基于水下光纤应变监测的导管架结构总冰力测量方法

许 宁，岳前进，王延林

(1.国家海洋环境监测中心，辽宁大连 116023;2.大连理工大学海洋科学与技术学院，辽宁盘锦124221)

冰荷载是冰区海洋结构的控制荷载，冰荷载的确定是此类结构设计和安全运行的关键问题。由于天然海冰材料的复杂性和结构形式的多样性，包括数值分析手段在内的理论方法难以模拟海冰在结构前的真实破坏过程，室内模型实验中的海冰破碎相似率问题尚未明晰，因此只有通过真实结构现场测量才能够提供最真实、准确的冰力信息［1］。自20世纪60年代，已经在库克湾海洋平台［2］、芬兰Bothnia湾 Kemi-I灯塔［3］、瑞典Norstromsgrund灯塔［4-5］、加拿大 Beaufort海 Molikpaq 平台［6］、加拿大 Athabasca 河 Hondo 大桥［7］和St.Lawrence湾Confederation大桥桥墩［8］、渤海海域海洋平台［9］等抗冰结构上开展了冰力测量工作。其中渤海冰区导管架平台是最为完备的现场测量系统之一，建立了冰荷载计算模型［10，11］，并在该海域的抗冰结构设计和动力分析中进行了广泛的应用［12，13］。

各监测系统所选用的冰力测量方法有所不同［14］，主要取决于特定的测量目的。常用的固定式结构冰力测量方法主要包括两种:第一种直接冰力测量法，通常采用压力传感器直接记录冰对结构局部作用力的时域特征，但结构总冰力无法直接准确获取，需另行计算，而且传感器的设备制作与施工技术相对复杂;第二种间接冰力测量法，通过记录结构位移或加速度等响应信息推算结构所受冰荷载，测量技术较为成熟，但测量信号灵敏度较低且易受结构动力干扰。

JZ20-2NW采油平台是迄今渤海冰区安装了最大尺寸破冰锥体的导管架式结构，因此有必要开展冰力测量以确定结构宽度对冰力的影响，综合考虑测量方案的可行性和冰力数据的精确度，最终选用了水下结构的光纤应变冰力测量方法，其属于改进的间接冰力测量方法。

本文介绍渤海冰区JZ20-2NW平台的现场监测系统，特别是水下结构光纤应变冰力测量方法，重点分析由测点应变向结构总冰力的转化方法，并通过实测冰荷载与经典冰力计算公式的比较，初步分析加锥结构冰荷载的控制影响因素。

1 水下光纤应变传感器冰力间接测量现场监测系统

1.1 结构水下光纤应变冰力测量原理

在监测中使用的光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)是一种新型的光纤光栅传感器。光纤传感器的基本原理是光纤应变与Bragg波长存在一一对应的关系。若光栅受到应力、应变和温度等作用，其光栅栅距或折射率将发生变化，全反射光的波长也会发生变化。通过对中心反射波长的监测，可获知结构的应变、温度等外界条件的变化。结合结构的动力分析，判断各种工况下应变和荷载的对应关系，即可根据实测的应变信息，得到不同冰情下的荷载信息。

光纤应变冰力测量方法相比于传统的结构响应测量方法有显著的优点:

①可测量结构的绝对响应。作用在结构上的冰荷载是均值不为零的随机过程。由于海上没有固定参考系，传统响应测量方法只能测量得到交变信息(如位移、加速度等)，也就只能推算得到冰荷载的交变分量。而光纤应变测量方法方便进行零点标定，从而得到冰力的全部信息。

②由于光纤应变传感器测点接近于结构根部的应变敏感区域，测量信号较之传统的甲板响应更为精确，受结构动力影响相对较小。

③光纤光栅测量系统是当前较为先进的监测手段。与传统的传感系统相比，它具有可靠、灵活、抗干扰、成本低等独特优点。

水下光纤光栅应变冰力测量方法已经成功应用于渤海冰区的直立结构和加锥结构上。本文以渤海JZ20-2NW平台为例，说明光纤光栅应变冰力测量方法在锥体结构原型监测系统中的应用。

1.2 JZ20-2NW平台的现场测量系统

JZ20-2NW平台是2005年投产使用的独腿加锥平台。该平台所处海域设计水深13.5 m，桩腿直径3.5 m，水面位置桩腿安装正倒组合锥体，正倒锥体斜面均为60°，正倒锥体交界处的最大锥径为6.0 m，是迄今渤海冰区桩腿安装最大破冰锥体的导管架结构，因此针对该结构开展锥体冰力研究具有重要意义。该结构基频1.0 Hz，静刚度61 000 kN/m，导管架总质量228 t，甲板上部质量250 t。JZ20-2NW平台的现场测量系统包括:冰力测量、结构响应测量、冰情和冰-结构作用过程测量。冰情和冰-结构作用过程采用图像记录与分析方法［15-16］;在平台的上下甲板各安装了3个拾振器进行甲板加速度测量和位移测量;冰力测量采用水下结构光纤应变测量的方法。原型结构和测量系统如图1所示。

