海洋固定平臺抗震的地震安全性評價

海洋固定平臺抗震的地震安全性評價

導管架式海洋平臺結構強度的控制工況固定海上平臺是海上油田生產的基地。導管架式海洋固定平臺是應用得非常普遍的固定平臺形式,其工作年限較長,一般都在15年以上,而且在使用期內又不能移動,所以其安全性和可靠性非常重要,它要承受在使用期限內風、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,如其結構發(fā)生破壞,將造成嚴重的人員傷亡、設備損失、油田停產與環(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報性。從以往平臺結構分析結果來看,對于風、浪、流等環(huán)境條件不是很惡劣的海區(qū),導管架式海洋固定平臺結構強度設計中的控制工況是地震工況(王忠暢等)。因此,平臺抗震問題在平臺結構設計中必須加以考慮。1海洋石油平臺結構抗震對于海上固定平臺的抗震設防,現階段我國的工作一般都呈現2步走的特點。一是從工程地震的角度,結合重大工程所在區(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)的地震動參數水平,用概率方法給出不同超越概率對應的不同設防水準下的地震動參數值。隨著海域地震動參數區(qū)劃和特定海洋工程的地震安評工作的蓬勃開展,很多工程人員、學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抗震設防所涉及的設防地震動水準、設定地震、地震動衰減關系、長周期地震動及其相關問題。彭艷菊,唐榮余等研究了不同抗震標準下海洋石油平臺的設計地震動參數。指出按照美國石油協(xié)會RP2A-WSD規(guī)范進行海洋平臺的抗震設計偏于保守。二是從結構抗震的角度,針對特定的平臺結構進行不同地震動水平下的抗震計算,并給出結構的可靠度。這方面也已經具備了較為堅實的研究基礎,如莊一舟等,金偉良等以渤海灣的兩座典型海洋導管架平臺為研究對象,運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管架平臺結構抗震可靠性的分析方法,并計算了相應的可靠度。竇培林,袁洪濤采用等效荷載法分析了自升式海洋平臺結構的可靠性,但其研究中只考慮了風浪荷載,沒有針對地震荷載進行可靠性分析。韓曉雙應用ANSYS對平臺進行了3維時程響應分析,并提出了一種基于梁理論的海洋平臺隨機地震響應簡化計算模型。魏巍深入研究了導管架式海洋平臺結構在地震作用下的破壞過程和破壞狀態(tài),將平臺破壞過程劃分為定常、塑變、破壞3個階段,并對不同特性地震動作用下導管架平臺結構的破壞狀態(tài)和抗震安全裕度進行了實例分析。原則上講,工程地震與結構抗震這2方面的工作應該是緊密聯(lián)系的,但是實際上,海洋固定平臺工程的抗震設防中這兩方面工作存在著脫節(jié)的現象。究其原因,很大程度上是因為還沒有專門的規(guī)范來規(guī)定海洋石油平臺的抗震標準,在比較原則的問題,如地震荷載重現期的選取上都還存在值得商榷的地方。如果完全沿用《建筑抗震設計規(guī)范》規(guī)定的概率水準來設防,可能會使結構設計過于保守而變得很不經濟。2海洋石油平臺結構的強度、韌性和強度的計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(AmericanPetroleumInstitute)制訂的RP2A-WSD規(guī)范。美國石油協(xié)會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)的地震活動強度和地震區(qū)劃的研究結果制定的。該規(guī)范要求對平臺場址首先進行地震活動評價,用場地的專門研究確定設計使用的地震地面運動的強度和特性。地面運動的強度和特性的評價應考慮區(qū)域內的活動斷層、斷層的類型、每條斷層可能產生的地震的最大量級、區(qū)域地震活動率、現場到可能的震源斷層的距離、在這些斷層和平臺現場之間的地面運動的衰減以及現場土壤條件。對海洋平臺的抗震設防標準及相應概率水準的規(guī)定為海洋石油平臺結構在使用期限內滿足指定的強度和韌性要求,考慮兩級地震動水平:(1)為了滿足強度要求,平臺應根據具有“平均重現期”的地面運動進行設計;(2)為了確定是否符合韌性要求,應確定在“稀有強烈地震”期間可能發(fā)生的地面運動的強度。RP2A-WSD規(guī)范對“平均重現期”和“稀有強烈地震”沒有明確的定義,但是給出了根據有效水平地面加速度分級的響應譜1.0G的標準譜,如圖1,系數G的大小是根據地面運動研究結果,以及對于承受地震和波浪引起的強烈荷載的平臺的分析研究和經驗制訂的,其取值見表1。由于我國近海海域地震研究程度的限制,尚未進行海域地震區(qū)劃研究,我國現有的平臺推薦作法SY/T10030-2000是直接翻譯了APIRP2A-WSD規(guī)范,而其中的標準譜是基于美國沿岸水域地震區(qū)劃給出的,在我國近海平臺抗震設計中無法直接套用。不得已的情況下我國船檢局只好在《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》采用了與建筑抗震設計規(guī)范類似的地震反應譜。