海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系冰激振動(dòng)試驗(yàn)*

劉菲菲, 張紀(jì)剛, 蘇 銳, 韓永力

(1. 青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院 青島，266033) (2. 山東省高等學(xué)校藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心 青島，266033) (3. 中垠地產(chǎn)有限公司 濟(jì)南，250101)

引 言

海洋平臺(tái)所處環(huán)境惡劣，經(jīng)常會(huì)受到風(fēng)、浪、流、冰甚至是地震作用，其中冰荷載是海洋平臺(tái)的控制荷載。歐進(jìn)萍等[1]對(duì)JZ20-2MUQ海洋平臺(tái)進(jìn)行冰激振動(dòng)性能研究發(fā)現(xiàn)，在重冰年海洋平臺(tái)的冰振位移較大，嚴(yán)重威脅到平臺(tái)的安全。為解決這個(gè)問(wèn)題，在20世紀(jì)90年代初，在遼東灣JZ20-2MUQ，JZ20-2MSW等多座平臺(tái)上安裝了固定式破冰錐體。文獻(xiàn)[2-3]對(duì)其中兩座平臺(tái)進(jìn)行荷載和結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的同步檢測(cè)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，冰板與錐體作用會(huì)產(chǎn)生規(guī)律性的破碎，冰力周期與結(jié)構(gòu)自振周期接近，振動(dòng)放大現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，因此提出了帶有隔振錐系統(tǒng)的導(dǎo)管架海洋平臺(tái)[4]，但由于冰荷載作用頻率是一種寬頻率特性，實(shí)際上其控制效果還是受到了很大限制。張力[5]提出了單向大比尺、滑動(dòng)式TMD，并取得了較好的減振效果。Wu等[6]將TMD運(yùn)用于平臺(tái)抗震研究，也取得了較好的效果。文獻(xiàn)[7-8]采用磁流變半主動(dòng)控制對(duì)海洋平臺(tái)進(jìn)行振動(dòng)控制。事實(shí)證明，TMD，TLD對(duì)平臺(tái)振動(dòng)控制具有較好的效果，磁流變半主動(dòng)智能控制技術(shù)具有較好工程應(yīng)用前景[9]，但存在TMD，TLD控制頻率相對(duì)單一和磁流變阻尼器漏油及滲油的問(wèn)題。為此，張紀(jì)剛等[10-11]結(jié)合搖擺柱體系提出了新型海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系，并在理論上研究了可行性。筆者在其研究的基礎(chǔ)上建立了1∶10的海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系縮尺模型，并進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究。

1 海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系介紹

搖擺結(jié)構(gòu)體系主要是通過(guò)放松結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間的約束，使得結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間僅有受壓能力而無(wú)受拉能力，在外力作用下通過(guò)自重或預(yù)應(yīng)力使結(jié)構(gòu)復(fù)位[12]。采用搖擺結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，在國(guó)際上已有不少成功案例。美國(guó)舊金山-奧克蘭海灣大橋改造加固，采用文獻(xiàn)[13]提出的半剛性搖擺橋墩。東京大學(xué)津田校區(qū)G3樓結(jié)構(gòu)加固，采用了搖擺墻與鋼阻尼器聯(lián)合加固技術(shù)[14]。

海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系主要通過(guò)連接桿將搖擺柱與海洋平臺(tái)連接在一起，搖擺柱柱底鉸接，具備一定的轉(zhuǎn)動(dòng)能力，如圖1所示。在外加荷載作用下，搖擺柱的存在使海洋平臺(tái)變形趨于一致，變形主要集中于搖擺界面。

圖1 海洋平臺(tái)Fig.1 Offshore platform

2 搖擺柱直徑和連接桿數(shù)量?jī)?yōu)化

搖擺柱和連接桿作為海洋平臺(tái)重要構(gòu)件，其搖擺柱直徑、連接桿數(shù)量和位置對(duì)平臺(tái)均具有十分重要的影響。考慮以上因素，提出了5種布置方案，如圖2所示，具體尺寸如表1所示。

