转角阻尼器对海洋平台-摇摆墙体系抗振分析

张纪刚，刘菲菲，韩永力，苏 锐

(1.青岛理工大学 土木工程学院,山东 青岛 266033; 2.蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，山东 青岛 266033)

转角阻尼器对海洋平台-摇摆墙体系抗振分析

张纪刚，刘菲菲，韩永力，苏 锐

(1.青岛理工大学 土木工程学院,山东 青岛 266033; 2.蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，山东 青岛 266033)

在海洋平台摇摆墙体系基础上，提出在海洋平台和摇摆墙之间刚性连接杆的铰接点处安装粘弹性转角阻尼器的减振措施，对海洋平台进行进一步减振控制。对粘弹性转角位移阻尼器的刚度和阻尼参数进行了优化分析，可知阻尼器的阻尼与刚度在结构减振中起到了十分重要的作用，且存在特定范围内的优化值。以JZ20-2北高点井口平台为例，利用ANSYS进行地震荷载作用和实测挤压冰荷载下的仿真分析，研究了粘弹性转角阻尼器在海洋平台和摇摆墙之间刚性连接杆铰接点处的不同安装方式，对比分析减振效果。结果表明，在该体系刚性连接杆的铰接点处安装粘弹性转角阻尼器能显著降低结构的振动反应，连接杆右侧安装粘弹性转角阻尼器的方式为减振效果最佳方式。

海洋平台；摇摆墙；粘弹性转角阻尼器；地震作用；冰荷载

Abstract:This paper introduces the installation of the viscoelastic rotary dampers at the hinged points of rigid connection rods between the offshore platform and the rocking wall as the measure of vibration mitigation,which is based on the offshore platform-rocking wall system,for further vibration control of offshore platform.The stiffness and damping parameters of the viscoelastic rotary dampers are analyzed and optimized.The results show that damping and stiffness play a very important role in structural vibration dissipation,and that the optimum values for stiffness and damping parameters exist within a specific range.Taking the JZ20-2 north high offshore platform as an example,its simulation analysis is done under earthquake loads and in-situ measured push ice load using ANSYS,to study different installations of viscoelastic dampers at the hinged points of rigid connection rods between offshore platform and rocking wall,and the control effects are compared.The results show that the installation of viscoelastic rotary damper at the hinged points of the rigid connection rods can reduce significantly the vibration response of the structure,and that the installation of the viscoelastic rotary dampers at the right side of the rigid connection rods can have the best control effect.

Keywords:offshore platform; rocking wall; viscoelastic rotary damper; earthquake action; ice load

摇摆墙体系为工程界一种新型抗震结构，有学者进行了摇摆墙体系的抗震性能研究，认为摇摆墙能使原结构各层变形趋于一致，有效控制变形集中，可发挥结构整体抗震及耗能能力[1-3]。TMD对海洋平台的振动控制有一定作用，并在适当的频比和质量比条件下具有较好的减振效果，但是TMD 减振系统受频率限制比较大，控制频域宽度很窄，只有当激励为窄带激励或结构的响应由基阶模态控制时，才有控制效果[4-5]。Qiao Jin等人利用TLD对导管架海洋平台进行抗震分析，并进行了试验研究和数值分析，结果表明TLD的晃动频率与平台的自然频率比值是控制抗震的关键因素，TLD的水的质量与平台的质量比越大越有利于减震[6]。但是由于其自身质量、冬季维护等限制，TMD和TLD在海洋平台中的实际应用价值有限。Rujian Ma等人提出将ETMD减振系统应用于海洋平台中，其原理是利用装置内部设备进行振动控制，结果表明ETMD减振系统在适当的频比和质量比条件下具有较好的减振效果，但是ETMD系统和TMD类似，受频率限制比较大，控制频域宽度很窄[7]。海洋平台结构磁流变半主动智能控制技术是一种较好的方案，但是磁流变阻尼器是由油缸、套筒等组成，存在着漏油、渗油的问题，一旦出现问题将使其功能失效。并且，磁流变阻尼器存在时滞的问题[8-9]。张纪刚等提出了基于摇摆墙体系的新型海洋平台结构，结果表明摇摆墙体系对海洋平台的动力反应有很好的减振效果[10]。本文在此新型海洋平台-摇摆墙结构体系的基础上，提出在摇摆墙与平台之间的刚性连接杆铰接点处设置粘弹性转角位移阻尼器来进行减振。

