BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

MAI HỒNG QUÂN

NGHIÊN CỨU SỰ SUY GIẢM ĐỘ TIN CẬY THEO THỜI GIAN
CỦA CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP DO
ẢNH HƯỞNG CỦA TỔN THẤT MỎI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI 03-2014


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

MAI HỒNG QUÂN

NGHIÊN CỨU SỰ SUY GIẢM ĐỘ TIN CẬY THEO THỜI GIAN
CỦA CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP DO
ẢNH HƯỞNG CỦA TỔN THẤT MỎI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Xây dựng công trình biển
Mã số: 62 58 02 02-2 (mã số mới: 62580203)
Tập thể hướng dẫn khoa học
Thầy hướng dẫn số 1: PG.TS. Đinh Quang Cường
Thầy hướng dẫn số 2: GS. TS. Phạm Khắc Hùng

HÀ NỘI 03-2014



Mai Hồng Quân


-iii -

Mục lục
Lời cảm ơn ......................................................................................................................... i
Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu................................................................................ ix
Danh mục các hình vẽ ..................................................................................................... xii
Danh mục các bảng biểu ................................................................................................. xiv
Mở đầu .............................................................................................................................. 1

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ............................................................... 1
Ý nghĩa khoa học:.................................................................................................... 1
Ý nghĩa thực tiễn của luận án: ................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ AN TOÀN
KẾT CẤU CHÂN ĐẾ CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH BẰNG THÉP (JACKET)

1.1. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép .............. 4
1.1.1. Khái quát về công trình biển cố định bằng thép.............................................. 4
1.1.2. Các tải trọng tác động lên công trình biển cố định.......................................... 5
1.1.3. Yêu cầu cơ bản về thiết kế và thi công ........................................................... 5
1.1.4. Quá trình phát triển xây dựng công trình biển cố định bằng thép trên thế giới ... 6
1.1.5. Tình hình ứng dụng và triển vọng phát triển loại công trình biển cố định bằng
thép để khai thác dầu khí ở Việt Nam ...................................................................... 7
1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng các phương pháp đánh giá an toàn kết cấu
jacket trong các tiêu chuẩn hiện hành .................................................................. 8
1.2.1. Các phương pháp đánh giá an toàn sử dụng trong tiêu chuẩn hiện hành ......... 8
1.2.1.1. Phương pháp đánh giá theo các trạng thái giới hạn...................................... 8
1.2.1.2. Phương pháp đánh giá theo độ tin cậy ........................................................ 9

2.2.2.2. Phổ năng lượng của sóng .......................................................................... 20
2.2.2.3. Các phổ sóng thông dụng trong thiết kế kết cấu công trình biển ............... 21
2.2.2.4. Phổ vận tốc và gia tốc của phần tử nước do sóng ngẫu nhiên .................... 22
2.3.Tải trọng sóng tác dụng lên các phần tử mảnh của kết cấu jacket.............. 22
2.3.1. Tải trọng sóng tiền định ............................................................................... 22
2.3.2. Tải trọng sóng ngẫu nhiên ............................................................................ 23
2.4. Đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo điều kiện bền truyền thống ....... 24
2.4.1. Đánh giá an toàn của kết cấu dựa trên mô hình sóng tiền định ..................... 24
2.4.1.1. Xác định phản ứng động của kết cấu theo mô hình tiền định ..................... 24