在JZ20-2NW平台的建造阶段，分别在桩及其斜拉筋、斜拉筋与中心柱连接处安装了16个应变传感器和3个温度传感器(具体安装位置见图1(b))。其中，应变传感器选用了表面式GFRP封装光纤光栅应变传感器(型号:CB-FBG-GFRP-W01)，温度传感器选用了原型封装光纤光栅温度传感器(型号:FBG-T-01)，解调仪选用了MOI SI425光纤光栅传感解调仪。根据光弹效应理论和传感器工作原理，由传感器测量得到波长变化Δλ，结合传感器灵敏度(应变灵敏度α，温度灵敏度β)，可直接获取测点的应变ε或温度T信息，其中，测点应变ε=Δλ/α;测点温度 T=Δλ/β。经过标定确定，应变灵敏度 α取1.2 pm/με，温度灵敏度 β取10.5 pm/℃。

图1 JZ20-2NW平台和现场监测简图Fig.1 JZ20-2NW platform and sketch of measurement system

由于运输、安装、运行过程的影响，部分光纤光栅传感器被损坏。只有中心柱筒壁内部的3个光纤应变传感器(标高为EL(-)3 660)得到了理想完整的数据。这3个光纤传感器分别记为ε1、ε2、ε3，测点的竖向(z方向)布点方案如图1(b)所示，与y方向夹角分别为270°、150°和30°，其中x方向为平台东;y方向为平台北。

2 基于结构水下光纤应变测量的总冰力计算方法

通过测量响应获得结构的荷载信息，关键问题在于确定不同工况下响应信号与结构荷载间的对应关系。基于结构水下光纤应变测量的总冰力计算，需确定以下两个关系:三个测点应变与测点的主应变的关系，测点主应变和结构总荷载之间的关系。

2.1 根据测点三个测点应变确定测点主应变的大小和方向

桩柱EL(-)3660处的筒内壁的3个应变传感器测量结构竖向应变，测点距主桩水下斜撑处1m，已避开热点区域。假设来冰方向与y方向夹角θ，根据3个应变传感器的分布(图1(b))，利用梁的等截面假设推算测点 x，y 方向应变 εx、εy与 ε1、ε2、ε3关系，进而确定测点截面所受最大应变 ε。

由于采用应变测量的优势之一是能够对测点应变进行零点标定，从而确定包括平均值和波动值在内的结构绝对响应信息。具体实施方法是，结构在位且安装全部完成后，选择无冰、平潮、无风时刻的测点应变值作为零点。根据现场观测的环境参数，选取2006年1月23～29日内5个时刻作为三个测点应变的零点标定时刻。整个冰期结构所处海域水下温度的测量表明，日平均温度在-1.6℃左右(与应变零点温度一致)，日温差在0.2℃ ～0.4℃左右。光纤光栅的温度灵敏度约为10 pm/℃，所以一天内应变传感器随温度波动量最大在4 pm左右，即应变随温度波动量在±2 pm左右，与1 pm的系统误差相当。因此虽然光纤光栅应变传感器对温度影响较为敏感，但在本文对测量结果的分析过程中，基本可以忽略温度变化对应变测量的影响。

如果结构只受水平方向上外载，则实际测量的三个测点应变值的代数和为零，实际测量得到的三个测点应变值的代数和εv是由温度影响、竖向荷载变化(载重、锥体浮力等)引起结构的显著竖向应变，三个测点上得到的竖向应变变化应该完全相同，所以每个测点实测应变值减去竖向应变的三分之一(即εv/3)就可以消除掉竖向应变的影响，获得仅在横向加载工况下的结构应变信息。

假定εx(t)和εy(t)为x，y方向的应变时程，则主应变ε方向θ可以通过均值εx和εy之比计算，如式(1)所示。总应变ε(t)可以由εx(t)，εy(t)和θ计算得到，如式(2)所示。

2.2 确定测点主应变与冰力的关系

由于冰荷载显著高于结构所受其它水平方向环境荷载(如风、波浪等)，因此可认为测点应变主要由冰荷载引起。同时，结构为独腿对称形式，来冰方向的影响可以忽略，需要重点考虑不同潮位下结构测点应变与外载之间的关系。

利用大型通用计算软件ANSYS建立结构有限元模型，为保证振动频率和振型等结构动力特性的真实性，对复杂结构的简化处理主要集中在上部质量和桩基［17］:假定平台上部质量均匀分布在整个甲板面积上;按照等效桩考虑桩-土相互作用，等效桩长度取6倍桩径;选择梁单元pipe16模拟导管架结构，上部质量用质量点单元mass21或壳单元shell63来模拟，工字梁用梁单元beam189来模拟。

