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导管架海洋平台可靠性分析方法
随着社会的进步，科技和经济的迅猛发展，世界各国对石油、天然气等能源的需求越来越大，由于陆上油气资源的逐渐减少，已满足不了人类的需求。这样，人类就把目光投向占地球面积百分之七十一的蕴藏着丰富的生物资源和矿物资源的海洋。面对极其丰富、如此诱人的巨量海洋资源，各国加紧了海洋技术的开发，使海洋环境探测、海洋资源调查、海洋油气开发、海洋深潜和海洋生物技术等成为世界高技术竞争的热点。我国有18000多公里的海岸线，6500多个海岛。在近300万平方公里的海域内，大陆架海区含油气盆地面积近70万平方公里，蕴藏的石油资源量在150亿吨以上，天然气约14万亿立方米。各种形式的海洋能源总量超过4亿千瓦。因此，海洋资源的开发成为我国经济发展中有较大发展潜力的领域之一。
海洋平台结构复杂、体积庞大、造价昂贵，所处的海洋环境十分复杂和恶劣，风、海浪、海流、海冰和潮汐时时作用于结构，同时还受到地震作用的威胁。在此环境条件下，环境腐蚀、海生物附着、地基土冲刷和基础动力软化、材料老化、构件缺陷和机械损伤以及疲劳和损伤累积等因素，都将导致平台结构构件和整体抗力的衰减，影响结构的服役安全度和耐久性。另外，操作不当、管理不当等人为因素也直接影响海洋石油平台的安全性。随着对海洋平台复杂性的深入了解，越来越认识到海洋结构物结构性和系统性的风险分析的必要性。历史上曾有多次海洋平台的事故，造成了重大的经济损失和不良的社会影响。
海洋平台事故发生的直接原因主要是:(l)结构构件的强度储备不足;(2)浮力储备和稳定性不足;(3)平台管理和生产操作水平的不完善。而结构破坏模式主要有:(1)屈服失效;(2)屈曲失效(弹性或塑性);(3)疲劳失效;(4)脆性断裂失效。
因此，寻求结构的安全适用性和最佳经济效益，已经成为海洋平台结构的设计、使用、检测和维护中特别关注的问题，而结构可靠度则是解决这一问题的最佳结合点。
国内外研究现状
在海洋平台结构可靠性和疲劳寿命评估研究方面国内外已经有许多文献和研究成果出版，PeterW.Marshall(1969)和Bea(1973)最先将结构的可靠性理论运用于海洋平台结构的风险分析和环境荷载标准的选取，为海洋平台结构的可靠性研究奠定了基础。BenG.Burke和JameST.Tighe(1971)对4个不同水深(12Om一300m)的导管架平台结构在波浪和地震荷载作用下分别作了动力响应的解析数值计算分析，模型考虑了结构与水之间的相互作用，波浪水质点运动特性由Pierson一Moskowitz谱导出，基底地震激励由地震加速度时程曲线来摸拟计算分析，分别得到了平台甲板的变形、基底剪力和倾覆弯矩功率谱。BentBerge和JephPenZien(1974)对7个不同水深的导管架平台结构进行了波浪动力响应分析，采用均值为零，平稳各态历经的高斯随机过程方向波浪谱，用模态叠加法在频域内进行谱分析，得到结构的位移、转角、基底剪力很小，转动响应对平台结构的整体动力响应的影响也很小。
N.RogerMaddox(1974)对深水导管架平台结构进行了时间历程和谱疲劳分析，考虑了结构动力特性对疲劳寿命计算的影响，疲劳累计损伤采用Palmgren一Miner准则，环境荷载看成是由许多短期海况序列组成，每一短期海况假定为平稳、各态历经、狭带的高斯随机过程，用波高和周期来表示，波高和应力服从Rayleigh分布。
J.H.vughts和R.K.Kinra(1976)采用谱分析方法和波浪分布散步图，对固定式导管架平台结构进行基于概率统计的疲劳寿命评估，研究成果表明:(1)应用谱分析方法对导管架平台结构进行详细的疲劳分析是可行的，比较实用;(2)波浪和应力在各方向的概率分布比用确定性方法描述更符合实际情况，应力传递函数的系统误差可能影响应力长期分布的精确性;(3)应力传递函数的不确定主要是由作用在结构上的波浪荷载计算引起，如波浪力计算的线性化，管节点局部应力集中系数的选取等。
上海交通大学胡毓仁教授、陈伯真教授等对船舶及海洋工程结构疲劳可靠性分析理论进行了系统的研究，并出版了学术专著，书中主要对疲劳载荷的概率统计、疲劳强度的概率模型、疲劳累计损伤理论和疲劳寿命的估算、结构系统的疲劳可靠性分析和模糊疲劳可靠性分析等方面作了详细的论述。
