渤海單立柱桶型基礎平臺抗冰振分析

張大勇，車嘯飛，岳前進，崔 航，馬春杰，張永軍

（1大連海洋大學 海洋工程學院，遼寧 大連116023；2大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連116023；3中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452；4大連市建設控股有限公司，遼寧 大連116024）

1 引 言

在渤海油田開發建設中，平臺建設在總投資中占有重要比例。重力式平臺和樁基導管架平臺是目前常見的海洋平臺型式。這兩種平臺花費昂貴，通常占工程全部投資很大的比例。以鋼質導管架型平臺為例，樁的用鋼量幾乎與導管架相當。而平臺的海上安裝費用，也近占平臺總造價的一半。桶形基礎作為海洋工程結構的一種新型基礎形式,具有結構形式簡單、容易制造、節省鋼材、安裝就位方便、無需大型打樁設備、減少海上作業時間和降低成本等優越性。這些優越性使得桶形基礎平臺在近海油田開發中具有廣闊的應用前景。

世界上丹麥、挪威等國已經廣泛采用桶型基礎平臺，并實現了大型桶型基礎導管架平臺[1]。我國自1996年至2000年，先后設計并成功安裝了海上打靶平臺，錦州9-3油田系纜平臺、立管平臺及靠船結構等6座桶型基礎平臺。目前，人們對桶型基礎平臺的研究主要圍繞基礎部分開展：（1）吸力式基礎的沉貫阻力和安裝穩定性；（2）基礎穩定性。包括：吸力式基礎的沉貫[2-3]、地基穩定性[4-5]、土體循環荷載下的本夠模型等。對于渤海冰區油田而言，冰荷載對海上結構物的作用甚大，動冰荷載對桶型基礎平臺的影響還沒有得到清楚的認識，這是制約我國冰區桶型基礎平臺開發的主要因素之一，因此，我國渤海在該類平臺的應用還僅限于小型輔助結構的開發。本文基于對渤海遼東灣單立柱式桶基平臺的多年現場監測，發現其冰振加速度響應顯著，明顯高于導管架平臺結構。利用安全壽命法對一實際桶基平臺進行了冰振疲勞壽命分析，計算結果表明，關鍵點疲勞壽命符合規范要求。最后，提出此類結構冰振抑制策略，為桶型基礎平臺在冰區開發中的抗冰設計提供依據。

2 單立柱桶型基礎平臺現場監測

為了對單立柱式桶型基礎平臺結構在動冰荷載下的抗冰性能進行分析，筆者在渤海遼東灣海域的幾座平臺甲板上安裝了拾振器，用于對平臺甲板層的冰振響應進行連續的監測。通過幾年的努力，建立了比較完備的現場測量系統，獲得了研究冰荷載與冰激振動的數據。圖1是單立柱式桶基平臺現場的監測裝置。主要包括：錄象測量、壓力盒測量、平臺振動響應測量及氣象與水文資料測量。此外，還開發了專門的應用程序，實現了觀測的同步、連續和完備性，可以在整個冬季進行不間斷地連續測量。基于現場原型冰激振動響應監測可以充分認識此類抗冰結構的冰振特性。

圖1 單立柱式桶基平臺現場的監測裝置Fig.1 Monitoring set-up for the bucket foundation platforms with a single pillar

2.1 實測的動冰荷載

利用樁腿上安裝的冰壓力盒直接測量冰力時程變化。冰與直立結構作用時，可以出現劈裂、彎曲、屈曲和擠壓等多種破壞形式，其中以擠壓破壞為主。隨著冰速變化，冰擠壓破碎可以分為三種模式：低冰速時的準靜態冰力、中冰速時的穩態振動冰力和快冰速時的隨機冰力。其中穩態振動冰力對結構影響最大，而快冰速下的隨機冰力占據絕大多數工況。圖2是實測的典型直立結構冰力時程曲線。

圖2 典型的直立結構冰力時程曲線Fig.2 The typical time-varying force curve

2.2 實測的冰振響應

岳前進等基于現場原型結構測量，發現在不同冰速下擠壓破碎使直立結構的冰激振動存在三種類型，即準靜態振動、穩態振動以及隨機振動，其中冰致自激振動對結構的危害最大[6]。冰致穩態振動是一種自激振動，其特點是結構的振幅大，振動頻率穩定。發生穩態振動時，結構振動較長時間保持穩定狀態，人員振感明顯，并可以聽到冰與結構撞擊所發出的有節奏的響聲。監測發現，單立柱桶基平臺冰振加速度響應明顯高于附近的傳統導管架平臺，圖3是兩種平臺在整個冬季每天的振動最大值比較，主要原因是：單立柱桶基平臺主要功能單一 （系泊），上部質量很小，而且結構高度遠遠低于導管架結構，其靜剛度很大，阻尼小，結構頻率一般要高于導管架平臺，圖4是基于實測得到的兩類平臺振動響應頻率。

