老龄海洋平台灾变性倒塌机理及鲁棒性研究

Collapse is an extreme case of structural failure, exposing the weaknesses that the structure resists the initial damages and continuous damages, and so being a great potential hazard to the safety of structures. The goal of this research is to understand the progressive collapse mechanism and to assess the robustness of ageing offshore platforms with initial damages. The specific objectives of the research are as follows: (1)To study the gradual failure process of offshore platforms in collapse under catastrophe condition, to reveal the mechanism of damage evolution and collapse failure, to analyse the transfer and alteration of failure paths in the collapse process, and to discuss the internal force redistribution and collapse modes. (2) To develop the finite element -discrete element coupled numerical simulation method for offshore platform progressive collapse process, to simulate the nonlinear dynamic behavior of the components and the structure, and to visualize the whole process of progressive collapse. (3) To propose new robustness index and the quantitative robustness analysis methods for damaged structures, and to assess the reliability of offshore platforms resisting collapse. Closely related with offshore oil-gas exploitation, this research effort will promote the theory and method development of ageing offshore platforms resisting collapse under catastrophe condition, and have a good academic value and application prospect.

倒塌是结构失效的极端情况，暴露出结构抵抗初始局部破坏和连续性破坏的薄弱性，具有极大的潜在危险。本课题面向具有初始损伤的现役老龄导管架式海洋平台结构，以其自身结构特点和动力学特性为立足点，系统开展平台连续倒塌机理及整体抗倒塌鲁棒性研究。主要内容包括：(1)深入研究灾变条件下导管架结构的渐进倒塌破坏过程，揭示平台损伤演化和破坏倒塌机理，明确倒塌过程中失效路径传递与变化规律，探讨内力重分布机制及倒塌模式；(2)综合有限元及离散元方法的优势，开发平台倒塌过程的数值仿真方法，模拟平台构件和结构的高度非线性动力行为，实现倒塌过程的可视化；(3)提出表征平台结构鲁棒性的指标，研究损伤结构的抗倒塌鲁棒性定量分析方法，进行平台整体抗倒塌失效能力的可靠性评价，为平台失效模式控制提供依据。本课题与我国海上油田开发现状紧密结合，有助于老龄结构在偶然灾害作用下抗倒塌设计方法的发展，具有良好的学术价值及工程应用前景。

本课题面向具有初始损伤的老龄导管架海洋平台结构，以其自身结构特点和动力学特性为立足点，系统开展平台连续倒塌机理及整体抗倒塌鲁棒性研究。课题的研究采取理论分析、试验研究与数值仿真相结合的方法，从以下4个方面展开。. 首先，进行缩尺导管架模型的连续倒塌实验研究，通过破坏不同位置的构件进行竖向加载试验，分析平台的内力重分布情况，观察破坏的蔓延过程，研究初始损伤对倒塌发展过程的影响；对导管架平台进行推覆实验，分析X型和K型不同几何拓扑构造对平台抗力水平及倒塌模式的影响。第二，针对突发事件下“局部破坏”可能引发的连续倒塌现象，建立导管架平台结构的失效路径搜索及概率评估理论，采用逐步施加增量载荷的方法，并结合广义承力比准则，从确定性及可靠性角度评定了导管架平台的失效树及失效路径；同时，采用备用荷载路径方法(AP方法)，研究倒塌过程中平台结构的力学分布特性和状态变化规律，分析构件失效后的平台剩余系统的动力效应和内力重分布规律，从而揭示平台结构的连续倒塌机制；进一步，分别从承载能力及能量方法角度提出构件的敏感性系数，研究不同类型结构的抗倒塌关键构件的存在规律。第三，综合考虑隐式有限元与显式有限元方法的优点，建立导管架平台结构倒塌数值仿真流程；提出平台构件失效准则，综合考虑平台后继倒塌过程中的接触、碰撞等非线性因素，利用LS-DYNA实现钢制导管架平台的倒塌全过程仿真，再现平台从构件失效至局部结构破坏至最终整体倒塌的动态过程。第四，为有效描述海洋平台服役周期内结构整体对于“突发局部损伤”的抵抗能力—鲁棒性，首先基于确定性指标DSR、RIF和SRF评估平台的鲁棒性；随之，考虑随机参数对结构鲁棒性的影响，建立基于概率分析的平台鲁棒性定量评估方法；进一步，综合考虑载荷和材料的随机性，并定量刻画“突发事件”引发局部损伤的时间、类型和位置的不确定性，提出一种全寿命周期动态鲁棒性指标，并建立相应的鲁棒性评价流程；同时，考虑海洋平台结构连续倒塌问题的显著非比例性，提出基于风险分析的海洋平台结构鲁棒性评价指标，实现对老龄海洋平台的条件鲁棒性和风险鲁棒性的评价。. 本课题围绕老龄导管架平台倒塌破坏机理与抗倒塌鲁棒性评价这一关键问题，研究成果可为导管架平台抗连续倒塌设计提供参考。有助于老龄结构在偶然灾害作用下抗倒塌设计方法的发展，具有良好的学术价值。