-v -

2.4.1.2. Kiểm tra bền của kết cấu theo mô hình tiền định ....................................... 25
2.4.2. Đánh giá an toàn của kết cấu dựa trên mô hình sóng ngẫu nhiên .................. 25
2.4.2.1. Phương pháp phổ ...................................................................................... 25
2.4.2.2. Phương pháp giải trong miền thời gian ..................................................... 26
2.5. Đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo điều kiện mỏi truyền thống ...... 28
2.5.1. Đánh giá an toàn về mỏi của kết cấu dựa trên mô hình sóng tiền định .......... 28
2.5.1.1. Tính toán mỏi theo phương pháp tổn thất tích luỹ ..................................... 28
2.5.1.2. Tính toán tổn thất mỏi theo mô hình sóng tiền định................................... 29
2.5.2. Đánh giá an toàn về mỏi của kết cấu dựa trên mô hình sóng ngẫu nhiên ...... 30
2.5.2.1. Ứng suất ngẫu nhiên tại điểm nóng ........................................................... 30
2.5.2.2. Xác định tổn thất mỏi trung bình của điểm nóng trong trạng thái biển ngắn
hạn bằng phương pháp phổ .................................................................................... 31
2.5.2.3. Tuổi thọ mỏi trung bình của điểm nóng trong kết cấu jacket ..................... 33
2.6. Kết luận của chương 2 .................................................................................. 33
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP LUẬN ĐÁNH GIÁ MỨC SUY GIẢM ĐỘ TIN CẬY
THEO THỜI GIAN CỦA KẾT CẤU JACKET CÁC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH


3.6.1. Độ tin cậy ứng với trường hợp ứng suất trong kết cấu có phổ dải hẹp .......... 51
3.6.2. Độ tin cậy ứng với trường hợp ứng suất trong kết cấu có phổ dải rộng......... 51
3.7. Xác định ĐTC của kết cấu tại điểm xét dựa trên điều kiện mỏi mở rộng. 51
3.7.1. Kỳ vọng của tỷ số tổn thất mỏi mở rộng ...................................................... 51
3.7.2. Phương sai của tỷ số tổn thất mỏi mở rộng .................................................. 52
3.7.3. Độ tin cậy tính theo điều kiện mỏi mở rộng ................................................. 52
3.8. Đánh giá sự suy giảm ĐTC theo thời gian của KCCĐ jacket dựa trên ĐTC
thực tế (tổng thể) của KC tại điểm xét ............................................................... 52
3.9. Đánh giá mức độ suy giảm khả năng chịu tải của điều kiện biển cực đại
theo thời gian khai thác công trình ..................................................................... 53
3.10. Sơ đồ thuật toán đánh giá an toàn của kết cấu jacket theo các phương
pháp truyền thống và theo phương pháp luận của Luận án ............................. 55
3.11. Kết luận của chương 3 ................................................................................ 60


-vii -

CHƯƠNG 4: VÍ DỤ ỨNG DỤNG

4.1. Mở đầu .......................................................................................................... 61
4.2. Các số liệu đầu vào sử dụng trong ví dụ ...................................................... 61
4.2.1. Số liệu về công trình .................................................................................... 61
4.2.2. Số liệu về môi trường................................................................................... 62
4.3. Các phần mềm máy tính sử dụng trong ví dụ ............................................. 64
4.3.1. Các phần mềm thương mại .......................................................................... 64
4.3.2. Phần mềm tự lập “ RFCAL” ....................................................................... 65
4.4. Kết quả tính độ tin cậy theo điều kiện bền truyền thống .................................. 65
4.4.1. Kết quả tính nội lực ngẫu nhiên trong kết cấu .............................................. 65
4.4.2. Kiểm tra bền của phần tử thanh.................................................................... 67
4.5. Độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống của kết cấu jacket .................. 67

Danh mục các chữ viết tắt và ký hiệu
CTB

Công trình biển

CTB CĐ
TTB
ĐLNN

Công trình biển cố định
Trạng thái biển
Đại lượng ngẫu nhiên

QTNN
ĐTC

Quá trình ngẫu nhiên
Độ tin cậy
Ứng suất trong kết cấu

ߪ
ሾߪ ሿ

Ứng suất cho phép

ܴ

Khả năng chịu lực của vật liệu

ߛ௠

N
C, m

Hệ số an toàn về mỏi
Chiều sâu của vết nứt
số chu trình ứng suất theo đường cong S-N
C, m các thông số theo quy tắc Paris

