渤海单立柱桶型基础平台抗冰振分析

张大勇，车啸飞，岳前进，崔 航，马春杰，张永军

（1大连海洋大学 海洋工程学院，辽宁 大连116023；2大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连116023；3中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300452；4大连市建设控股有限公司，辽宁 大连116024）

1 引 言

在渤海油田开发建设中，平台建设在总投资中占有重要比例。重力式平台和桩基导管架平台是目前常见的海洋平台型式。这两种平台花费昂贵，通常占工程全部投资很大的比例。以钢质导管架型平台为例，桩的用钢量几乎与导管架相当。而平台的海上安装费用，也近占平台总造价的一半。桶形基础作为海洋工程结构的一种新型基础形式,具有结构形式简单、容易制造、节省钢材、安装就位方便、无需大型打桩设备、减少海上作业时间和降低成本等优越性。这些优越性使得桶形基础平台在近海油田开发中具有广阔的应用前景。

世界上丹麦、挪威等国已经广泛采用桶型基础平台，并实现了大型桶型基础导管架平台[1]。我国自1996年至2000年，先后设计并成功安装了海上打靶平台，锦州9-3油田系缆平台、立管平台及靠船结构等6座桶型基础平台。目前，人们对桶型基础平台的研究主要围绕基础部分开展：（1）吸力式基础的沉贯阻力和安装稳定性；（2）基础稳定性。包括：吸力式基础的沉贯[2-3]、地基稳定性[4-5]、土体循环荷载下的本够模型等。对于渤海冰区油田而言，冰荷载对海上结构物的作用甚大，动冰荷载对桶型基础平台的影响还没有得到清楚的认识，这是制约我国冰区桶型基础平台开发的主要因素之一，因此，我国渤海在该类平台的应用还仅限于小型辅助结构的开发。本文基于对渤海辽东湾单立柱式桶基平台的多年现场监测，发现其冰振加速度响应显著，明显高于导管架平台结构。利用安全寿命法对一实际桶基平台进行了冰振疲劳寿命分析，计算结果表明，关键点疲劳寿命符合规范要求。最后，提出此类结构冰振抑制策略，为桶型基础平台在冰区开发中的抗冰设计提供依据。

2 单立柱桶型基础平台现场监测

为了对单立柱式桶型基础平台结构在动冰荷载下的抗冰性能进行分析，笔者在渤海辽东湾海域的几座平台甲板上安装了拾振器，用于对平台甲板层的冰振响应进行连续的监测。通过几年的努力，建立了比较完备的现场测量系统，获得了研究冰荷载与冰激振动的数据。图1是单立柱式桶基平台现场的监测装置。主要包括：录象测量、压力盒测量、平台振动响应测量及气象与水文资料测量。此外，还开发了专门的应用程序，实现了观测的同步、连续和完备性，可以在整个冬季进行不间断地连续测量。基于现场原型冰激振动响应监测可以充分认识此类抗冰结构的冰振特性。

图1 单立柱式桶基平台现场的监测装置Fig.1 Monitoring set-up for the bucket foundation platforms with a single pillar

2.1 实测的动冰荷载

利用桩腿上安装的冰压力盒直接测量冰力时程变化。冰与直立结构作用时，可以出现劈裂、弯曲、屈曲和挤压等多种破坏形式，其中以挤压破坏为主。随着冰速变化，冰挤压破碎可以分为三种模式：低冰速时的准静态冰力、中冰速时的稳态振动冰力和快冰速时的随机冰力。其中稳态振动冰力对结构影响最大，而快冰速下的随机冰力占据绝大多数工况。图2是实测的典型直立结构冰力时程曲线。