对结构模型进行水平加载，加载位置范围依据结构所在海域的潮位信息确定(锥体覆盖高度EL(-)0.4～(+)3.6 m)。结构总冰力与测点主应变的比例(F/ε)与冰力加载位置(H)的函数关系f(H)为

式中:H为潮高。

根据实际测量的总应变ε(t)和对应潮位信息，可计算结构总冰力时程F(t)=f(H)×ε(t)。2006年2月1日9:25实测三个通道应变信息和推算后的结构总冰力如图2所示。

图2 基于结构水下光纤应变测量的总冰力计算案例((2006年2月1日9:25，冰厚0.19 m，冰速0.25 m/s，潮高2.0 m，此时水面位置锥径5.94 m，冰力与应变关系为f(2.0)=1 829 N/με)Fig.2 Global ice force at 9:25 on Feb.1，2006

需要说明的是，这种间接测量冰力的方法虽然也能得到类似于脉冲周期形式的时程［11］，但是不能体现出冰与结构作用过程的特征;其中周期荷载的脉冲峰值定义为冰力幅值进行分析计算，在图2(b)中以空心点表示冰力幅值F0。

3 实测冰力的初步分析

通过原型结构直接测量可以得到最为真实的冰力信息，但由于结构参数固定而且环境参数不可控，使获得的数据结果较为离散，难于直接建立冰力计算公式。通常在对实测冰力数据进行处理时，与已有的冰力计算公式进行比对和校核，进而提出最为适合的计算模型和系数。选取理论方法Ralston［18］和Croasdale［19］模型，以及基于模型实验的半经验半理论公式 Edwards ＆ Croasdale［20］、Kato［21］及 Hirayama ＆ Obara［22］等 5 种应用较为广泛的锥体冰力计算模型，与实测冰力进行比对分析。锥体冰力计算的参数选取主要参考JZ20-2NW平台所处海洋环境和实测冰力数据，详见表1。

根据实测的冰情范围，在应用上述5种冰力计算公式时，选取0.05～0.50 m冰厚，锥径分别参考记录冰力事件中的锥径平均值，即JZ20-2NW平台D=5.5 m。实测冰力分析选用冰力时程中所有冰力幅值均值。选取被σfh2，ρwgD2归一化的实测冰力幅值F0均值，绘制上述两种无量纲化冰力与无量纲参数ρwgD2/(σfh)的关系曲线，分别如图3(a)、3(b)所示，用于平台无量纲预测冰力模型和实测冰力的比较分析。

冰厚h和锥径D是影响冰力的最主要参数［23］，也有学者提出锥体宽度和冰厚比值(简称宽厚比D/h)是影响结构前海冰破坏形式、冰力形式和冰力大小的控制因素［24］。在冰力比较分析过程中，以宽厚比D/h=30，50为临界值，对实测冰力进行标注:

(1)D/h≥50，椭圆区域内点;

(2)30≤D/h＜50，四边形区域内点;

(3)D/h＜30，未进行标注的点。

冰力分析结果表明:宽厚比越大(通常冰厚小于10 cm，D/h≥50)，无量纲化冰力结果也越大，这是由于破碎冰的堆积等问题造成的。当宽厚比较小时(D/h＜50)，实测冰力的变化趋势较符合 Hirayama实验公式，实测冰力峰值介于 Kato和 Edwards＆Croasdale公式之间。

表1 锥体冰力计算参数取值列表Tab.1 Parameter list of conical ice force calculation

图3 JZ20-2NW平台无量纲效应预测模型和实测冰力比较Fig.3 Comparison betweened predict ice force and measured ice force from JZ20-2NW platform

理论公式冰力计算结果较为保守，主要是由于海冰材料模拟较为均一，避免了天然材料的缺陷;实测冰力数据(包括室内模型实验或现场原型结构测量)差异性较大，主要是因为海冰和结构参数的范围有着严格的限制和显著的差别。因此，有必要对实测冰力的影响要素进行具体分析，建立更为合理的冰力模型。

5 结语

在渤海冰区安装最大破冰锥体的导管架平台上首次应用水下光纤应变测量方法获取结构所受总冰力信息，并与已有成熟冰力计算公式进行比较对实测冰力结果进行初步分析，明确了锥体宽度和海冰厚度这一参数对于结构冰力的控制影响。

本文所介绍的基于结构光纤应变监测的间接冰力测量方法必然会受到结构动力响应等因素的影响。因此，有必要在以后的工作中，进一步论证该冰力测量方法的可行性、测量结果的准确性，通过与已有现场监测数据和研究结论的结合，进行海冰破坏的理论分析，进而得到较为公认的冰力计算模型。

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