海上固定平台结构设计（一）——总则

海上固定平台结构设计包括设计导管架结构、甲板结构和附属结构等各方面内容。例如确定结构布置原则，正确选用材料和计算载荷方法，选取适用的载荷系数，确定载荷组合方式，进行强度、刚度和稳性计算，编制材料表以及有关设计文件等。

固定平台结构设计的最终成果包含以下主要内容。

一、图纸文件

主结构和附属结构图纸

二、规格书

1、结构设计规格书

2、结构材料规格书

3、制造规格书

4、焊接规格书

5、装船运输规格书

6、安装规格书

三、设计报告

1、在位分析

2、施工分析

（1）吊装分析（包括吊点分析）

（2）拖航分析

（3）打桩分析

（4）装船分析

（5）下水分析

3、附属结构和构件分析

（1）吊耳设计计算

（2）防沉板设计计算

（3）靠船防撞构件设计计算

（4）桩腿连接设计计算

（5）直升机甲板设计计算

（6）火炬臂设计计算

（7）桩结构自由站立计算

4、重量控制报告

5、其他分析计算报告

四、材料表

平台结构设计应遵循的主要规范和标准。以下为最常用的：

一、国家标准

NE&TC, PRC, "Safety Rules for Offshore Fixed Platform" (2000). 中华人民共和国，“海上固定平台安全规则”（2000年）

二、企业标准

Q/HSn 3000-2002  Regulations for Offshore Ice Condition and Application in China Sea中国海海冰条件及应用规则

Q/HS 3003-2013 Structure Design Rules for Bohai Fixed Steel Platform渤海海域钢制固定平台结构合计规定

三、国外标准

API RP 2A-WSD American Petroleum Institute (API), RP 2A, Recommended Practice for Planning, Designing, and Constructing Fixed Offshore Platforms - Working Stress Design, 美国石油学会（API），RP 2A，《海上固定平台规划、设计和建造式的推荐做法——工作应力设计法》

AISC 335  Specification for Structural Steel Buildings- Allowable Stress Design and Plastic Design钢结构建筑规范-容许应力设计和塑性设计

AWS D1.1/ D1.1M  Structural Welding Code – Steel. 钢结构焊接规范。

结构分析程序

主要程序简介如下：

一、SACS

SACS软件是美国Engineering Dynamics公司为海洋平台和土木工程提供结构分析的一套软件工具。目前已发展成当今海事结构设计分析中应用最广泛的软件系统，Bentley SACS在海洋动力分析方面有自己独到的优势，为海洋工程师提供全面的分析和设计功能，包括：针对海上平台失效的非线性结构分析；风、海流、海浪和地震引起的动态响应分析；针对静力、地震和冲撞效应的分析；以及专门针对动态爆炸、撞船和结构倒塌等极端意外工况的高端分析。借助这些功能可以提高基础设施运营安全性，并且延长海洋工程结构的有效生命周期。

二、MOSES

MOSES是目前使用广泛的海上操作模拟软件，主要应用于浮体总体设计和海上操作模拟。MOSES软件是将海洋工程建模、模拟和分析整合于一体的软件工具，这种整合是工业软件的发展方向，它为工程师提供一个工具箱。通过MOSES软件可以很容易地建立各种模型、管理模型数据，并进行计算分析——以上操作都在一个程序中进行。除了各种专业功能以外，MOSES软件还有丰富的通用模块来服务于这些专业功能，把复杂的项目简单化。大多数的MOSES软件模拟结果都可以交互式地输出文字报告、图形报告，在三维环境下浏览，并可以输出统计报告。用户还可以定制输出报告，无需在一个非常长的综合报告中查找用户所需的数据。主要功能如下：水动力分析、下水分析、扶正分析、装船分析、时域和频域分析、压载和稳性分析、铺管分析。

三、SESAM

SESAM是DNV于1969年发布的一款强度分析软件，是全世界海事业优选的结构设计分析工具。SESAM软件包括三部分：DeepC（深水浮式系统锚泊耦合分析）、GeniE（固定式海洋平台板、梁结构分析）、HydroD（船舶与移动式海洋平台的水动力分析）。

四、ANSYS

ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件。在核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大，操作简单方便，已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。中国100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。

在海洋工程领域，ANSYS程序已用于导管架平台结构有限元分析，海底管道有限元分析，半潜式平台及锚泊定位系统有限元分析。

五、TNOWAVE(PDPWAVE)

TNOWAVE(PDPWAVE)程序由Profound B.V. 开发，是用于桩基础分析等领域的软件。TNOWAVE程序包括四部分：PDPWAVE，DLTWAVE,SITWAVE和VDPWAVE。其中PDPWAVE的主要功能如下：

冲击锤打桩分析：可用于协助承包商、基础工程师和咨询师对于特殊的工程承包、载荷工程、位移、轴向摩擦力、能量和打桩深度等不同情况确定桩和锤的类型。

平台结构设计的基础资料

对于海上平台的设计和建造，首先需要掌握足够的基础资料，然后按照一定的设计条件和标准进行。在着手进行结构设计之前，要对各种基础资料和设计条件进行全面的调查和研究，以便选择合理的结构形式。其次是根据设计条件和一定的设计标准和规范对平台作出周密的规划和布置，以便确定设计载荷，对结构进行强度、刚度、稳性分析。一个好的设计应该是既经济又安全可靠的工作，同时还可满足所要求的的各种功能。