图2 典型的直立结构冰力时程曲线Fig.2 The typical time-varying force curve

2.2 实测的冰振响应

岳前进等基于现场原型结构测量，发现在不同冰速下挤压破碎使直立结构的冰激振动存在三种类型，即准静态振动、稳态振动以及随机振动，其中冰致自激振动对结构的危害最大[6]。冰致稳态振动是一种自激振动，其特点是结构的振幅大，振动频率稳定。发生稳态振动时，结构振动较长时间保持稳定状态，人员振感明显，并可以听到冰与结构撞击所发出的有节奏的响声。监测发现，单立柱桶基平台冰振加速度响应明显高于附近的传统导管架平台，图3是两种平台在整个冬季每天的振动最大值比较，主要原因是：单立柱桶基平台主要功能单一 （系泊），上部质量很小，而且结构高度远远低于导管架结构，其静刚度很大，阻尼小，结构频率一般要高于导管架平台，图4是基于实测得到的两类平台振动响应频率。

图3 单立柱式桶基平台与导管架平台冰振响应比较Fig.3 The comparison of the vibration response between the bucket foundations and the jacket structures

图4 单立柱式桶基平台与导管架平台冰振响应频率比较Fig.4 The comparison of the frequency of the vibration response between the bucket foundations and the jacket structures

3 典型单立柱桶基平台抗冰振疲劳分析

基于现场观测发现，单立柱式桶型基础平台冰激振动显著，对上部管线构成较大威胁；另外，结构疲劳破坏是动冰荷载下结构失效的主要方面。这里以Jz9-3WHPE单立柱式桶型基础平台为例（图5a所示），基于实测数据，借助ANSYS有限元软件，进行抗冰振疲劳分析。对于海洋结构来讲，安全寿命设计方法比较成熟，适于进行疲劳寿命计算。目前，各国平台规范普遍推荐安全寿命设计方法作为海洋平台构件疲劳分析与寿命评估的主要手段[7]。因此,选取安全寿命设计方法进行冰激疲劳寿命估计。安全寿命设计方法主要是基于Miner线性累积损伤理论（（1）式）和材料的S-N曲线（（2）式）。

其中，D是结构疲劳总损伤；ni是在Si作用下的循环次数，由荷载谱给出；Ni是在Si作用下循环到破坏的寿命，由S-N曲线确定；Δσ即应力范围；Δσref是参考应力范围，m是材料常数，两者可查API RP 2A。

用谱方法估算冰激疲劳寿命的步骤如下：

（1）建立结构力学模型：根据结构的几何性质和物理性质确定结构的振型和频率。几何性质包括结构的总尺度、杆件和结点的数量、杆件的长度及截面积等。物理性质包括结构的刚度、质量及阻尼。如图5b所示。

图5 Jz9-3WHPE单立柱式桶型基础平台原型与有限元模型Fig.5 Jz9-3WHPE platform and its finite element model

（2）建立冰疲劳环境模型：根据多年的现场实测海冰资料以及历史冰情资料，统计出40年来平均冰期、冰作用方向以及冰厚、冰速的分布概率。依据冰作用方向，冰厚和冰速划分冰况并统计每种冰况出现的概率[8]。由于两个主要来冰方向45°和225°（以正北向为基准，顺时针为正）基本是在一条直线上，即最大结点应力出现的位置几乎相同，因此，为了减少计算量，这里只考虑一个方向作用。将冰况按照冰厚、冰速来划分，不同冰况出现的概率如表1所示。

表1 不同冰况出现的概率Tab.1 Probabilities of the different ice cases

（3）确定疲劳冰荷载谱：Tuomo Kärnä和屈衍等[9]基于渤海JZ9-3MDP系缆桩以及欧盟LOLEIF，STRICE项目中Norstromsgrund灯塔上现场测量得到的大量压力盒冰力数据，引入脉动风速谱研究理论，分析了直立结构上挤压破碎冰力谱形式，建立了可以应用于工程实际的挤压破碎随机冰力谱模型，其函数表达式为：

式中，f为频率（Hz）；σ2为冰力方差，用下式计算：

其中，IF为动冰力的作用强度，取均值0.4；m为常数，取3；F为直立腿平台静冰力，按下式计算，F=ασcDt。式中，α为综合影响系数，取0.3-0.7；σc为冰的单轴抗压强度，取2.1MPa；D为桩的直径；t为冰厚。