∆௄
ܲ, ሾܲሿ

Hệ số cường độ ứng suất tại điểm nóng bị phá hủy mỏi

ߚ௧௞ , ሾߚ ሿ

Chỉ số độ tin cậy tính toán và chỉ số độ tin cậy cho phép

ܲ௙ , ൣܲ௙ ൧
ܲ஻

ܲ௠

ܲ௠்

Độ tin cậy và độ tin cậy cho phép của kết cấu
Xác suất phá hủy và xác suất phá hủy cho phép
Độ tin cậy theo điều kiện bền
Độ tin cậy theo điều kiện mỏi
Độ tin cậy theo điều kiện mỏi ở thời điểm T năm


x x

Phổ vận tốc của phần tử nước theo phương x và phương y

Sv v ( ω )
y y

Sa a ( ω )
x x

Phổ gia tốc của phần tử nước theo phương x và phương y

S a a (ω )
y y

F (t)

Tải trọng sóng tác động lên kết cấu tính theo công thức Morison

FD(t)
FI(t)

Thành phần lực cản của tải trọng sóng
Thành phần quán tính của tải trọng sóng
Mật độ nước biển

ߩ
CD

Hệ số cản vận tốc

Ma trận độ cứng, véc tơ chuyển vị nút và véc tơ tải trọng quy về nút
Hệ số khuếch đại động
Tần số dao động của sóng
Tần số của dạng dao động riêng thứ nhất của kết cấu
Chu kỳ của dạng dao động riêng thứ nhất
Hệ số cản của kết cấu khi dao động
Ma trận các dạng dao động riêng của kết cấu


-xi -

Mˆ

Véc tơ chuyển vị suy rộng của hệ
Ma trận khối lượng trong hệ tọa độ suy rộng

Cˆ

Ma trận cản nhớt trong hệ tọa độ suy rộng

Kˆ
Fˆ (t)

Ma trận độ cứng trong hệ tọa độ suy rộng
Véc tơ tải trọng trong hệ tọa độ suy rộng

ΦT

Ma trận chuyển trí của ma trận các dạng dao động riêng


Hàm mật độ phân phối xác suất của a

σmax

Ứng suất cực đại tại điểm đang xét

߂߱

Bề rộng khoảng tần số khi rời rạc phổ

߮௜

Góc lệch pha ngẫu nhiên

ߪ௪௠௔௫
ni

Ứng suất lớn nhất do tải trọng sóng ngẫu nhiên gây ra

ߪ௪

Ni
S-N
A,m
‫)ݏ(݌‬
SCF
‫ܦ‬ଵ௡ă௠

Ứng suất do tải trọng sóng ngẫu nhiên
Số chu trình của số gia ứng suất là ܵ௜

5

Hình 1.2

Các công trình biển cố định đã được xây dựng ở vùng nước sâu

7

Hình 1.3

Các trạng thái biển tác động lên công trìn

11

Hình 1.4

Điểm nóng kiểm tra bền và kiểm tra mỏi tại đầu ống

12

Hình 1.5

Sơ đồ mô tả các bài toán đánh giá an toàn cho kết cấu jacket

14

Hình 2.1

Sơ đồ phân vùng áp dụng của các lý thuyết sóng


36

Hình 3.2

Một thể hiện của ứng suất điểm nóng theo thời gian

39

Hình 3.3

Ứng suất được sắp xếp thành các nhóm

40

Hình 3.4

Một thể hiện của nội lực ngẫu nhiên trong kết cấu

41

Hình 3.5

Biểu diễn ứng suất theo bước thời gian

42

Hình 3.6

Phổ ứng suất điểm nóng S஢஢ (ω)


53

Hình 3.12

Sơ đồ thuật toán chương trình tính toán mỏi ngẫu nhiên RFCAL

57

Hình 4.1

Mô hình kết cấu chân đế

61

Hình 4.2

Thể hiện ngẫu nhiên của lực dọc trong thanh 101L-202L

65

Hình 4.3

Thể hiện ngẫu nhiên của mô men Mx trongthanh 101L-202L

65

Hình 4.4

Thể hiện ngẫu nhiên của mô men My trongthanh 101L-202L



Kết quả My trong thanh 101L-202L

69

Hình 4.10

Kết quả ứng suất điểm nóng R trong thanh 101L-202L

69

Hình 4.11

So sánh ĐTC theo điều kiện bền truyền thống và điều kiện bền mở

74

rộng
Hình 4.12

So sánh ĐTC theo điều kiện mỏi truyền thống và mỏi mở rộng

Hình 4.13

Ảnh hưởng của số lần xảy ra bão cực hạn đến độ tin cậy theo điều
kiện mỏi của công trình tính ở thời điểm năm thứ 23