方案1采用了6根連接桿，連接桿剛度足夠大，與海洋平臺(tái)和搖擺柱間采用鉸接。方案2～5與方案1主要區(qū)別是連接桿的數(shù)量和位置。搖擺柱考慮直徑變化，分別取240, 360和480 mm三種情況進(jìn)行研究，壁厚均為6 mm。由于試驗(yàn)時(shí)采用的是1∶10縮尺模型(具體相似比見表2)，在采用ANSYS進(jìn)行最優(yōu)結(jié)構(gòu)選型時(shí)，模型和冰荷載均進(jìn)行了縮尺。模擬時(shí)主要考慮海洋平臺(tái)-搖擺柱體系在彎曲冰(冰與結(jié)構(gòu)接觸面呈斜面時(shí)，冰將沿坡面上爬到一定高度后發(fā)生彎曲折斷，此時(shí)產(chǎn)生冰力為彎曲冰)和擠壓冰1(冰排在移動(dòng)過(guò)程中，冰與結(jié)構(gòu)接觸前端形成“損傷”區(qū)和裂紋，冰產(chǎn)生冰屑剝落形成)作用下的選型，如圖3所示。模擬時(shí)，連接桿采用LINK8單元，海洋平臺(tái)和搖擺柱采用BEAM188單元。

圖2 連接桿布置方案Fig.2 The scheme of connecting rods

表1海洋平臺(tái)-搖擺柱布置方案

Tab.1Theschemeofoffshoreplatformwithrockingcolumn

試驗(yàn)方案搖擺柱直徑/mm壁厚/mm連接桿個(gè)數(shù)124036048066224036048065324036048064424036048063524036048063

圖3 冰力時(shí)程曲線Fig.3 The history curves of ice load

圖4 彎曲冰1作用下海洋平臺(tái)-搖擺柱體系最大動(dòng)力反應(yīng)Fig.4 The maximum dynamic response of offshore platform with rocking column under bending 1

圖5 擠壓冰作用下海洋平臺(tái)-搖擺柱體系最大動(dòng)力反應(yīng)Fig.5 The maximum dynamic response of offshore platform with rocking column under pushing ice

在彎曲冰1作用下，原結(jié)構(gòu)端帽處和下層甲板的位移響應(yīng)依次為0.76 cm和1.33 cm，加速度響應(yīng)依次為0.097g和0.193g；擠壓冰作用下，原結(jié)構(gòu)端帽處、下層甲板的位移響應(yīng)依次為1.51 cm和2.78 cm，加速度響應(yīng)依次為0.172g和0.322g。通過(guò)圖4和圖5對(duì)比發(fā)現(xiàn)，施加搖擺柱后，不論位移還是加速度均明顯降低，以方案1中搖擺柱直徑360 mm的海洋平臺(tái)為例，在彎曲冰1作用下導(dǎo)管架端帽處位移和加速度分別降低67.11%和88.49%，效果十分明顯。5個(gè)方案中，方案1減振效果最好，隨著連接桿數(shù)量的減少，位移和加速度也隨之上升。在擠壓冰作用下，方案3位移和加速度降低效果基本上可達(dá)50%以上；彎曲冰作用下可達(dá)到40%以上，效果明顯，已經(jīng)可以滿足要求。從經(jīng)濟(jì)性上來(lái)說(shuō)，適當(dāng)?shù)臏p少連接桿數(shù)量可以有效降低工程造價(jià)和安裝費(fèi)用，也可以減少連接桿與平臺(tái)和搖擺柱連接部位損傷。

對(duì)于搖擺柱而言，從圖4和圖5可以看出，搖擺柱直徑越大，減振效果越好，直徑為480 mm時(shí)，效果最好，但是考慮到搖擺柱與海洋的相互作用，搖擺柱直徑應(yīng)該盡可能的縮小，同時(shí)為了防止鋼管屈曲和保證最優(yōu)控制效果，取搖擺柱直徑為360 mm。綜上所述，取方案3搖擺柱直徑為360 mm的海洋平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛡鞲衅鞑贾?/h2>

表2 主要相似關(guān)系

圖6 原海洋平臺(tái)Fig.6 Original offshore platform

圖7 作動(dòng)器、傳感器布置位置及其構(gòu)造形式Fig.7 The location and structure form of actuators and sensors

