(guī)范推薦的韌性水平地震的簡單做法僅適用于8腿及8腿以上的平臺(tái),而我國目前設(shè)計(jì)的平臺(tái)大部分不滿足這一前提條件,因此采用這種方法來校核平臺(tái)的韌性水平地震是不合適的;(3)對(duì)平臺(tái)功能和重要性不加區(qū)分的籠統(tǒng)對(duì)待。不同功能和不同重要性的平臺(tái)具有不同的破壞后果,目前地震的校核方法在平臺(tái)分級(jí)和判斷標(biāo)準(zhǔn)上不夠合理,這就造成對(duì)于破壞后人員傷亡大、社會(huì)影響廣和財(cái)產(chǎn)損失大的平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備與其他小平臺(tái)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備是相同的,這顯然是不經(jīng)濟(jì)的。4組成部件鋼架和支護(hù)結(jié)構(gòu)本文以錦州25-1海洋石油平臺(tái)為例進(jìn)行平臺(tái)地震分析。這種海上固定平臺(tái)由3個(gè)基本部分組成:土壤、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)。這些體系的組成部件采用鋼管架型結(jié)構(gòu)和混凝土重力型結(jié)構(gòu)。鋼管架平臺(tái)有深樁基,它打入海底土中數(shù)百英尺,平臺(tái)由鋼管構(gòu)建組成,形成三維的桁架-框架高度靜不定結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)從樁和導(dǎo)管獲得它的豎向和側(cè)向支承,然后通過該體系鉆井。圖2所示為錦州25-16腿柱導(dǎo)管架平臺(tái)外形。工程上比較關(guān)注頂層甲板位移及柱腿底部單元的應(yīng)力。圖2標(biāo)出了平臺(tái)頂層甲板角點(diǎn)及6根柱腿的底部單元編號(hào)。4.1地震安全性評(píng)價(jià)流程及規(guī)范譜分析計(jì)算的海洋石油平臺(tái)工程場址位于渤海北部遼東灣,場區(qū)水深為24.1～25.8m,海底地形平坦,場址工程鉆孔鉆至120.2m時(shí)剪切波速約為430m/s,在建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中場地類別為III類,在API規(guī)范中場地為C類。根據(jù)地震安全性評(píng)價(jià)的工作流程,首先對(duì)區(qū)域地震構(gòu)造環(huán)境和近場區(qū)地震構(gòu)造特征進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查,分析區(qū)域和近場地震活動(dòng)在空間和時(shí)間上的分布特征以及歷史地震對(duì)工程場地影響烈度,為合理劃分潛在震源區(qū)和確定地震活動(dòng)性參數(shù)提供依據(jù)。進(jìn)而用綜合概率方法進(jìn)行地震危險(xiǎn)性分析,給出工程場點(diǎn)基巖地震動(dòng)反應(yīng)譜。再結(jié)合工程鉆孔資料利用一維等效線性化波動(dòng)方法進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析計(jì)算,得到海底泥面的加速度時(shí)程及反應(yīng)譜。具體的步驟和細(xì)節(jié)可參見《地震安全性評(píng)價(jià)技術(shù)教程》。下面給出平臺(tái)場址超越概率50年10%的安評(píng)場地譜和根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范及API規(guī)范給出的規(guī)范譜如圖3。為簡化算例分析,就上述3種具有相同峰值加速度(100Gal)的譜分別擬合3條隨機(jī)地震動(dòng)時(shí)程作為海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的輸入地震動(dòng)(圖4～圖6)。4.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析4.2.1平臺(tái)底部位移本文將錦州25-1導(dǎo)管架平臺(tái)設(shè)定為最簡單的固端模型,約束導(dǎo)管架平臺(tái)底部6個(gè)點(diǎn)各個(gè)方向的位移。此模型的前10階頻率如表2所示,結(jié)構(gòu)前3階振型是:第1階發(fā)生Y方向的彎曲振動(dòng),第2階發(fā)生X方向的彎曲振動(dòng),第3階發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)耦合振動(dòng)(圖7)。4.2.2結(jié)構(gòu)的下位移時(shí)程用上文給出的3組隨機(jī)地震動(dòng)時(shí)程輸入平臺(tái)有限元模型(地震波作用為x+y+0.5z),得到甲板頂層4個(gè)角點(diǎn)的x,y方向的最大位移(見表3)和底部與泥面相連接的單元的最大彎曲應(yīng)力(見表4)。并給出1050#節(jié)點(diǎn)不同工況下的位移時(shí)程如圖8～圖10。由以上分析可知:柱腿底部單元最大彎曲應(yīng)力遠(yuǎn)小于所用鋼材的屈服應(yīng)力,場地譜時(shí)程輸入得到的頂層甲板最大位移和柱腿底部單元應(yīng)力大于我國船檢局規(guī)范譜時(shí)程輸入的結(jié)果,說明如果按照?qǐng)龅刈V設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)將偏安全。API譜是美國海域使用的譜,相同的地震動(dòng)峰值輸入下其結(jié)果大于場地譜時(shí)程和船檢局規(guī)范譜時(shí)程輸入下的值,柱腿底部單元最大彎曲應(yīng)力最大差別達(dá)到了34.8%,說明美國在海洋平臺(tái)抗震中考慮了更多的結(jié)構(gòu)應(yīng)力裕量。反過來也說明如果對(duì)于我國海域不經(jīng)過工程地震的分析而簡單地采用美國海域相應(yīng)峰值加速度水平下的地震反應(yīng)譜將會(huì)帶來更大的工程造價(jià),雖然對(duì)工程結(jié)構(gòu)可能更加安全,但是是否經(jīng)濟(jì)合理仍值得商榷。5用規(guī)范和安評(píng)兩種譜結(jié)果對(duì)比本文介紹了海洋固定石油平臺(tái)的抗震現(xiàn)狀,討論了目前平臺(tái)抗震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)和目前平臺(tái)抗震中存在的問題,并通過錦州25-1平臺(tái)地震分析算例,比較了