火灾作用下CⅡ海洋平台的承载能力分析

论文摘要

海洋平台是海洋油气资源开发的基础性设施,是海上生产作业和生活的基地。基于海洋平台整体的抗火研究,能够有效地利用结构构件间的联系,分析平台结构的抗火能力,最终达到节约钢材,节省建设成本的目的。本文以平台结构的抗火性能为研究目标,以CII海洋平台为研究对象,较为系统地对油罐火灾和波浪力联合作用下平台的整体响应过程及响应机理进行了分析和研究。火灾燃烧研究是结构抗火的前提。本文介绍了火灾燃烧的特性以及海洋平台的火灾特点,分析火灾发生时钢结构海洋平台的温度场和结构响应。根据油罐火灾的燃烧特点,以油品表面热反馈的能量平衡为依据,建立油罐火灾燃烧过程的通用模型,通过迭代方法,计算得到质量燃烧速度。在Mudan模型的基础上,建立着火油罐稳定燃烧时的热辐射模型,基于能量守恒原理,计算油罐周围辐射热流的水平和垂直分布,得到平台结构温度随时间的变化模型,分析得到受火区域构件的温度场。根据CII海洋平台的有限元模型,应用温度升高时钢材的非线性应力-应变关系,通过ANSYS有限元模拟,计算海洋平台结构在温度、波浪力和风荷载作用下的响应。火灾发生时,平台结构构件的温度逐渐升高,由于钢材的弹性模量和屈服强度都急剧下降,使平台结构的承载能力下降。研究表明,对于A桩腿附近着火的CII平台,东北方向波浪力比西南方向波浪力具有更大的破坏作用,考虑方向周期改变的波浪力比恒定的波浪力更有破坏性。本文的研究方法和技术路线对海洋平台结构的抗火研究具有实际参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 工程背景与研究意义
• 1.1.1 概述
• 1.1.2 钢结构抗火研究的意义
• 1.1.3 大型钢结构的火灾特点
• 1.2 国内外的研究现状
• 1.2.1 钢结构的结构响应研究
• 1.2.2 结构抗火设计方法的进展
• 1.3 火灾的研究方法与技术路线
• 1.3.1 火灾的研究方法
• 1.3.2 火灾的燃烧模型
• 1.3.3 火作用下钢结构的温度响应
• 1.4 本文主要工作
• 2 火灾温度场的理论分析
• 2.1 火灾与其温度-时间曲线
• 2.1.1 海洋平台的火灾特点
• 2.1.2 火灾的温度时间曲线
• 2.2 热分析的基本材料属性
• 2.2.1 热工性能参数
• 2.2.2 高温下钢材的力学性能
• 2.3 应力-应变关系模型
• 2.4 热载荷
• 2.5 热传导方程和单值性条件
• 2.5.1 热传导方程
• 2.5.2 单值性条件
• 2.5.3 瞬态热传导的求解原则
• 2.6 火源释热率
• 2.6.1 火源的分类
• 2.6.2 火源释热率的计算
• 2.6.3 火源发热量
• 2.7 本章小结
• 3 火灾作用下海洋平台温度场的理论分析
• 3.1 火灾环境温度计算数学模型
• 3.2 计算油罐火灾的燃烧速度
• 3.2.1 油品表面热反馈的能量平衡
• 3.2.2 辐射换热的计算
• 3.2.3 对流换热的计算
• 3.2.4 导热量的计算
• 3.3 火焰温度场数学模型
• 3.3.1 假设条件
• 3.3.2 火焰高度数学模型
• 3.3.3 火焰倾斜角度数学模型
• 3.3.4 角系数的确定
• 3.4 辐射力的确定
• 3.5 不同高度的目标平面的辐射热分布
• 3.6 本章小结
• 4 火灾作用下的海洋平台结构响应
• 4.1 结构整体响应分析基础
• 4.1.1 结构的整体安全性和设计要求
• 4.1.2 悬链线效应
• 4.2 结构抗火极限状态分析和模型参数
• 4.3 CII 海洋平台有限元模型
• 4.3.1 ANSYS 简介
• 4.3.2 CⅡ海洋平台有限元模型
• 4.4 火灾作用下海洋平台结构整体响应分析
• 4.4.1 基本假定
• 4.4.2 波浪力计算
• 4.4.3 六种加载情况下平台的有限元分析
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 主要工作
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 硕士期间发表的论文