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基于全寿命总费用最小的抗冰海洋平台优化设计* 李刚 张大勇 岳前进 大连理工大学，工业装备结构分析国家重点实验室，116023 摘要 我国渤海的油气资源主要由边际油田组成，渤海又是冬季结冰海域，需要建造既“抗冰”又“经济”的海洋平台；而且渤海海洋环境复杂，存在着许多不确定性。因此，平台从设计、建造、使用、维护直至失效报废等整个服役期内存在的各种风险。本文基于投资--效益准则，建立了抗冰平台全寿命总费用最小的优化设计模型；考虑了多种类型的性能要求（结构、设备、人员），并建立了相关判据；提出了包括结构的初始费用、维修费用和期望损失费用的冰区海洋平台全寿命总费用评估模型；提出了平台结构主要功能的确定及描述方法、相应的功能失效损失值损失值, 6] 2 寿命期内基于投资-效益准则的最优设计 结构整个寿命周期内总费用评估是实施投资--效益准则的抗冰振优化设计的关键，也是一个难点。一般来说，海洋平台的寿命期内期望总费用可以取[7]： （1） 其中， E[·]代表期望值；是初始造价；X代表设计变量矢量，可以是设计荷载和抗力，也可以是和设计荷载和抗力有关的参数；j表示灾害荷载作用的时刻，是随机变量；N(T)是在T时间段内的所有荷载工况，为随机变量；表示在第i个荷载工况下第j个失效模式的损失值，包括破坏损失、维修费用、使用功能丧失和人员伤亡引起的损失值等；表示在时刻tj的贴现因子，是年贴现率；为第i个荷载工况下第j个失效模式的失效概率；k是所有考虑的失效模式数，一般认为只须考虑为数不多的主要失效模式。 2.1结构初始费用 初始费用主要包括材料、设计和施工费用等。该费用的评估一般采用两种策略：一是在结构的具体设计过程中，直接根据结构具体设计方案进行估算；二是建立某一类结构初始费用与代表性的设计参数（如结构可靠度、设计强度等）之间的近似关系。这两种方法侧重点不同，前者注重结构的“个性”，计算简单，易在结构的具体设计阶段采用；后者强调结构的“共性”，需要针对一类结构进行研究归纳分析得到近似关系，适合于结构的概念设计或初始设计阶段。本文基于Jun Kanda的思想，将结构的初始费用近似为结构抗力的线性函数。[8]并且认为结构的初始费用是材料费用和劳动费用的总和，劳动费用可以是材料费用的60%，材料费用是混凝土和碳钢费用的总和，即 （2） 2.2海洋平台失效损失费用评估 失效损失费用的评估是一个很复杂的问题，它不仅仅是工程问题，还涉及到社会、经济、政治、人道等诸多因素。结构的失效损失一般可分为直接损失和间接损失，主要包括：由于结构失效所需要的维修和更换费用（包括结构本身、非结构构件及结构内物品、仪器、设备等）、结构丧失使用功能而引起的间接损失、人员伤亡的损失及由于结构失效而产生的社会、政治、心理上的损失等。 2.2.1冰荷载下海洋平台的主要失效模式和判别指标 抗冰振海洋平台的主要失效模式归结为以下三种[1]： （1）结构安全失效模式。包括极值静冰力作用下结构最大变形或强度超过极限值而引起结构破坏；动冰荷载作用下结构的管节点疲劳。 （2）人员感受失效模式。主要是动冰力下平台甲板振动导致作业人员感觉不适、影响工作效率甚至损害人的健康。 （3）上部设施失效模式。结构在动冰力作用下，平台的强烈持续振动引起管线断裂和法兰松动而影响设施的正常使用性能。 2.2.2冰荷载作用下海洋平台结构的期望损失费用评估 考虑极值冰荷载和动冰力不同荷载工况下结构的不同功能要求，冰区海洋平台结构的期望损失费用可以表示为: （3） 其中，，分别是寿命期内在极值静冰力下结构整体安全和动冰力下强烈的冰激振动引起人员、设施的损失以及常规冰荷载作用下结构疲劳失效的损失期望。若假设极端静冰荷载和显著动冰荷载的发生可以采用Poisson过程来模拟，并且其年发生率为v；结构抗力与灾害荷载下各种极限状态的失效概率均为时不变的，则（3）式各损失期望可以进一步写为： （4） 其中，、是极端静冰力和显著动冰力的年出现概率；a、b分别表示各种荷载下结构的失效模式数；、分别表示各种荷载下第k或m个失效模式的损失费用；是常规动冰力下结构的疲劳失效费用；是由于疲劳引起的结构维修费用；是基于疲劳分析的结构在寿命周期内维修次数；、分别是各种荷载下第k或m个功能失效的概率，可以表