石油大学方华灿教授、陈国明教授八十年代中期开展了海洋石油钢结构的模糊疲劳可靠性研究;九十年代运用断裂力学理论对海上结构物裂纹缺陷评估与寿命预测进行了研究;2000年完成了冰区海上结构物的可靠性分析研究，也出版了学术专著，书中包含了低温下材料的疲劳与断裂强度试验及其概率特性、海冰荷载的计算及其概率分析、冰区海上结构物的疲劳可靠性分析、冰区海上结构物的断裂可靠性分析、冰区海上结构物裂纹的安全可靠性评估等研究内容。
中国船舶科学研究中心石理国研究员等在研究D500系列管节点疲劳特性的基础上，探讨了影响疲劳寿命的因素，进行了局部应力一应变法及断裂力学法计算分析，建立了适用可靠的海洋平台管节点疲劳寿命计算方法。
浙江大学金伟良教授在结构可靠度数值模拟、结构体系可靠度及海洋平台结构的超载可靠性、动力可靠性、时变可靠性等方面均进行了研究。(l)在结构可靠度分析方面，提出了复合重要抽样方法、V空间重要抽样方法、结构体系可靠度的实用分析方法、改进的一次二阶矩分析方法以及非高斯分布变量的高精度结构可靠度概率积分万法;(2)开发编制了基于或独立SACS软件的结构可靠度分析系统STRAS和结构非线性极限承载力分析程序NASAUBC;(3)进行了海洋平台结构可靠度参数不确定性研究，提出了海洋平台设计的不确定性参数和结构体.系模型与荷载不确定性分析方法;(4)研究成果在5236一1、JzZO一2、WE工11一4C、WEN13一1、BZ28曰等平台的可靠性评估中得到了广泛的应用。
大连理工大学欧进萍院士在海洋平台结构的重分析、基于检测和维修结果的平台结构结算模型修正、构件应力比和强度储备比汇总评定结构整体安全度的方法、极限承载能力分析以及维修与报废决策等方面取得了系统的研究成果。
1．导管架平台管节点的疲劳可靠性分析方法
结构可靠度的计算方法是可靠性理论中的一个重要的研究内容，它涉及到结构可靠度理论在工程中的应用。但是，由于实际问题中，结构可靠性的求解较复杂:结构的功能函数可能是非线性函数，大多数基本变量不服从正态分布。在这种情况下，结构的功能函数一般也不服从正态分布，因而不能直接计算结构的可靠指标。这时需要进行结构可靠指标的近似计算。计算可靠度的方法均值一次二阶矩法;JC法;有蒙特卡洛法;响应面法。本论文使用的是均值一次二阶矩法。
均值一次二阶法是把线性化点x0，取在基本随机变量Xi的均值点µxi=µx1,µx2…µxn上，于是安全裕度
Z=g(µxi=µx1,µx2…µxn)+i=1n(Xi-µxi)(∂g∂Xi)µxi (1-1)
对上式分别取均值与方差得
µz=g(µxi=µx1,µx2…µxn) (1-2)
σz2=i=1nσXi2(∂g∂Xi)2µxi+i=1nj=1ncov(Xi,Xj)(∂g∂Xi)2µxi (1-3)
式中cov(Xi,Xj)为Xi与Xj的协方差。如果Xi与Xj对所有i和j都是互不相关的，则方差可化简为
σz2=i=1nσXi2(∂g∂Xi)2µxi (1-4)
可靠性指标
β=µzσz(∂g∂Xi)2µxi (1-5)
2.结构系统的疲劳可靠性
PNET法是把概率网络估算技术应用到结构系统可靠性分析。该方法认为，结构失效模式可分为主失效模式和次失效模式，再从主失效模式中选出G个代表失效模式。选代表失效模式的原则是:把主失效模式分组，在同一组里各主失效模式与一个代表失效模式高级相关，这个代表失效模式是该组所有失效模式中失效概率最高的。从相关条件可知，它可近似代表该组所有失效模式的失效概率。在计算中假定不同组间的代表失效模式是相互独立的。这样设G个代表失效模式中，第j个主要失效模式的失效概率为Pfj，则结构系统的失效概率为
Pfs=1-j=1G(1- Pfj) (2-1)
PNET法计算结构系统失效概率的基本步骤如下:
第一步:列出主失效模式Ek及相应的功能函数Zk (k=l，2..·I)，I为主要失效模式数，求出相应Zk的可靠指标βk。把各Zk按其βk值由小到大进行排序，并将所得序号作为失效模式排列次序的依据。这样重新得到主失效模式序列为Ek(k=1，2，…，I)。
