第２８卷第３期 ２０１３年Ｏ６月 中国海洋平台 ＣＨＩＮＡ ０ＦＦＳＨ０ＲＥ ＰＬＡＴＦ（）ＲＭ Ｖｏ１．２８ Ｎｏ．３ Ｊｕｎ．，２ＯＩ３ 文章编号：１００１—４５００（２０１３）０３～００４９—０４ 固定式海洋平台地震荷载计算参数分析 彭绍源 （湛江南海西部石油勘察设计有限公司，湛江５２４０５７） 摘 要：固定式海洋平台地震荷栽的大小除了与地震强 度相关外，还与平台自身结构特性相关。为了使 平台的设计更加合理，对影响地震荷载的相关参数进行分析， 考查平台重量、刚度、计算振形数、阻尼比等参数 各参数取值的一般作法，可为工程设计人员提供 的取值变化对地震荷载的影响，同时根据工程实际需要，推荐 参考。 关键词：地震荷栽；重量；刚度；计算振形数；阻尼比 中图分类号：ＴＥ５３ 文献标识码：Ａ Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｓｅｉｓｍｉｃ Ｌｏａｄ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｉｘｅｄ ｏｆｆｓｈｏｒｅ Ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ＰＥＮＧ Ｓｈａｏ—ｙｕａｎ （Ｚｈａｎｊ ｉａｎｇ Ｎａｎｈａｉ Ｗｅｓｔ Ｏｉｌ Ｓｕｒｖｅｙ＆ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｚｈａｎｊｉａｎｇ ５２４０５７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｓｅｉｓｍｉｃ ｌｏａｄｓ ｏｎ ｆｉｘｅｄ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ａｒｅ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｏ ｓｅｉｓｍｉｃ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ｍｏｒｅ ｒａｔｉｏｎａｌ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｅｉｓｍｉｃ ｌｏａｄ ａｃｔｉｎｇ ｏｎ ｆｉｘｅｄ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｐｌａｔｆｏｒｍｓ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｐａ ｒａｍｅｔｅｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｍａｓｓ，ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ，ｓｈａｐｅ ｍｏｄｅ ｎｕｍｂｅｒ，ｄａｍｐｉｎｇ ｒａｔｉｏ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅｓｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｓ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｄｕｅ ｔｏ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｐｒｏｊｅｃｔ ｎｅｅｄｓ．Ｉｔ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ ｆｏｒ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｅｉｓｍｉｃ ｌｏａｄ；ｍａｓｓ；ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ；ｓｈａｐｅ ｍｏｄｅ ｎｕｍｂｅｒ；ｄａｍｐｉｎｇ ｒａｔｉｏ ０ 引言 在固定式海洋平台的设计中，要充分考虑地震荷载对结构的影响。