考虑土-桩-结构相互作用的服役老化导管架平台地震性能研究

针对海洋腐蚀与地震耦合作用下老化导管架平台安全评估难题，研究人员通过1/20缩尺振动台试验和考虑土-桩-结构相互作用(SPSI)的有限元模型，揭示了近海与陆源地震中不同服役年限(0/20/30年)结构的动力响应差异，发现近海地震下结构倒塌概率提升2-3倍，20年腐蚀使风险增加20%-40%，为老化海洋平台抗震设计提供重要依据。

　　

随着全球油气资源需求增长，超过7500座海上导管架平台正面临服役老化与地震威胁的双重挑战。海洋环境中的高盐、高湿条件导致钢材腐蚀速率加快，而环太平洋地震带的地理分布使得这些结构长期暴露在地震风险中。传统研究往往孤立分析腐蚀或地震单一因素，且多忽略土-桩-结构相互作用(SPSI)的关键影响，导致老化平台的安全评估存在显著盲区。更严峻的是，现有平台中约53国的设施将在未来几十年达到设计寿命，但全面更换这些巨型结构的经济和技术可行性极低。

为破解这一难题，中国地震局工程力学研究所等机构联合开展创新研究，通过物理试验与数值模拟相结合的手段，首次系统量化了SPSI效应下腐蚀老化对平台抗震性能的影响规律。研究成果发表于《Ocean Engineering》，为延长老旧平台服役寿命提供了科学依据。

研究采用三大关键技术：1）基于相似理论的1/20缩尺模型振动台试验，模拟0/20/30年三种腐蚀状态；2）开发考虑SPSI的三维有限元模型，采用增量动力分析(IDA)进行抗震脆弱性评估；3）通过渤海8号平台实测数据建立腐蚀动力学预测模型。试验设计涵盖近场、远场及海底地震动三种工况，重点监测加速度放大因子、最大层间位移角(MIDR)和关键节点应变响应。

振动台试验结果验证
加速度响应显示，近海地震下结构顶部加速度放大系数达2.1-3.3倍，显著高于陆源地震的1.5-2.0倍。位移监测发现，服役30年的模型在D2测点（下部结构与甲板连接处）位移较新建平台增加37%，且腐蚀主要导致斜撑-腿节点处的应变集中效应加剧。

有限元模型与SPSI效应
数值分析表明：1）SPSI使结构基频降低18%-25%，导致地震能量更易输入；2）腐蚀使桩基塑性铰形成提前，20年服役平台的桩身弯矩峰值增加42%；3）IDA曲线显示，近海地震下30年服役平台的倒塌超越概率达43%，是陆源地震工况的2.8倍。

腐蚀与地震耦合机制
研究首次量化了腐蚀-地震协同损伤效应：1）飞溅区腐蚀使管节点疲劳寿命缩短60%，成为抗震薄弱环节；2）20年腐蚀使结构整体刚度退化26%，导致地震能量耗散能力下降；3）海底土层软化效应与上部结构腐蚀形成"双脆弱"系统，使位移响应呈非线性增长。

结论与行业价值
该研究建立了涵盖SPSI-腐蚀-地震多因素耦合的分析框架，揭示老化平台在近海地震中的高风险本质：1）服役20年是性能拐点，倒塌概率陡增20%-40%；2）斜撑节点腐蚀与桩基塑性发展构成连锁破坏路径；3）提出基于应变能密度的新型抗震评估指标。研究成果已应用于渤海海域7座超期服役平台的加固改造，为国家能源基础设施安全提供关键技术支撑。后续研究将聚焦腐蚀防护与抗震加固的协同优化设计，推动形成海洋工程全寿命周期风险管理体系。