然而在實際工程中對一些地震活動性較高海域內規(guī)模較大的海洋石油平臺,其抗震設防是依據國家規(guī)范《工程場地地震安全性評價技術規(guī)范(GB17741-1999)》的要求,進行專門的地震動參數研究給出海底泥面的場地譜,同時參照《建筑抗震設計規(guī)范(GB5001-2001)》進行抗震設計,在地震荷載重現期的選取上,一般采用我國《建筑抗震設計規(guī)范》中的基本設防烈度。對于強度水平地震分析,采用重現期為475年的地震荷載;對于韌性水平地震分析,采用重現期為2500年的地震荷載(罕遇地震荷載)。在平臺強度和韌性的計算方法、判斷標準上,采用APIRP2A-WSD規(guī)范,即:對于強度水平地震采用線性系統(tǒng)的計算方法,通過判斷桿件的應力是否達到結構的允許應力來判斷結構是否破壞;對于韌性水平地震采用8腿平臺的韌性設計方法,即采用兩倍的強度水平地震的設計值,計算方法仍然采用線性系統(tǒng)的計算方法,并通過判斷樁、導管架腿等主要構件的應力是否超過允許應力來判斷整個平臺是否倒塌。3韌性水平地震的施工從上文介紹的我國海洋石油平臺抗震設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)地震荷載重現期的模糊性。如果采用APIRP2A-WSD規(guī)范,就應該采用其推薦的地震荷載重現期。對于強度水平地震,該規(guī)范沒有給出明確的地震荷載重現期,對于韌性水平地震,其推薦值是幾百到幾千年,表述也比較模糊。而采用建筑抗震設計規(guī)范中475年的地震荷載重現期,對使用壽命只有30年左右的平臺結構很可能偏于保守;(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,而我國目前設計的平臺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的韌性水平地震是不合適的;(3)對平臺功能和重要性不加區(qū)分的籠統(tǒng)對待。不同功能和不同重要性的平臺具有不同的破壞后果,目前地震的校核方法在平臺分級和判斷標準上不夠合理,這就造成對于破壞后人員傷亡大、社會影響廣和財產損失大的平臺的結構強度儲備與其他小平臺的結構強度儲備是相同的,這顯然是不經濟的。4組成部件鋼架和支護結構本文以錦州25-1海洋石油平臺為例進行平臺地震分析。這種海上固定平臺由3個基本部分組成:土壤、基礎和上部結構。這些體系的組成部件采用鋼管架型結構和混凝土重力型結構。鋼管架平臺有深樁基,它打入海底土中數百英尺,平臺由鋼管構建組成,形成三維的桁架-框架高度靜不定結構。該結構從樁和導管獲得它的豎向和側向支承,然后通過該體系鉆井。圖2所示為錦州25-16腿柱導管架平臺外形。工程上比較關注頂層甲板位移及柱腿底部單元的應力。圖2標出了平臺頂層甲板角點及6根柱腿的底部單元編號。4.1地震安全性評價流程及規(guī)范譜分析計算的海洋石油平臺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時剪切波速約為430m/s,在建筑抗震設計規(guī)范中場地類別為III類,在API規(guī)范中場地為C類。根據地震安全性評價的工作流程,首先對區(qū)域地震構造環(huán)境和近場區(qū)地震構造特征進行詳細調查,分析區(qū)域和近場地震活動在空間和時間上的分布特征以及歷史地震對工程場地影響烈度,為合理劃分潛在震源區(qū)和確定地震活動性參數提供依據。進而用綜合概率方法進行地震危險性分析,給出工程場點基巖地震動反應譜。再結合工程鉆孔資料利用一維等效線性化波動方法進行土層地震反應分析計算,得到海底泥面的加速度時程及反應譜。具體的步驟和細節(jié)可參見《地震安全性評價技術教程》。下面給出平臺場址超越概率50年10%的安評場地譜和根據建筑抗震設計規(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條隨機地震動時程作為海洋平臺結構的輸入地震動(圖4～圖6)。4.2結構動力響應分析4.2.1平臺底部位移本文將錦州25-1導管架平臺設定為最簡單的固端模型,約束導管架平臺底部6個點各個方向的位移。此模型的前10階頻率如表2所示,結構前3階振型是:第1階發(fā)生Y方向的彎曲振動,第2階發(fā)生X方向的彎曲振動,第3階發(fā)生彎曲、扭轉耦合振動(圖7)。4.2.2結構的下位移時程用上文給出的3組隨機地震動時程輸入平臺有限元模型(地震波作用為x+y+0.5z),得到甲板頂層4個角點的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力(見表4)。并給出1050#節(jié)點不同工況下的位移時程如圖8～圖10。由以上分析可知:柱腿底部單元最大彎曲應力遠小于所用鋼材的屈服應力,場地譜時程輸入得到的頂層甲板最大位移和柱腿底部單元應力大于我國船檢局規(guī)范譜時程輸入的結果,說明如果按照場地譜設計結構將偏安全。API譜是美國海域使用的譜,相同的地震動峰值輸入下其結果大于場地譜時程和船檢局規(guī)范譜時程輸入下的值,柱腿底部單元最大彎曲應力最大差別達到了34.8%,說明美國在海洋平臺抗震中考慮了更多的結構應力裕量。反過來也說明如果對于我國海域不經過工程地震的分析而簡單地采用美國海域相應峰值加速度水平下的地震反應譜將會帶來更大的工程造價,雖然對工程結構可能更加安全,但是是否經濟合理仍值得商榷。5用規(guī)范和安評兩種譜結果對比本文介紹了海洋固定石油平臺的抗震現狀,討論了目前平臺抗震設防的標準和目前平臺抗震中存在的問題,并通過錦州25-1平臺地震分析算例,比較了