结构中的地震荷载是由地面运动引 起的，其大小主要取决于结构物及基础的刚度。与其他大多数环境荷载不一样，地震荷载一般是随着结构及 基础的刚度变小而减小。如果通过在设计中降低结构及基础刚度来减小地震荷载，这样虽然能有效减轻地 震作用对平台的影响，但是在海洋环境条件较为恶劣的区域，平台将无法提供足够的刚度来抵抗环境荷载。 同时，和大多数其它形式的设施一样，想使海洋平台在最强烈地震条件下也不产生任何破坏，是不可取 也是不经济的。因此，采用合理的设计参数，使平台在适度的地震条件下具有合理的强度而不至于发生明显 的破坏，能满足平台服役期内的使用要求，是十分必要的。 固定式海洋平台地震分析方法 １．１ 响应谱法 收稿日期：２０１２—０６—１１； 修改稿收到日期：２０１３—０４—０８ 作者简介：彭绍源（１９８２一），男，工程师。 中国海洋平台 第２８卷第３期 在给定的地震作用期间内，结构体系的最大位移反应、速度反应和加速度反应随结构自振周期变化的曲 线，称为响应谱曲线。采用该曲线计算在地震作用下结构的内力和变形的方法即为响应谱法。 使用响应谱法时，应从已被验证的设计响应谱中查到相应结构自振周期的谱值，乘以有效地面加速度， 再沿着结构的两个正交的水平主方向相等地施加该谱值，在竖直方向上施加该谱值的１／２，ｊ个谱值应同时 施加。对于振型响应组合，可以使用完全二次组合（ＣＱＣ）方法，对于方向组合，可以使用平方和的平方根 （ＳＲＳＳ）方法。 １．２时间历程法 时问历程法在数学 称“步步积分法”，抗震没计中也称为“动态设计”，是在结构的基本运动方程中输入 地面加速度记录并进行积分求解，以求得整个时间历程的地震反应的方法。此法输入与结构所在场地相应 的地震波作为地震作用，由初始状态开始，一步一步地逐步积分，直至地震作用终了。使用时间历程法时，应 选取所考虑的每一个时间历程中的最大值的平均值来作响应分析。 以响应谱法为例，对固定式海洋平台地震荷载计算的相关参数进行简要分析。 ２ 地震荷载计算参数分析 ２．１重量和刚度 根据响应谱理论，单自由度体系地震荷载计算公式为： Ｆ＆一ｍ・ＳＡ（Ｔ） （１） 式中：ｍ为质点质量；Ｓ （Ｔ）为谱加速度。 有效地面加速度为１．０Ｇ（Ｇ为重力加速度）的标准响应谱曲线（如图ｌ所示） ］。 蓁 图ｌ地震响应谱曲线 图中：Ａ类土为岩石，即结晶状岩、砾岩或页岩，一般具有超过９１４ ｍ／ｓ的横波速度；Ｂ类土为浅硬冲积物， 即牢固砂、淤泥质和硬粘土，抗剪强度超过７２ ｋＰａ的土壤厚度小于６１ １ＴＩ，并且覆盖在岩性物质上；Ｃ类土为 深硬冲积物，即牢同砂、淤泥质和硬粘土，土壤厚度超过６ｌ Ｉ＂Ｉ１，并且覆盖在岩性物质卜。 由图１可以看出，曲线的主要形状及走向为：响应谱值随着结构自振周期的增大而呈现“①水平不变，② 直线上升，③水平不变，④曲线下降”的变化趋势。相应地，式（１）所示的地震荷载分段表示如下（以Ｃ类土 为例）： 第３期 彭绍源 固定式海洋平台地震荷载计算参数分析 ｒ Ｇ ａｒ０ Ｔ ＜ ≤０ ０４ｓ ． ０．０４ｓ＜ ≤Ｔ０ ｌ ． ｓｓ＜Ｔ≤Ｏ．７ｓＯ．１一｛２２０． １ｇＴ （２） ５ Ｉ１．８，ｎＪ／丁０．７ｓ＜Ｔ≤５ｓ Ｔ— （３） 式中：ｋ为结构刚度。 把式（３）代入式（２），得到地震荷载与结构质量（重量）和刚度更为直接的关系： ｒ ｍＧ ０＜Ｔ≤０．０４ｓ ｆ ２０ｍ一，２￣／Ｇ ０．０４ ＜Ｔ≤０．１ｓ Ｆ麟一 √走 （４） ｌ ２・ ｌ １．８￣／ Ｇ 由式（４）可以看出： ０．７ｓ＜Ｔ≤５Ｓ Ｔ≤Ｏ．