Hình 4.13b Độ tin cậy tổng thể tại điểm xét của kết cấu

76

58

Bảng 4.1

Các thông số chính của công trình

60

Bảng 4.2

Số liệu sóng dùng tính toán bền

61

Bảng 4.3

Số liệu dòng chảy

62

Bảng 4.4

Số liệu gió

62

Bảng 4.5

Số liệu hà bám


68

Bảng 4.10

Phân phối sóng theo chu kỳ

68

Bảng 4.11

Xác suất của các TTB theo hướng 45o (Trung bình 1 năm)
o

70

Bảng 4.12

Xác suất của các TTB theo hướng 225 (Trung bình 1 năm)

70

Bảng 4.13

Xác suất của các TTB theo hướng 270o (Trung bình 1 năm)

70

Bảng 4.14

Kết quả tính toán độ tin cậy theo điều kiện mỏi truyền thống


Bảng 4.19

Kết quả tính toán mỏi mở rộng ở năm thứ 24

77

Bảng 4.20

Kết quả tính toán mỏi mở rộng ở năm thứ 25

77

Bảng 4.21

Tổng hợp kết quả tính toán độ tin cậy

78

Bảng 4.22

Quan hệ giữa chiều cao cóng Hs và ĐTC theo điều kiện bền

80

Bảng 4.23

Kết quả tính toán độ tin cậy yêu cầu theo thời gian

80

thời điểm bất kỳ trong quá trình khai thác, có kể đến tích lũy mỏi từ thời điểm xây
dựng công trình đến thời điểm kiểm tra, và việc xác định được tuổi thọ mỏi của


-2 -

từng vị trí trên kết cấu công trình có kể đến tích luỹ mỏi do sóng biển trong các
trạng thái biển cực đại đã gặp trước thời điểm kiểm tra giúp chúng ta có thể giải
thích được hiện tượng một số kết cấu công trình gặp sự cố khi gặp bão nhỏ hơn bão
thiết kế. Đây là một kết quả quan trọng của luận án, có ý nghĩa thực tiễn cho các
hoạt động khai thác và bảo dưỡng kết cấu công trình, đảm bảo quá trình khai thác
được an toàn dựa trên công tác tối ưu hóa được kế hoạch khảo sát, chương trình
khảo sát và duy tu bảo dưỡng kết cấu.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:
Đối tượng nghiên cứu của luận án là kết cấu chân đế công trình biển cố định
bằng thép dạng jacket chịu tải trọng sóng ngẫu nhiên.
Phương pháp nghiên cứu của luận án:
- Nghiên cứu phương pháp luận: nghiên cứu tìm hiểu phương pháp luận giải
các bài toán truyền thống (bài toán bền, bài toán mỏi) từ đó chỉ ra những vấn đề mà
các bài toán truyền thống chưa xét đến;
- Nghiên cứu ứng dụng: sử dụng các kiến thức cơ học, toán học và mô hình
xác suất để xây dựng các công thức để đánh giá sự suy giảm độ tin cậy của kết cấu
công trình biển cố định bằng thép .
- Thực hiện các tính toán bằng số (kết hợp phần mềm tính toán kết cấu SACS
với chương trình tự lập) để khảo sát kết quả ứng dụng phương pháp của luận án.
- So sánh với các phương pháp truyền thống để đưa ra các kết luận ứng dụng.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án;
- Nghiên cứu xác định các phản ứng ngẫu nhiên của kết cấu công trình biển cố
định bằng thép (nội lực và ứng suất ngẫu nhiên) do tác động của sóng biển.
- Nghiên cứu tổn thất mỏi ngẫu nhiên của kết cấu jacket do sóng biển gây ra