近年来,南海海域台风频发,且呈现出强度大、影响大、灾害重特征,对海洋油气设施安全性能构成严重危害。我国正在加紧实施南海油气资源开发战略,因而有必要开展超强台风下导管架平台倒塌机理与灾变模拟研究,为我国南海大型导管架平台的抗台工程及安全运行提供技术支撑。本文依托国家自然科学基金项目“超强台风下大型导管架平台动力灾变模拟及损伤控制”,系统开展导管架平台结构倒塌分析与模拟技术,在导管架平台风载评估、甲板上浪载荷计算、结构极限状态确定、平台动力倒塌分析、倒塌全过程动态模拟以及连续倒塌鲁棒性评定等方面取得较大研究进展,部分研究成果填补了国内外空白。主要研究进展总结如下:1.导管架平台上部组块风载分析及数值模拟建立导管架平台上部结构缩尺模型,采用测压实验和测力实验有效获取上部组块风压分布与风载荷大小;基于CFD技术对平台上部结构周围风场进行模拟,研究上部结构风压系数、体型系数以及风载随风向角的变化规律,并与实验结果,规范推荐公式计算结果进行对比分析,结果表明实验与仿真结果吻合较好,规范计算的风载荷偏保守;进一步,根据测力实验结果,采用“分块法”,确定平台各模块在“海燕”台风下的风载荷大小及加载方案,为开展固定式平台在超强台风下的上部结构安全校核提供参考。2.超强台风下导管架平台极端波浪载荷研究研究规则波与不规则波浪的数值计算方法,采用MATLAB编制不同波浪理论计算程序,实现波面、水质点速度时间历程的数值计算;考虑波浪谱性、随机性以及非线性因素,基于P-M谱和随机New Wave理论,实现极端环境下随机波浪过程的短时模拟。针对导管架平台甲板上浪问题,分析总结国外提出的细节构件法和侧面轮廓法,基于Ariy波、Stokes 5th波以及New Wave理论,推导拖曳力方程模型和动量方程模型的上浪载荷时程理论计算公式,利用MATLAB工具箱对整个上浪过程进行模拟,引入等效拖曳力系数Ceq对比不同模型的差异与共性,为上浪载荷模型的选取提供参考;根据三线性简化上浪载荷模型,建立不同波浪理论下导管架平台甲板上浪载荷计算方法与分析流程,为开展上浪载荷下的平台性能评估提供技术支持。3.导管架平台抗台风倒塌性能评估建立大型导管架平台倒塌分析多维非线性有限元模型,基于Pushover对其抗台风极限承载能力进行研究,考虑固支与桩-土非线性两种边界约束,分析平台在设计载荷下端向、斜向与侧向三种方向的承载能力曲线与塑性应变分布,探讨平台极限承载能力与失效模式的内在关系;进一步考虑甲板上浪载荷对平台进行渐进式推覆分析,研究不同上浪高度下平台承载能力与失效模式的演变规律,揭示平台在台风环境下的倒塌机制与失效机理。在Pushover方法的基础上,提出载荷序列增量分析(LSIA)方法,用于极端环境下的导管架平台抗倒塌性能评估;基于LSIA等效承载能力曲线,提出倒塌重现期NCP,使得平台性能评估指标具体化、形象化,为平台风险预警及完整性管理提供直观参考;采用三参数Weibull分布计算不同重现期对应的环境载荷参数,在此基础上,应用LSIA对两座不同结构形式的导管架平台抗倒塌性能进行评估,阐明LSIA方法的优势。4.极端环境下导管架平台非线性动力分析基于非线性动力分析和HHT-α数值积分方法,分析平台在不同上浪高度下的动力响应,探讨平台动力放大效应在弹性和塑性阶段的变化规律,以及载荷动态特性对平台极限承载能力与失效模式的影响;提出DPA和LSIDA两种平台动力倒塌分析方法,并建立其倒塌状态判据与指标体系,发展和完善了深水导管架平台倒塌评估理论;分别从平台极限承载能力、结构位移响应以及失效模式三个方面对DPA与Pushover,LSIA与LSIDA进行对比分析,阐明动力倒塌分析方法的必要性及优势;进一步,将New Wave理论引入到DPA中,首次对平台在不规则波浪载荷下的动力倒塌行为展开研究;基于改进New Wave理论,分析平台在随机波浪作用下的动力响应,并采用蒙特卡洛法,对平台在极端环境下的位移响应进行统计分析,得到平台水平位移响应分布参数。5.导管架平台动力灾变倒塌全过程仿真综合考虑隐式有限元与显式有限元方法的优点,建立超强台风作用下导管架平台结构倒塌数值仿真技术流程;开发导管架平台隐式与显式有限元模型转化程序,解决极端动态风暴载荷在显式动力有限元中的高效计算与精确施加难题;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首次实现钢制导管架平台在极端海洋环境载荷作用下的倒塌全过程仿真,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;研究平台倒塌过程的内力变化规律,确定构件失效顺序,为揭示平台倒塌机理及抗台设计的理论研究提供可视化平台。6.导管架平台连续倒塌鲁棒性评定以极限状态分析为基础,采用AP法,研究损伤构件对平台抗倒塌能力的影响规律,基于确定性指标DSR、RIF和SRF评估平台的鲁棒性;考虑环境载荷分布对平台抗力的影响,基于多条带分析(MSA)和LSIA建立随机平台在随机载荷下的可靠度评估方法,提出导管架平台“安全评定图”概念,有效计算平台系统的倒塌概率;在此基础上,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,将基于风险的结构鲁棒性指标引入导管架平台连续倒塌评估体系中,建立损伤平台的条件鲁棒性评估方法与评估流程,为进行导管架平台抗连续倒塌设计提供参考。