海洋固定平台抗震的地震安全性评价

海洋固定平台抗震的地震安全性评价

导管架式海洋平台结构强度的控制工况固定海上平台是海上油田生产的基地。导管架式海洋固定平台是应用得非常普遍的固定平台形式,其工作年限较长,一般都在15年以上,而且在使用期内又不能移动,所以其安全性和可靠性非常重要,它要承受在使用期限内风、浪、流、冰和地震等环境荷载,而且要在最恶劣的环境条件下能够生存和继续工作,如其结构发生破坏,将造成严重的人员伤亡、设备损失、油田停产与环境污染等危害事件。在环境荷载中,地震荷载破坏力巨大并且具有不可预报性。从以往平台结构分析结果来看,对于风、浪、流等环境条件不是很恶劣的海区,导管架式海洋固定平台结构强度设计中的控制工况是地震工况(王忠畅等)。因此,平台抗震问题在平台结构设计中必须加以考虑。1海洋石油平台结构抗震对于海上固定平台的抗震设防,现阶段我国的工作一般都呈现2步走的特点。一是从工程地震的角度,结合重大工程所在区域的地震环境及历史地震资料、场地条件,专门研究该地区的地震动参数水平,用概率方法给出不同超越概率对应的不同设防水准下的地震动参数值。随着海域地震动参数区划和特定海洋工程的地震安评工作的蓬勃开展,很多工程人员、学者在这方面做了大量的研究:吕悦军等,彭艳菊等讨论了平台抗震设防所涉及的设防地震动水准、设定地震、地震动衰减关系、长周期地震动及其相关问题。彭艳菊,唐荣余等研究了不同抗震标准下海洋石油平台的设计地震动参数。指出按照美国石油协会RP2A-WSD规范进行海洋平台的抗震设计偏于保守。二是从结构抗震的角度,针对特定的平台结构进行不同地震动水平下的抗震计算,并给出结构的可靠度。这方面也已经具备了较为坚实的研究基础,如庄一舟等,金伟良等以渤海湾的两座典型海洋导管架平台为研究对象,运用非线性逐步破坏分析方法,提出了在环境荷载作用下海洋导管架平台结构抗震可靠性的分析方法,并计算了相应的可靠度。窦培林,袁洪涛采用等效荷载法分析了自升式海洋平台结构的可靠性,但其研究中只考虑了风浪荷载,没有针对地震荷载进行可靠性分析。韩晓双应用ANSYS对平台进行了3维时程响应分析,并提出了一种基于梁理论的海洋平台随机地震响应简化计算模型。魏巍深入研究了导管架式海洋平台结构在地震作用下的破坏过程和破坏状态,将平台破坏过程划分为定常、塑变、破坏3个阶段,并对不同特性地震动作用下导管架平台结构的破坏状态和抗震安全裕度进行了实例分析。原则上讲,工程地震与结构抗震这2方面的工作应该是紧密联系的,但是实际上,海洋固定平台工程的抗震设防中这两方面工作存在着脱节的现象。究其原因,很大程度上是因为还没有专门的规范来规定海洋石油平台的抗震标准,在比较原则的问题,如地震荷载重现期的选取上都还存在值得商榷的地方。如果完全沿用《建筑抗震设计规范》规定的概率水准来设防,可能会使结构设计过于保守而变得很不经济。2海洋石油平台结构的强度、韧性和强度的计算方法目前世界海洋油气行业的抗震规范主要是美国石油协会(AmericanPetroleumInstitute)制订的RP2A-WSD规范。美国石油协会RP2A-WSD规范是基于美国近海岸、特别是南加利福尼亚地区的地震活动强度和地震区划的研究结果制定的。该规范要求对平台场址首先进行地震活动评价,用场地的专门研究确定设计使用的地震地面运动的强度和特性。地面运动的强度和特性的评价应考虑区域内的活动断层、断层的类型、每条断层可能产生的地震的最大量级、区域地震活动率、现场到可能的震源断层的距离、在这些断层和平台现场之间的地面运动的衰减以及现场土壤条件。对海洋平台的抗震设防标准及相应概率水准的规定为海洋石油平台结构在使用期限内满足指定的强度和韧性要求,考虑两级地震动水平:(1)为了满足强度要求,平台应根据具有“平均重现期”的地面运动进行设计;(2)为了确定是否符合韧性要求,应确定在“稀有强烈地震”期间可能发生的地面运动的强度。RP2A-WSD规范对“平均重现期”和“稀有强烈地震”没有明确的定义,但是给出了根据有效水平地面加速度分级的响应谱1.0G的标准谱,如图1,系数G的大小是根据地面运动研究结果,以及对于承受地震和波浪引起的强烈荷载的平台的分析研究和经验制订的,其取值见表1。由于我国近海海域地震研究程度的限制,尚未进行海域地震区划研究,我国现有的平台推荐作法SY/T10030-2000是直接翻译了APIRP2A-WSD规范,而其中的标准谱是基于美国沿岸水域地震区划给出的,在我国近海平台抗震设计中无法直接套用。不得已的情况下我国船检局只好在《海上固定平台入级与建造规范》采用了与建筑抗震设计规范类似的地震反应谱。然而在实际工程中对一些地震活动性较高海域内规模较大的海洋石油平台,其抗震设防是依据国家规范《工程场地地震安全性评价技术规范(GB17741-1999)》的要求,进行专门的地震动参数研究给出海底泥面的场地谱,同时参照《建筑抗震设计规范(GB5001-2001)》进行抗震设计,在地震荷载重现期的选取上,一般采用我国《建筑抗震设计规范》中的基本设防烈度。