海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系主要根據(jù)方案3(圖2(c))進(jìn)行布置，連接桿采用壁厚為10 mm的方鋼管。海洋平臺(tái)和搖擺柱通過(guò)方鋼管鉸接，搖擺柱通過(guò)地梁、轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件與地面鉸接，如圖8所示。

圖8 海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系Fig.8 Offshore platform with rocking column

4 海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系冰激試驗(yàn)

4.1 荷載工況

冰力加載點(diǎn)選在試驗(yàn)?zāi)Ｐ虴L.+0.40 m處，也就是原海洋平臺(tái)正倒錐頂面處。試驗(yàn)采用力控制，通過(guò)作動(dòng)器進(jìn)行加載，如圖7，8所示。試驗(yàn)共采用了4條冰力時(shí)程曲線，其中3條彎曲冰、1條擠壓冰。彎曲冰時(shí)程由大連理工大學(xué)于1996年～1997年實(shí)測(cè)，擠壓冰時(shí)程由渤海石油公司于1989年～1990年量測(cè)。試驗(yàn)時(shí)，將冰力按照表2中的相似關(guān)系進(jìn)行處理，處理后結(jié)果如圖3和圖9所示。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，海洋平臺(tái)施加搖擺柱后結(jié)構(gòu)的位移明顯減小，尤其是在彎曲冰2和彎曲冰3作用下，結(jié)構(gòu)端帽處位移減小幅度甚至可達(dá)60%以上，如圖10，11所示，可有效控制結(jié)構(gòu)在重冰期的

表3 冰荷載作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)

減振效果=(原平臺(tái)響應(yīng)-海洋平臺(tái)搖擺柱體系響應(yīng))/原平臺(tái)響應(yīng)×100%

圖9 冰力時(shí)程曲線Fig.9 The history curves of ice load

圖10 冰荷載作用下導(dǎo)管架端帽處最大動(dòng)力反應(yīng)Fig.10 The maximum dynamic response of jacket end cap under ice load

圖11 冰荷載作用下下層甲板最大動(dòng)力反應(yīng)Fig.11 The maximum dynamic response of lower deck under ice load

側(cè)向位移，保護(hù)輸油管道。相對(duì)于位移而言，端帽處加速度僅減小2.88%。擠壓冰作用下，端帽處位移和加速度依次減小30.18%,37.44%，下層甲板位移和加速度依次減小22.26%,28.96%，結(jié)構(gòu)位移和加速度均得到了有效控制。這主要是由于彎曲冰相較于擠壓冰能量較小，原平臺(tái)在彎曲冰作用下本身加速度反應(yīng)就小，搖擺柱不能充分發(fā)揮作用。擠壓冰荷載為彎曲冰荷載的3倍，在擠壓冰作用下，搖擺柱與海洋平臺(tái)能很好的協(xié)調(diào)受力，充分發(fā)揮搖擺柱的作用，這也說(shuō)明外荷載越大海洋平臺(tái)-搖擺柱體系控制效果越好，表明海洋平臺(tái)-搖擺柱體系具有較高的抗災(zāi)防災(zāi)能力。

5 結(jié) 論

1) ANSYS模擬分析選型發(fā)現(xiàn)，連接桿數(shù)量、位置和搖擺柱直徑對(duì)海洋平臺(tái)影響很大。連接桿數(shù)量越多、搖擺柱直徑越大，減振效果越好，但考慮到搖擺柱與海洋的接觸面積以及結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，采用方案3(搖擺柱直徑為360 mm、連接桿為4根)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2) 通過(guò)原海洋平臺(tái)與海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，搖擺柱對(duì)海洋平臺(tái)具有良好的控制效果。尤其是在彎曲冰2和彎曲冰3作用下，結(jié)構(gòu)端帽處位移減小幅度甚至可達(dá)60%以上。在擠壓冰作用下，端帽處位移和加速度依次減小30.18%，37.44%，下層甲板位移和加速度依次減小22.26%，28.96%，控制效果較好。為對(duì)海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行深入研究，后續(xù)可對(duì)海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)在擠壓冰作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的研究。