1 海洋平台模型及转角阻尼器

1.1平台概况

研究所选平台为JZ20-2型，导管架式，位于渤海辽东湾，1991年建成投产，平台设计服役期20年，设计水深15.5 m。平台由桩、导管架、导管架端帽及甲板结构组成，总高24.8 m。平台导管架由四条腿桩组成，腿桩直径约1.5 m，各腿桩双斜布置，结构斜面呈正四边形，导管架水下部分为两个水平层，标高分别为EL.-15.5 m和EL.-3.5 m，导管架水上部分为两个水平层，标高分别为EL.+5.85 m和EL.+10.0 m。桩穿过导管腿打入土层，桩的直径是1 060 mm，预计入土深度60 m。JZ20-2平台结构示意如图1所示。

1.2摇摆体系和粘弹性转角阻尼器

摇摆结构体系的减振不是利用结构本身的变形来耗散地震能量，而是放松结构体系约束构成摇摆构件，通过构件的摇摆，使之与原结构变形趋于一致，将变形集中在摇摆界面上，如果摇摆构件具有足够的刚度和强度，就可以使结构各层层间变形均匀，有效控制结构变形的集中，由此避免传统结构在变形时产生的屈服机制，发挥结构整体抗震及耗能能力。

关于粘弹性阻尼器，目前大部分工程中采用的多为直线拉压型，专用于控制转动自由度的阻尼器还比较少，近年来也有相关学者提出了多种新型转角阻尼器，具有不错的设计方案和动力学性能。周云等提出一种扇形铅粘弹性阻尼器[11-12]，见图2，该类阻尼器既具有粘弹性材料的速度相关型特点，又具有金属阻尼器的大阻尼特性。将扇形转角阻尼器应用于海洋平台-摇摆墙体系中，不仅使平台结构各部位位移趋于一致，还能通过粘弹性阻尼器在铰接点处发挥自身优势，进一步消耗转动能量，有效减小海洋平台结构的振动反应。

图1 JZ20-2北高点井口平台结构示意Fig.1 Model of JZ20-2 platform

图2 扇形铅粘弹性阻尼器Fig.2 Sector lead viscoelastic damper

1.3ANSYS有限元模型

模型分析采用ANSYS软件的有限元程序，将海洋平台模拟为三维空间桁架结构，杆件单元采用BEAM188单元，将层间质量简化为质量单元采用MASS21单元，单元杆件之间均为刚性连接。海洋平台与摇摆墙之间的刚性杆采用LINK8单元，为简便分析，摇摆墙采用与导管相同单元，即亦使用BEAM188单元，摇摆墙与地面之间为铰接。根据研究成果，摇摆墙直径取为导管架直径的4倍，即4.8 m，此时摇摆墙构件具有足够的刚度和质量。结构体系简化示意图如图3所示。根据经典的粘弹性材料的开尔文模型，铰接点处设置粘弹性阻尼器应用COMBIN14单元，阻尼器的单元属性为垂直于纸面的ROTZ方向单自由度抗扭转模型，在阻尼器处提供抵抗变形的扭矩，仅在刚性杆右端施加转角阻尼器的模型如图4所示。

图3 海洋平台有限元模型Fig.3 The finite element model of offshore platform

图4 刚性杆右端施加转角阻尼器的海洋平台模型Fig.4 Offshore platform model with rotary damper applyed to the right corner of the rigid rods

2 荷载工况

另一方面，JZ20-2平台位于渤海辽东湾，冬季常结冰。在高纬度海区，如我国的渤海和黄海北部，海冰也是一个不容忽视的动力荷载，是海洋平台的主要控制荷载。冰荷载采用实测挤压破坏冰力时程，时程长度为96 s，采样时间间隔为0.096 s，实测挤压冰力时程如图6所示。

图5 天津波时程Fig.5 Tianjin earthquake wave

图6 挤压冰力曲线Fig.6 Push ice loads

3 转角阻尼器参数设计

表1 天津波作用下下层甲板最大位移和阻尼器阻尼关系Tab.1 Maximum displacement of lower deck with different damper dampings under Tianjin wave

图7 天津波作用下下层甲板最大位移和阻尼器阻尼关系Fig.7 Maximum displacement of the lower deck with different damper dampings under Tianjin wave

然后，采用控制变量法进行其刚度系数的优化，保持阻尼器阻尼系数为2π×1 990 N·m·s/θ不变，分别取阻尼器转动刚度为结构侧向刚度2π倍的1%、5%、10%、15%，20%，天津波作用下下层甲板最大位移和阻尼器刚度关系计算结果见表2。由此可以看出，体系的自振频率随着阻尼器刚度的增大而增大，尽管刚度越大，阻尼器的输出力越大，但是增大的阻尼器刚度并没有给体系的地震位移反应带来实质性的减小，而且地震反应的动力系数处于较高水平，体系地震反应不稳定，易发生共振现象，因此可将阻尼器的刚度取为10%，即15.52×104kN·m/θ。

