海洋平臺結構靜動力分析

夏厚貴

0 引言

在海洋工程領域,固定式海洋平臺結構有著廣泛的應用。由于海洋平臺結構通常建在深海地區,結構除了承受靜荷載以外還受到波浪等動荷載的作用,會引起平臺結構的振動,產生較大的位移。為了確保安全,僅僅考慮平臺的靜態效應是不充分的,有必要考慮動力作用,進行平臺動力分析。當平臺結構的自振周期與波浪的周期相差較遠時,可只進行靜力分析,因為這時靜力分析結果與動力分析結果相差不大。

1 平臺結構形式及計算模型

該平臺泥面以上的總高程為98 m,在90 m和98 m處為工作平臺,其中主導管的直徑和壁厚分別為1.2 m,0.03 m,撐桿尺寸分為三種類型,分別為0.8 m,0.02 m;0.5 m,0.02 m;0.3 m,0.15 m,導管架底部采用等效樁的方式在6倍樁徑處固結,平臺的結構模型如圖1所示。

2 環境要素與波浪力計算

2.1 環境要素

該平臺所處海域的水深為80 m,極限條件下波高為5 m,波周期8 s,波長為120 m。

2.2 波浪荷載計算

對小尺度圓形構件,垂直于其軸線方向的單位長度的波浪力f可按Morison公式計算:

其中,Cd,Cm分別為拖拽力系數和慣性力系數;ρ為海水密度;D為圓柱直徑;u和˙u分別為水質點垂直于構件的速度和加速度。

在計算波浪力時應根據海區的波浪參數選用不同的波浪理論,本文選用斯托克斯三階波理論進行計算,除此之外還應對不同的波浪入射角和不同的相位角進行搜索,以得到在某一入射方向產生的最大波浪力及相應的波峰位置。

3 海洋平臺靜力分析

通過以上介紹的方法,首先對平臺結構進行靜力分析,得到最不利的波浪入射方向及其對應的波峰相位角,確定最不利波浪入射方向,為此對波浪入射方向進行 360°搜索,圖2為不同波浪入射角對應的水平波浪力,由圖2可以看出入射角為 45°時,平臺遭受的水平波浪力最大。

確定了最不利波浪入射角后,還要確定在此入射方向上,最大水平波浪力對應的波峰相位角,為此對波峰相位角進行360°搜索。圖3為波浪入射角為45°時,不同波峰相位角對應的水平波浪力,由圖3可以看出,當相位角為65°時,平臺遭受的水平波浪力最大。

由以上分析可知,當對平臺進行強度分析時,應選波浪入射角為45°,波峰相位角為65°。

圖4為波浪入射角45°,波峰相位角65°對應的平臺變形圖,由圖4中可以看出,在此種工況下平臺的最大水平位移為0.021 m。

表1 平臺固有頻率 Hz

4 海洋平臺動力分析

在進行動力分析時,通常首先要對結構進行模態分析,以確定結構的自振頻率,盡量使荷載的頻率與結構自振頻率錯開,經分析結構的前10階頻率如表1所示。

對平臺進行完模態分析后,還應對平臺進行波浪力作用下的瞬態分析,由于波浪入射角為45°時結構遭受的波浪力最大,所以進行瞬態分析時取波浪的入射角為45°。圖5為平臺頂點y軸方向位移與時間的關系。

5 結語

以上針對海洋平臺結構給出了平臺在波浪力作用下的靜、動力分析過程,通過分析得到,結構的固有頻率為0.989 8 Hz,結構的最大靜位移為0.021 m,結構頂點在 y方向的最大動位移為0.015 m。

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