由于平台结构设计的基础资料种类繁多，以下只能概要的论述部分基础资料。

一、主要设计条件

海上平台结构设计应该明确和掌握的主要设计条件包括使用条件、环境条件和地质条件。

1、使用条件

平台的使用要求主要包括平台的用途和工艺要求。

平台设计和建造之前，应由平台使用部门明确平台的用途，如钻井、采油、储油、居住或其他用途，或同时具备其中几项用途。根据用途决定使用条件。

平台设计一般应明确下列使用要求。

（1）使用年限；

（2）平台设置的位置及该位置的水深；

（3）平台是否有人居住，若有人居住，居住人数、人员上下平台方法及紧急状态的撤离方法；

（4）平台工艺布置要求及处理方法；

（5）供应船的尺度、停靠方式；直升机的型号及直升机停泊的布置；起重设备的能力及数量；

（6）油气井的数目、间距；

（7）对于保证工作人员和设备的安全、防止污染、减少振动及防火的措施。

2、环境条件

海上平台在安装使用期间始终是处在海洋环境之中，有产生荷载作用的风、波浪、潮汐、海流、海冰、地震、还笑等，有影响工作条件的雨、雪、雾、霜、温度、湿度等，有关荷载计算及平台使用寿命的地基土壤、海水腐蚀、海生物附着和含盐度等。

在平台设计中，确定设计环境条件时，常将环境条件分为下列两种情况：

工作环境条件：是指平台在施工和使用期间经常出现的环境条件，以保证平台能正常施工和生产作业为标准。

极端环境条件：是指平台在使用年限内，极少出现的恶劣环境条件，作为保证平台生存标准。其选用各种载荷重现期均大于平台使用年限。

对不同的设计环境条件其载荷资料取值及处理也是不同的。

应当尽量收集和充分掌握环境资料，才能对环境条件作出适当的较符合实际的分析。如果有条件可根据需要在拟建平台的海域中增设相应台站，对已建成的海上平台，同时增设水文，气象观测站也是可行的，以不断扩大、收集积累资料。

3、工程地质条件

在平台设计之前，对平台位置海域进行地质调查，收集现场海底地貌情况，浅地层剖面及地球物理测量结果，以及周围土层的分类、年代、成因类型、状态、分布规律，软硬岩土层的接触关系及接触面的坡度、坡向，了解本海域不良工程地质现象，如海沟、古河道、断层及海底冲刷情况。根据以上资料，分析该场地工程地质条件，判断不良地层现象对平台安装的影响，推荐适宜建筑地基的持力层。

二、基础资料

与上述设计条件相关的平台结构设计基础资料主要包括下述内容。

1、环境条件资料

（1）地理位置

地理位置包括油田及平台所属海域，离岸距离，经纬度数据等。

（2）水深及水位：

水深及水位包括以下内容;

油田的海图水深，单位米（m）

极端高水位，单位米（m）

极端低水位，单位米（m）

操作高水位，平均海平面，单位米（m）

操作低水位，平均海平面，单位米（m）

（3）风、浪、流资料：

风、浪、流包括如下有关资料：

强风向，强浪向，强流向； 

重现期分为1年、10年、25年、50年和100年的有效波高，最大 波高，单位米（m）；有效波周期，平均跨零周期，波普峰值周期，单位秒（s）；

重现期分为1年、10年、25年、50年和100年的1h平均风速，10min平均风速，1min平均风速，3s阵风风速，单位米/秒（m/s）；

重现期分为1年、10年、25年、50年和100年的表层流速，中层流速，底层流速，单位米/秒（m/s）。

除此之外，应要求有关方面提供考虑方向的波浪、风和流3个参数的联合概率值。

（4）海水资料

最大冰期、最小冰期和平均冰期，单位日（d）；

重现期分为1年、10年、25年、50年和100年的单层冰厚，单位厘米（cm），及其抗压强度，单位MPa；重叠冰厚，单位厘米（cm）），及其抗压强度，单位MPa。

（5）海生物资料

海生物分布情况：不同高程的厚度，单位厘米（cm），以及平均值，单位厘米（cm）；不同高程的饱和密度，单位g/cm³，以及平均值，单位g/cm³。

（6）地震资料

地震资料包括地震烈度及地震加速度和地震反应谱等。

（7）地基资料

地基资料包括钻孔资料和冲刷深度等。

2、载荷条件资料

载荷条件资料将在以后用整篇文章介绍。

三、装船设备和方法

需要确定导管架和甲板是采用滑移的方法装船还是采用吊装的方法装船。

对于采用滑移的方法装船，应明确在装船过程中支撑条件的变化。支撑条件一个考虑可能的沉降和驳船的运动。

对于采用吊装的方法装船，应按照有关规范的要求执行。

1、吊装设备和方法

在进行吊装分析时，应明确有关的设备和方法。

应注意吊装设备的安放和使用，其中吊绳与水平面的夹角不宜小于60度。

2、拖航设备和方法

在进行拖航分析时，应明确有关的设备和方法。