（4）结构动力分析：确定疲劳冰荷载谱之后，输入结构力学模型进行计算便可以得到各工况的应力谱，计算其应力方差，按照瑞利分布确定应力历程循环数曲线。应力峰值的概率密度函数可写为：

其中，P（σ）是应力峰值概率密度；σs是应力标准差。热点应力标准差见表2所示。

表2 各疲劳分析工况下热点应力标准差（MPa）Tab.2 The stress deviation of the hot spot under all kinds of conditions(MPa)

（5）估算每一冰况应力循环数：作用于结构的每一冰况，在结构构件内每年出现的应力循环数，可用下式表示：

式中，d为冰期，42天；Plcj为j工况冰情出现概率；f为结构的自振频率，该平台为6.19Hz。于是，对应力分布进行积分，就可以得到第j冰况，第i个变幅应力Δσi的循环次数：

（6）疲劳寿命估算：利用Miner理论估算危险结点的疲劳损伤，即。各种冰况下结构的损伤指数Di见表3所示。这样，结构的疲劳寿命T=1/D=303年。

表3 结构热点各工况下的疲劳损伤DiTab.3 The fatigue damage Di of the hot spot under kinds of conditions

由于疲劳问题设计涉及因素多，情况复杂，为了保证足够的安全裕度，通常安全系数取2-3，因此，通过冰激疲劳估算结果进行分析，可以认为该单立柱式桶型基础平台的冰振疲劳寿命满足设计要求。

4 抗冰振设计建议

基于对单立柱式桶型基础平台的现场监测及数值模拟，发现交变动冰荷载引起平台较大的振动加速度，对上部管线等设施造成危害；但是，由于该类结构没有涉及导管架（管接点少），冰振疲劳问题不是很突出。这里提出以下抗冰振建议：

（1）安装抗冰锥体：冰荷载的大小主要取决于冰的破坏形式。当冰与直立结构作用时以挤压破坏形式为主，而与斜面结构作用时能产生弯曲破坏。由于冰的弯曲强度低于压缩强度，斜面结构的冰荷载要低于直立结构的冰荷载，降低了冰力与冰引起的结构振动。在渤海，很多导管架平台水线桩腿处安装破冰锥体，主要目的是为了避免因挤压破坏引起的强烈冰激稳态自激振动。单立柱式桶型基础平台应该采用固定式正倒组合锥体。

（2）动力吸振：动力吸振属于给结构附加的额外的控制系统，它并未改变海洋平台结构自身的动力特性，因此实用性较强。通常情况下，动力吸振装置放置于受控结构的顶端，即一阶振型最大位移处。

（3）隔振：隔振是通过隔振装置将振源与结构隔离开，限制振动向结构物的传递。隔振装置的安装延长了结构的自振周期，使结构的加速度反应大幅减小。同时，结构在振动过程中的大变形主要集中在隔振层处，隔振层以上的结构相对变形很小，可近似认为上部结构是一个刚体。

5 结 语

目前，桶型基础平台在冰区的应用还不是很成熟，我国渤海也只是将其作为辅助功能（打靶平台、系缆平台、立管平台及靠船结构等）的平台来使用，究其主要原因是动冰荷载对该类结构的影响还没有得到清晰的认识。本文以渤海单立柱式桶型基础平台为研究对象，基于多年的现场监测与数值分析，发现冰激振动下该类平台的振动加速度响应显著，对平台上部设施会造成危害；而冰振疲劳问题不是很突出。为了使桶型基础平台更好地应用于冰区边际油田，提出了结构抗冰振设计建议，其中抗冰锥体的概念应该给予采纳。例如，Jz9-3WHPE单立柱式桶型基础平台在2008年加锥后，冰振明显降低。

[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]岳前进,杜小振,毕祥军等.冰与柔性结构作用挤压破坏形成的动荷载[J].工程力学,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]季顺迎,岳前进,毕祥军.辽东湾JZ20-2海域海冰参数的概率分布[J].海洋工程,2002,20(3):39-44.

[9]Tuomo Kärnä,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.