７ｓ （１）对于自振周期的各个区间，在刚度不变的情形下，地震荷载随着结构质量的增大而增大，质量的变化 对地震荷载影响最大是区问②，最小的是期间④。 对于海洋平台而言，其重量荷载主要包括平台固定重量（包括结构、设备及附属构件）、实际活荷载、供应 和贮备荷载。由于地震运动是小概率事件，对于可变荷载，应采用折减的组合系数，各系数可按表ｌ选取。 表ｌ重量组合系数取值 对平台结构进行挖潜计算时，可对平台结构及设备重量进行优化，以减轻其固定重量；也可以采用被认 可的更低水平的可变荷载组合系数，该系数通过在平台服役期间对可变荷载进行人为控制来实现。 （２）在区间①和③内，地震荷载与刚度无关，在区间②内，地震荷载随刚度的增大而减小，在区间④内，地 震荷载随刚度的增大而增大。根据实践经验，固定式海洋平台的自振周期一般处于期间④内，因此可以认 为，地震荷载随刚度的增大而增大。 刚度由平台结构刚度和基础刚度共同决定，为有效减小地震荷载对平台的影响，可以考虑将平台整体设 计成较柔的结构，或者考虑选择基础刚度较小的场址。但是，由于刚度的减小会降低平台抵抗恶劣风暴条件 的能力，凶此，在设计中应当综合考虑两方面的影响。 ２．２计算振型数 采用振型分解响应谱法进行结构地震分析中，为了确保不丢失高振型的影响，需要指定一定数量的结构 计算振型数。 对于不考虑扭转耦联计算的结构，每个振型Ｊ在质点ｉ都有水平地震作用，地震荷载按照平方和的平方 根（ＳＲＳＳ）加以组合： 一 ㈤ 式中：Ｆ，为振型． 地震荷载值； 为结构计算振型数。 由式（５）可知，地震荷载随着结构计算振型数的增大而增大。一个结构系统振型数等于自由度个数，理 论上＿讲，以结构刚度矩阵自由度的总数作为结构计算振型数可完全包含全部地震作用效应。但在实际工程 中，出于节省资源和提高效率的考虑，没有必要取过多的振型数，因为最后的那些高振型对结构地震作用的 ・ ５２ ・ 中国海洋平台 第２８卷第３期 贡献很小。 ２．３ 阻尼比 文献Ｉ和文献２提供的地震响应谱曲线是以阻尼比 一５ 为基准的，因此该谱即为“标准谱”。如在 不等于５ 的情况下，需要对响应谱进行修正。下面分别根据文献Ｉ和文献２的公式，简要讨论 取值不同 时，其对响应谱值的影响。 根据文献１，响应谱值修正系数为 １ ｌ ２ ● ｒ， Ｏ ８ Ｏ ６ Ｏ ４ Ｏ ２ Ｏ Ｄ一 ４ （６） 分别取 一０．０２，０．０３５，０．０５，０．７５，０．８５，０．１几种情形，其Ｄ值计算结果如表２所示。 表２根据公式（６）计算的Ｄ值 将表２和表３的数据用图形表示即为： ＼ ～ …＼ ‰ ～一 — ０ ０ ０１ ０．Ｕ２ ０ ０３ ０．０４ ０．０５ ０ ０６ ０．０７ ０．ｔ）８ ０ ０９ ０ ｌ ０ ｌＩ ｆ 图２根据不同公式计算的Ｄ值 由图２可以看出，对于同一个阻尼比 ，采用公式（６）与公式（７）计算的响应谱值修正系数Ｄ值十分接 近；同时，Ｄ值随着阻尼比 的增大而减小，因此，地震荷载也随着阻尼比 的增大而减小。当 一０．０５时，Ｄ —ｉ，即不需对文献１和文献２提供的地震响应谱进行修正。 文献１规定，在计算有支撑的桩基钢结构的动力特性时，对于弹性分析，应使用单一的５ 的临界振型 阻尼比。也就是说，在对固定式海洋平台进行地震分析时，使用标准谱值即可。如平台强度计算不满足要 求，可以使用被认可的较大的阻尼比；或者考虑在平台结构上增设阻尼器以减小地震作用对结构的影响。 ３ 结论 通过对固定式海洋平台的重量、刚度、振型数、阻尼比进行分析，考查了各参数的取值变化对地震荷载的 （下转第５６页） ・ ５６ ・ 中国海洋平台 第２８卷第３期 ｍ／ｓ时，火焰与水平面夹角约为５６。。而当泄放流速为１００ ｍ／ｓ、风速１０ ｍ／ｓ时，火焰与水平面夹角约为 ３１。。由于在高泄放流速下，火焰倒伏受风速的影响较小，使火焰中心与海上平台甲板的距离较大，从而大大 减低了火焰对平台甲板上人员和设施的辐射热传递。 ３ 结论 利用模拟分析方法对海上平台火炬的燃烧特性，燃烧温度，火焰形态以及在不同风速下的抗倒伏能力进 行了分析研究。计算结果表明，当泄放流速为３１２ ｍ／ｓ时，７７０℃温度边界距泄放口距离约为５ １ＴＩ，而当泄 放流速为５０ ｒｎ／ｓ时，７７０℃温度边界距泄放口距离仅为２ ｍ。高速火炬可以增加火焰脱离距离，从而有效 避免高温燃烧对火炬头的损坏，增加火炬头的使用寿命。当泄放流速为３１２ ｍ／ｓ，风速１０ ｍ／ｓ时，火焰与水 平面夹角约为５６。。而当泄放流速为１００ ｍ／ｓ，风速１０ ｍ／ｓ时，火焰与水平面夹角约为３１。。高速火炬受风 的影响较小，可以有效降低对平台甲板上人员设备的辐射热。火炬热辐射是火炬臂长度设计的主要控制因 素，尤其当平台泄放量较大的时候，采用常规火炬设计往往会使火炬臂长度过长，如果采用高速火炬，可以在 一定程度上减小火炬臂的长度，从而优化设计。 参考文献 ［１］《海洋石油工程设计指南》编委会．海洋石油工程设计概论与工艺设计（海洋石油工程设计指南第１册）［Ｍ］．北京：石油 工业出版社，２００７ １ ２］ 中华人民共和国石油天然气行业标准．泄压和减压系统指南Ｉｓ］．ＳＹ／Ｔ １００４３—２００２． ［３］ 陈荣旗．海上平台火炬系统设计泄放量的确定１－３１．中国海上油气，１９９７，９（５）：４－７． ［４３夏志，李志军，周晓红，王春升．绥中３６—１油田老平台的火炬系统校核研究［Ｊ］．中国海洋平台，２００９，２４（６）：４６—４９． ［５］ 王东宝，匡晓峰．八角亭平台放空火炬热辐射强度的计算流体动力学模拟［Ｊ］．中国海上油气，２００５，１７（５）：３５６—３６０． Ｅ６］郭同玲．ＢＺ２８—１油田浮式生产储油装置火炬热辐射测试［Ｊ］．中国海上油气，１９９０，２（５）：１５—２２． ［７］何坚，诸凯，李汛，李惟毅．利用红外热像仪对海洋采油平台火炬辐射强度测试的实验研究［ｃ］．第九届全国红外加热暨 红外医学发展研讨会论文集，２００３，２５（６）． （上接第５２页） 影响，得到以下主要结论： （１）地震荷载随平台重量的增大而增大； （２）地震荷载随平台刚度的增大而增大； （３）地震荷载随着平台计算振型数的增大而增大； （４）地震荷载随平台阻尼比的增大而减小。 同时，根据工程实际需要，推荐了各参数取值的一般作法，可为工程设计人员更合理地选择设计参数提 供参考。 参考文献 ［１］ＡＰＩ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ Ｐｒａｃｔｉｃｅ ２Ａ—ＷＳＤ．Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｐｒａｃｔｉｃｅ ｆｏｒ ｐｌａｎｎｉｎｇ，ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ ｆｉｘｅｄ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｐｌａｔ— ｆｏｒｍｓ—ｗｏｒｋｉｎｇ ｓｔｒｅｓｓ ｄｅｓｉｇｎ［Ｓ］．Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，２０００，９． ［２］ 中华人民共和国国家标准ＧＢ５００１１－２０１０，建筑抗震设计规范［Ｓ］．中华人民共和国住房和城乡建设部，中华人民共和国 国家质量监督检验检疫总局，２０１０，１２． ［３］ 中华人民共和国行业标准ＪＧＪ３—２０１０，高层建筑混凝土结构技术规程［ｓ］．中华人民共和国住房和城乡建设部，２Ｏ１ｏ，１ｏ． ［４］龙驭球等．结构力学教程［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００１，１． ［５］王燕等．导管架式海洋平台阻尼隔振及减振技术研究［Ｊ］．力学与实践，２００４，２６（５）：２９—３３．