导管架式海洋平台在火灾作用下的结构响应分析

论文摘要

本文以某导管架式海洋平台为研究对象,着重分析在恶劣海况和池火火灾辐射作用下海洋平台的整体结构性能。归纳海洋平台火灾的成因,与当前流行的建筑火灾模型进行对比。建筑火灾多适用于描述着火过程、着火房间温度和烟气在建筑物内的流动,不能满足海洋平台火灾的研究需要。本文综述了建筑火灾领域中比较流行的半经验模型、场模型等,着重介绍适用于海洋平台特殊生产条件下的池火火灾模型。通过综合分析、比较现有的火灾模拟方法,参考国外成熟的半经验公式,分析了不同模型的适用性,提出适用于海洋平台池火的火灾特性计算方法。针对由燃料储罐发生泄漏而可能引起的池火火灾进行深入研究。分析池火火灾形成过程和机理,参考大量国外实验室规模和野外大规模池火火灾实验数据,分析了用于描述池火充分形成后的特性参数,总结了适用于海洋平台上大规模池火的半经验模型,给出各项火灾参数及火焰对其外部物体辐射效应的计算方法,并与研究受限空间火灾时比较流行的场模型进行综合比较,阐明半经验火灾模型在解决海洋平台火灾方面问题的优越性。结合高温下钢材热工性能及力学性能,利用有限单元法,建立海洋平台结构有限元模型,利用单元接触对耦合技术,将受火灾辐射影响部分桩腿由单纯的结构分析单元替换成热—应力耦合分析单元,首先,进行不同风向下火焰面对桩腿的热辐射分析,然后转换成结构分析类型,将温度结果施加到嵌入在平台结构分析模型中的热-应力耦合分析单元求解热应力,同时施加相应海况下的环境荷载,从而可得出海洋平台在火灾辐射荷载作用下的整体结构响应,以排除仅对单个结构构件进行分析时由约束条件的不确定造成的分析误差。本文考虑钢材在高温下性能的非线性影响,针对海洋平台池火特点提出适用于海洋平台火灾辐射分析的有限元模拟方法,对平台在风、浪、流、火灾热辐射荷载共同作用下的结构响应进行分析,为今后学术研究及海洋平台火灾防范的结构措施等实践工作提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 研究意义
• 1.2 研究对象
• 1.3 研究现状
• 1.3.1 火灾方面的研究
• 1.3.2 钢结构抗火方面的研究
• 2 温度对钢材特性的影响
• 2.1 概述
• 2.2 热影响下钢材的热工特性
• 2.3 热影响下钢材的力学特性
• 3 池火燃烧特性及其火灾模型
• 3.1 概述
• 3.2 池火火焰特点
• 3.3 燃料燃烧的行为特性
• 3.3.1 燃料种类
• 3.3.2 燃料的质量燃烧率
• 3.5 火焰形状
• 3.5.1 概述
• 3.5.2 火焰高度
• 3.5.3 火焰倾斜
• 3.5.4 火焰拖曳
• 3.5.5 小结
• 3.6 火灾辐射特性
• 3.6.1 火焰辐射特性参数
• 3.6.2 火焰表面辐射力
• 3.6.3 利用简化火焰形状计算火焰表面辐射力
• 3.6.4 利用F 因子求火焰表面辐射力
• 3.6.5 大气传输率
• 3.7 火灾辐射模型
• 3.7.1 概述
• 3.7.2 点源模型
• 3.7.3 表面发射模型
• 3.7.4 小结
• 4 平台数值分析模型
• 4.1 分析单元类型
• 4.1.1 BEAM 3 单元
• 4.1.2 PLANE 42 单元
• 4.1.3 PIPE 59 单元
• 4.1.4 SOLID 70 单元和SOLID 185 单元
• 4.2 创建平台有限元模型
• 5 热分析有限元方法
• 5.1 有限单元方法求解热传导问题
• 5.2 有限元方法求解热辐射问题
• 5.2.1 热辐射分析
• 5.2.2 面—面的瞬态热辐射分析
• 5.3 热—应力耦合分析
• 5.3.1 热应力分析
• 5.3.2 间接法进行热应力耦合分析的步骤
• 6 环境—火灾耦合作用下平台结构响应分析
• 6.1 工程背景介绍
• 6.2 环境荷载分析
• 6.2.1 风荷载计算
• 6.2.2 波浪荷载计算
• 6.2.3 海流荷载计算
• 6.2.4 环境荷载计算参数
• 6.3 环境荷载作用下结构响应分析
• 6.3.1 概述
• 6.3.2 不同风向下的波浪相位角
• 6.3.3 分析结果
• 6.4 热—结构间接耦合分析
• 6.4.1 概述
• 6.4.2 接触对的设置
• 6.4.3 温度分布
• 6.4.4 分析结果
• 6.5 小结
• 7 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文