圖3 單立柱式桶基平臺與導管架平臺冰振響應比較Fig.3 The comparison of the vibration response between the bucket foundations and the jacket structures

圖4 單立柱式桶基平臺與導管架平臺冰振響應頻率比較Fig.4 The comparison of the frequency of the vibration response between the bucket foundations and the jacket structures

3 典型單立柱桶基平臺抗冰振疲勞分析

基于現場觀測發現，單立柱式桶型基礎平臺冰激振動顯著，對上部管線構成較大威脅；另外，結構疲勞破壞是動冰荷載下結構失效的主要方面。這里以Jz9-3WHPE單立柱式桶型基礎平臺為例（圖5a所示），基于實測數據，借助ANSYS有限元軟件，進行抗冰振疲勞分析。對于海洋結構來講，安全壽命設計方法比較成熟，適于進行疲勞壽命計算。目前，各國平臺規范普遍推薦安全壽命設計方法作為海洋平臺構件疲勞分析與壽命評估的主要手段[7]。因此,選取安全壽命設計方法進行冰激疲勞壽命估計。安全壽命設計方法主要是基于Miner線性累積損傷理論（（1）式）和材料的S-N曲線（（2）式）。

其中，D是結構疲勞總損傷；ni是在Si作用下的循環次數，由荷載譜給出；Ni是在Si作用下循環到破壞的壽命，由S-N曲線確定；Δσ即應力范圍；Δσref是參考應力范圍，m是材料常數，兩者可查API RP 2A。

用譜方法估算冰激疲勞壽命的步驟如下：

（1）建立結構力學模型：根據結構的幾何性質和物理性質確定結構的振型和頻率。幾何性質包括結構的總尺度、桿件和結點的數量、桿件的長度及截面積等。物理性質包括結構的剛度、質量及阻尼。如圖5b所示。

圖5 Jz9-3WHPE單立柱式桶型基礎平臺原型與有限元模型Fig.5 Jz9-3WHPE platform and its finite element model

（2）建立冰疲勞環境模型：根據多年的現場實測海冰資料以及歷史冰情資料，統計出40年來平均冰期、冰作用方向以及冰厚、冰速的分布概率。依據冰作用方向，冰厚和冰速劃分冰況并統計每種冰況出現的概率[8]。由于兩個主要來冰方向45°和225°（以正北向為基準，順時針為正）基本是在一條直線上，即最大結點應力出現的位置幾乎相同，因此，為了減少計算量，這里只考慮一個方向作用。將冰況按照冰厚、冰速來劃分，不同冰況出現的概率如表1所示。

表1 不同冰況出現的概率Tab.1 Probabilities of the different ice cases

（3）確定疲勞冰荷載譜：Tuomo K?rn?和屈衍等[9]基于渤海JZ9-3MDP系纜樁以及歐盟LOLEIF，STRICE項目中Norstromsgrund燈塔上現場測量得到的大量壓力盒冰力數據，引入脈動風速譜研究理論，分析了直立結構上擠壓破碎冰力譜形式，建立了可以應用于工程實際的擠壓破碎隨機冰力譜模型，其函數表達式為：

式中，f為頻率（Hz）；σ2為冰力方差，用下式計算：

其中，IF為動冰力的作用強度，取均值0.4；m為常數，取3；F為直立腿平臺靜冰力，按下式計算，F=ασcDt。式中，α為綜合影響系數，取0.3-0.7；σc為冰的單軸抗壓強度，取2.1MPa；D為樁的直徑；t為冰厚。

（4）結構動力分析：確定疲勞冰荷載譜之后，輸入結構力學模型進行計算便可以得到各工況的應力譜，計算其應力方差，按照瑞利分布確定應力歷程循環數曲線。應力峰值的概率密度函數可寫為：

其中，P（σ）是應力峰值概率密度；σs是應力標準差。熱點應力標準差見表2所示。

表2 各疲勞分析工況下熱點應力標準差（MPa）Tab.2 The stress deviation of the hot spot under all kinds of conditions(MPa)

（5）估算每一冰況應力循環數：作用于結構的每一冰況，在結構構件內每年出現的應力循環數，可用下式表示：

式中，d為冰期，42天；Plcj為j工況冰情出現概率；f為結構的自振頻率，該平臺為6.19Hz。于是，對應力分布進行積分，就可以得到第j冰況，第i個變幅應力Δσi的循環次數：