表2 天津波作用下阻尼器刚度和下层甲板最大位移关系Tab.2 Maximum displacement of lower deck with different damper stiffness under Tianjin wave

4 应用安装分析

取天津波作用下刚性杆两端为铰接、设置转角阻尼器时结构变形图做对比，如图8所示，可以明显看到，设置转角阻尼器时的结构变形得到了很好的控制，侧向位移得到了有效的减小。

图8 天津波作用下结构变形比较Fig.8 Comparison of structural deformation under Tianjin wave

为了进一步分析其实际应用价值，取水面上上层甲板、下层甲板两处作为研究对象，通过ANSYS分析后得到分析结果见表3。基于摇摆墙—海洋平台体系的减振原理，摇摆墙与海洋平台之间的刚性连接杆两端采用铰接时，就可以很好的降低结构的动力反应。

通过表3可以看出在刚性杆右端安装粘弹性转角阻尼器可以有效降低海洋平台结构的动力反应，下层甲板的最大位移反应在两种荷载作用下分别降低了72.14%、70.44%。如果在刚性杆的两端均设置转角阻尼器，则平台结构的最大位移和最大加速度均会得到明显的减小，下层甲板的最大位移反应在两种荷载作用下分别降低了84.98%、72.84%，但最大加速度反应反而会被放大。

对于左端安装转角阻尼器的情况，可以看出由于转角阻尼器与海洋平台结构之间的结合，使得原有的摇摆墙减振原理失效，基本没有效果，而且只在所有刚性杆左端设置转角阻尼器在实际中难以实施，因为连接杆左端的所有转角阻尼器由于其倾斜角度不一样，所安装的粘弹性转角阻尼器尺寸型号会有较大差异，导致造价提高，所以对于此种情况予以舍弃。

综上考虑，连接杆右端设置转角阻尼器效果最好，加速度不被放大，同时所安装转角位移阻尼器型号一致，能节省造价。刚性杆右端安装粘弹性转角阻尼器时下层甲板处在天津波作用和push冰荷载下的最大位移反应时程与原始平台之间的对比如图9所示，可以看出其减振效果明显。

表3 分析结果Tab.3 The analysis results

(注：括号内为减振效果，*表示没有效果)

图9 不同工况下层甲板位移反应比较Fig.9 Comparison of the displacement response of the lower deck in different conditions

5 结 语

通过对海洋平台-摇摆墙体系中摇摆墙铰接点处安装粘弹性转角阻尼器进行有限元分析，并对阻尼器参数进行初步优化计算，得出如下结论：

1)在摇摆墙与海洋平台之间刚性杆的铰接点处安装转角阻尼器对海洋平台摇摆墙体系的减振性能具有显著效果，单纯调节阻尼器的刚度对结构的减振效果不明显；同时可以根据实际情况调节阻尼器阻尼以达到最好的消能减振效果。由于分析采用ANSYS模型，与实体海洋平台有差异，所以关于阻尼器的具体参数，可以在实际工程中进行具体的优化计算。

2)刚性杆两端均安装转角阻尼器时对位移减振效果最好，但加速度反应增大。由于平台杆件较为复杂，连接杆左端处安装转角阻尼器的难度较大，且型号大小不一致，造价较高，需要进行比较深入的优化。因此，在实际施工中连接杆右端安装转角阻尼器对平台体系的位移和加速度都有较好的减振效果，为最佳方案。

3)在海洋平台-摇摆体系上安装转角阻尼器是一种较为可行的方案，具有良好的应用空间，粘弹性转角阻尼器在海洋平台中的具体安装方式及经济效益等还有待进一步研究。

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Analysis of vibration performance of offshore platform with rocking wall system installing viscoelastic rotary dampers

ZHANG Jigang,LIU Feifei,HAN Yongli,SU Rui

(1.School of Civil Engineering,Qingdao Technological University,Qingdao 266033,China; 2.Collaborative Innovation Center of Engineering Construction and Safety in Shandong Blue Economic Zone,Qingdao 266033,China)

TV3

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.02.002

1005-9865(2016)02-0010-06

2015-02-03

国家自然科学基金资助项目(51378271)；中国博士后科学基金资助项目(2013M530307)；山东省博士后创新项目专项资金资助项目(201302020)

张纪刚(1975-),男，山东沂水人，教授，主要从事结构振动控制方面的研究。E-mail:zhangjigang-hit@163.com