第二步:取可靠指标最小的主失效模式E1作为一个代表失效模式。其他各主失效模式与此代表模式E1的相关系数Pi1(i=1，2，…I)。选定一个P0值(P0称为分区相关系数)，以此作为判别各主失效模式与此代表失效模式E1的相关程度的依据。当Pil>P0时，认为代表失效模式E1与主失效模式Ek完全相关，主失效模式Ek可用代表失效模式E1来代替，即主失效模式Ek可不考虑。否则当Pi1≤P0时，认为主失效模式Ek和代表失效模式E1，相互统计独立。这样把所有Pi1>P0的主失效模式归为一组，以E1为其代表。认为这组主失效模式与E1高度相关，并假设它们完全相关(即相关系数为1)，以E1的失效概率 Pf1作为这组主失效模式的失效概率。
第三步:从剩下的失效模式中找出可靠指标最小者作为第2个代表失效模式，按照第二步的方法，找出它所代表的主失效模式，并把它们作为新的一组主失效模式，假设它们完全相关，以第2个代表失效模式的失效概率作为这组失效模式的失效概率。重复以上步骤，直到主失效模式全部分组完毕。
第四步:将这些代表模式，按式(2-1)计算结构系统的失效概率。
PNET法采用分区相关系数作为主失效模式的相关程度的标准，显然P0的选取将直接影响结构系统的失效概率(或可靠指标)。如取P0=0，则得到过分偏危险的结果;如取P0=1则结果偏保守。根据结构系统失效概率的水平来取P0值，当失效概率为10-3量级，取P0=0.7；当失效概率为10-4量级，取P0=0.8；当工程很重要，失效模式数较少时，P0可适当增大。本文中取P0=0.85。PNET法以非常简单的方式考虑了失效模式间的相关性，而且精度较高。所以在对大型结构系统进行可靠性分析时，优先考虑采用 PNET法。
3.构件水平可靠性分析理论
构件水平可靠性分析理论的方法很多，有中心点法、验算点法、JC法等。这里重点介绍一下JC法：
实际工程中很多变量不服从正态分布，在这种情况下，一般要把非正态随机分布变量当量化为正态随机变量。将非正态随机变量当量化为正态随机变量可采用三种方法:当量正态化法，映射变换法，实用分析法。其中当量正态化法是国际结构安全联合委员会(JCSS)推荐的方法，故称为JC法。它的基本概念是在引用前面所述的方法时，将非正态的随机变量先行“当量正态化”。在设计验算点处，把非正态变量转化成正态变量，应符合下列条件:
(1)在设计验算点处，当量正态随机变量 (其平均值为，标准差为)的分布函数与非正态变量(其均值为，标准差为)的分布函数相等即:=
(2)在设计验算点:处，当量正态随机变量的密度函数与非正态变量的密度函数相等，即：=。
由条件(l)=
即
于是，可得当量正态分布的平均值为

由条件(2)=
或

于是，当量正态分布的标准差为
=
在极限状态方程中，在求得非正态随机变量的正态当量的、后，即可用改进的一次二阶矩法求可靠性指标和失效概率。
结语：
海洋平台是一个复杂的系统,结构体系的整体特性对于整个平台的安全至关重要.目前,通常的做法是采用一般的结构体系可靠度理论,通过截止枚举法或分支-约界法等方法寻找结构的主要失效模式;再利用FORM或SORM计算各主要失效模式的失效概率;最后采用结构体系可靠度的近似计算方法,如界限估计法和点估计法进行计算。这类方法存在以下局限性:(1)只能考虑结构的塑性铰失效模式,而且在结构模型中一般假定塑性铰位置已知,材料性质假定为理想弹塑性;(2)需要人为给定一些截取参数和临界参数,这些参数的取值会对主要失效模式的搜寻产生很大的影响,有时会漏掉一些主要的失效模式;(3)计算量较大,特别对于海洋平台这类复杂结构;(4)需要处理各失效模式的相关性问题。
近年来,基于Pushover分析的结构整体体系可靠度分析引起了关注,这种方法是把海洋平台结构作为一个能够抵抗水平及竖向作用的整体来考虑,计算其整体承载能力的可靠度.现有的文献中,对每一个具体结构都需要进行大量的Pushover分析,对于实际的复杂结构来说,每次分析的时间都很长,耗费大量的计算时间,大大限制了这种方法的应用。
本文只是就这些问题的某些方法进行了初步的了解和认识，在以后的学习生活中还期待进一步的了解和掌握。
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