（6）疲勞壽命估算：利用Miner理論估算危險結點的疲勞損傷，即。各種冰況下結構的損傷指數Di見表3所示。這樣，結構的疲勞壽命T=1/D=303年。

表3 結構熱點各工況下的疲勞損傷DiTab.3 The fatigue damage Di of the hot spot under kinds of conditions

由于疲勞問題設計涉及因素多，情況復雜，為了保證足夠的安全裕度，通常安全系數取2-3，因此，通過冰激疲勞估算結果進行分析，可以認為該單立柱式桶型基礎平臺的冰振疲勞壽命滿足設計要求。

4 抗冰振設計建議

基于對單立柱式桶型基礎平臺的現場監測及數值模擬，發現交變動冰荷載引起平臺較大的振動加速度，對上部管線等設施造成危害；但是，由于該類結構沒有涉及導管架（管接點少），冰振疲勞問題不是很突出。這里提出以下抗冰振建議：

（1）安裝抗冰錐體：冰荷載的大小主要取決于冰的破壞形式。當冰與直立結構作用時以擠壓破壞形式為主，而與斜面結構作用時能產生彎曲破壞。由于冰的彎曲強度低于壓縮強度，斜面結構的冰荷載要低于直立結構的冰荷載，降低了冰力與冰引起的結構振動。在渤海，很多導管架平臺水線樁腿處安裝破冰錐體，主要目的是為了避免因擠壓破壞引起的強烈冰激穩態自激振動。單立柱式桶型基礎平臺應該采用固定式正倒組合錐體。

（2）動力吸振：動力吸振屬于給結構附加的額外的控制系統，它并未改變海洋平臺結構自身的動力特性，因此實用性較強。通常情況下，動力吸振裝置放置于受控結構的頂端，即一階振型最大位移處。

（3）隔振：隔振是通過隔振裝置將振源與結構隔離開，限制振動向結構物的傳遞。隔振裝置的安裝延長了結構的自振周期，使結構的加速度反應大幅減小。同時，結構在振動過程中的大變形主要集中在隔振層處，隔振層以上的結構相對變形很小，可近似認為上部結構是一個剛體。

5 結 語

目前，桶型基礎平臺在冰區的應用還不是很成熟，我國渤海也只是將其作為輔助功能（打靶平臺、系纜平臺、立管平臺及靠船結構等）的平臺來使用，究其主要原因是動冰荷載對該類結構的影響還沒有得到清晰的認識。本文以渤海單立柱式桶型基礎平臺為研究對象，基于多年的現場監測與數值分析，發現冰激振動下該類平臺的振動加速度響應顯著，對平臺上部設施會造成危害；而冰振疲勞問題不是很突出。為了使桶型基礎平臺更好地應用于冰區邊際油田，提出了結構抗冰振設計建議，其中抗冰錐體的概念應該給予采納。例如，Jz9-3WHPE單立柱式桶型基礎平臺在2008年加錐后，冰振明顯降低。

[1]Bye A,Erbrich C,Earl K,Wright,et al.Geotechnical design of bucket foundations[C].OTC7793,1995:869-883.

[2]Eide O,Andersen K H.Foundation engineering for gravity structures in the northern sea[M].Norweigen Geotechnical Institute,1997,200:1-47.

[3]Tjelta T L,Hermstad J,Andenaes E.The skirt piled gulifaks platform installation[C].OTC6473,1990:453-462.

[4]Byrne B W,Houlsy G T.Experimental investigations of the cyclic response of suction caissons in sand[C].OTC12194,2000:787-795.

[5]Allersma H G B,Kierstein A A,Maes D.Centrifuge modeling on suction piles under cyclic and long term vertical loading[C]//In:Jin S C,eds.Proc.10th Inter.Offshore and Polar Engrg.Conf.,Seattle,USA,2000.California:ISOPE,2000:334-341.

[6]岳前進,杜小振,畢祥軍等.冰與柔性結構作用擠壓破壞形成的動荷載[J].工程力學,2004,21(1):202-208.

[7]API RP 2A.Recommended practice for planning,design,and constructing fixed offshore structures[R].API RP 2A,19Ed.1991.

[8]季順迎,岳前進,畢祥軍.遼東灣JZ20-2海域海冰參數的概率分布[J].海洋工程,2002,20(3):39-44.

[9]Tuomo K?rn?,Qu Yan.A new spectral method for modeling dynamic ice actions[C].Proceedings of OMAE’04,23rd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2004:8-16.