对于强度水平地震分析,采用重现期为475年的地震荷载;对于韧性水平地震分析,采用重现期为2500年的地震荷载(罕遇地震荷载)。在平台强度和韧性的计算方法、判断标准上,采用APIRP2A-WSD规范,即:对于强度水平地震采用线性系统的计算方法,通过判断杆件的应力是否达到结构的允许应力来判断结构是否破坏;对于韧性水平地震采用8腿平台的韧性设计方法,即采用两倍的强度水平地震的设计值,计算方法仍然采用线性系统的计算方法,并通过判断桩、导管架腿等主要构件的应力是否超过允许应力来判断整个平台是否倒塌。3韧性水平地震的施工从上文介绍的我国海洋石油平台抗震设防状况和目前采用的地震分析方法来看,主要存在以下问题:(1)地震荷载重现期的模糊性。如果采用APIRP2A-WSD规范,就应该采用其推荐的地震荷载重现期。对于强度水平地震,该规范没有给出明确的地震荷载重现期,对于韧性水平地震,其推荐值是几百到几千年,表述也比较模糊。而采用建筑抗震设计规范中475年的地震荷载重现期,对使用寿命只有30年左右的平台结构很可能偏于保守;(2)我国沿用APIRP2A-WSD规范的适用性。APIRP2A-WSD规范推荐的韧性水平地震的简单做法仅适用于8腿及8腿以上的平台,而我国目前设计的平台大部分不满足这一前提条件,因此采用这种方法来校核平台的韧性水平地震是不合适的;(3)对平台功能和重要性不加区分的笼统对待。不同功能和不同重要性的平台具有不同的破坏后果,目前地震的校核方法在平台分级和判断标准上不够合理,这就造成对于破坏后人员伤亡大、社会影响广和财产损失大的平台的结构强度储备与其他小平台的结构强度储备是相同的,这显然是不经济的。4组成部件钢架和支护结构本文以锦州25-1海洋石油平台为例进行平台地震分析。这种海上固定平台由3个基本部分组成:土壤、基础和上部结构。这些体系的组成部件采用钢管架型结构和混凝土重力型结构。钢管架平台有深桩基,它打入海底土中数百英尺,平台由钢管构建组成,形成三维的桁架-框架高度静不定结构。该结构从桩和导管获得它的竖向和侧向支承,然后通过该体系钻井。图2所示为锦州25-16腿柱导管架平台外形。工程上比较关注顶层甲板位移及柱腿底部单元的应力。图2标出了平台顶层甲板角点及6根柱腿的底部单元编号。4.1地震安全性评价流程及规范谱分析计算的海洋石油平台工程场址位于渤海北部辽东湾,场区水深为24.1～25.8m,海底地形平坦,场址工程钻孔钻至120.2m时剪切波速约为430m/s,在建筑抗震设计规范中场地类别为III类,在API规范中场地为C类。根据地震安全性评价的工作流程,首先对区域地震构造环境和近场区地震构造特征进行详细调查,分析区域和近场地震活动在空间和时间上的分布特征以及历史地震对工程场地影响烈度,为合理划分潜在震源区和确定地震活动性参数提供依据。进而用综合概率方法进行地震危险性分析,给出工程场点基岩地震动反应谱。再结合工程钻孔资料利用一维等效线性化波动方法进行土层地震反应分析计算,得到海底泥面的加速度时程及反应谱。具体的步骤和细节可参见《地震安全性评价技术教程》。下面给出平台场址超越概率50年10%的安评场地谱和根据建筑抗震设计规范及API规范给出的规范谱如图3。为简化算例分析,就上述3种具有相同峰值加速度(100Gal)的谱分别拟合3条随机地震动时程作为海洋平台结构的输入地震动(图4～图6)。4.2结构动力响应分析4.2.1平台底部位移本文将锦州25-1导管架平台设定为最简单的固端模型,约束导管架平台底部6个点各个方向的位移。此模型的前10阶频率如表2所示,结构前3阶振型是:第1阶发生Y方向的弯曲振动,第2阶发生X方向的弯曲振动,第3阶发生弯曲、扭转耦合振动(图7)。4.2.2结构的下位移时程用上文给出的3组随机地震动时程输入平台有限元模型(地震波作用为x+y+0.5z),得到甲板顶层4个角点的x,y方向的最大位移(见表3)和底部与泥面相连接的单元的最大弯曲应力(见表4)。并给出1050#节点不同工况下的位移时程如图8～图10。由以上分析可知:柱腿底部单元最大弯曲应力远小于所用钢材的屈服应力,场地谱时程输入得到的顶层甲板最大位移和柱腿底部单元应力大于我国船检局规范谱时程输入的结果,说明如果按照场地谱设计结构将偏安全。API谱是美国海域使用的谱,相同的地震动峰值输入下其结果大于场地谱时程和船检局规范谱时程输入下的值,柱腿底部单元最大弯曲应力最大差别达到了34.8%,说明美国在海洋平台抗震中考虑了更多的结构应力裕量。反过来也说明如果对于我国海域不经过工程地震的分析而简单地采用美国海域相应峰值加速度水平下的地震反应谱将会带来更大的工程造价,虽然对工程结构可能更加安全,但是是否经济合理仍值得商榷。5用规范和安评两种谱结果对比本文介绍了海洋固定石油平台的抗震现状,讨论了目前平台抗震设防的标准和目前平台抗震中存在的问题,并通过锦州25-1平台地震分析算例,比较了