八桩腿大跨度导管架平台冰激振动模型试验

张 伟，宋梦然，黄 焱，马君诚

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451； 2.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)



八桩腿大跨度导管架平台冰激振动模型试验

张 伟1，宋梦然2，黄 焱2，马君诚1

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451； 2.天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072)

针对目前关于导管架平台大跨度柔性结构冰激振动研究不够充分的问题，对我国渤海海域某带锥八桩腿导管架平台开展系统的冰激振动模型试验研究。研究发现：平台在不同冰攻角、冰速、冰厚和水位条件下的振动类型及响应水平差别较大，5年一遇冰厚条件下，结构的最大响应出现在22.5°冰攻角、原型冰速0.8 m/s时；百年一遇冰厚条件下，结构的最大响应出现在22.5°冰攻角、原型冰速1.1 m/s时。为解决具体的工程实际问题提供参考。

锥型结构；导管架平台；冰激振动；模型试验

0 引言

大跨度的导管架平台在冰排与结构发生相互作用时产生的载荷是交变的，即为一种动力作用，这将导致结构发生剧烈的振动。随着油气开采业在寒区的发展，越来越多的具有显著水平的冰激振动事件威胁着平台的正常作业及结构的安全。例如，1977年，“海四井”烽火台被流冰推倒，生活平台振动剧烈，平台栈桥难以行走[1]；1999年-2000年冬季，渤海JZ20-2中南平台由于冰激振动导致了平台管线的断裂[2]。

随着冰边缘区范围扩大，作用于渤海海域导管架平台上的冰力极值有所减小。然而随着海洋动力学条件更为复杂，导管架平台在海冰作用下的疲劳问题日益显著[3-4]。由于天然海冰的弯曲强度远小于挤压强度，引导冰排由在直立结构前的挤压破坏转为在锥形结构前的弯曲破坏，可以有效降低冰载荷[5]。因此，许多寒区的海洋工程结构物都安装破冰锥体。然而，安装破冰锥体可能会导致一些问题，冰排发生弯曲破坏的同时使冰力具备了周期特性，这样一来，锥体冰力的动力特征就变得尤为突出。本文针对我国渤海海域的某八桩腿带锥导管架平台的冰激振动问题进行系统的模型试验研究。

1 冰激锥型结构振动概述

无论是从冰与锥体相互作用的现象来看，还是从冰与锥体相互作用的冰力时程曲线来看，冰力模型试验和现场原型观测都得到了同样的结论，即冰排与锥体结构的相互作用具有周期性，会产生间歇的周期载荷。对冰激锥体振动问题，影响确定性冰力函数的关键因素有3个：冰排断裂长度、冰速和冰力幅值。

同时，冰排与锥体的作用过程中存在多次断裂进程，导致冰力中含有不止一种激励频率成分，而当结构自振频率与其中一种频率成分相匹配的时候，就可能引发剧烈的结构振动。此外，当冰排与多锥体结构相互作用时，冰排在不同锥体结构间的破坏进程存在非同时性，这种非同时效应弱化了冰激振动的水平。

因此，冰激振动进程是受到冰排破坏模式与结构条件的共同影响和控制的。也就是说，在不同的冰条件与结构条件组合情况下，将发生不同冰激振动机理所控制的振动事件。

2 模型试验概况

2.1 试验模型

选择顺应式模拟器作为试验的主要装置，它可以准确地模拟结构自身的动力特性，如图1所示。试验模型按照1∶30的缩尺比加工。表1为试验中模型结构动力特性参数与原型参数的对比，其中模型结构动力特性参数的设定依据试验的相似体系由原型参数进行缩尺得到。模型固定板直接与顺应式模拟器装配，如图2所示。

图1 顺应式模拟器 图2 装配后的平台冰激振动试验模型

表1 冰激振动结构动力特征参数与原型对应情况

2.2 试验条件

冰厚和冰强度的确定是针对平台所处海域冰区的5年一遇和百年一遇条件设定的。按照模型试验相似体系的几何比尺1∶30，确定试验目标冰厚、冰强度与原型间的对比关系，见表2。模型冰采用第二代尿素模型冰。

表2 目标冰厚、冰强度参数与原型的对应情况

在平台所在海域可能出现的冰速范围内选取8种工况进行试验。该海域海冰最大漂移速度为1.4 m/s，缩尺后最大试验冰速为255 mm/s，其余7种冰速则按照线性递增的方式确定为20 mm/s，50 mm/s，80 mm/s，100 mm/s，120 mm/s，150 mm/s和200 mm/s。

不同的冰攻角将产生不同的破坏模式、冰载荷和冰激振动现象。根据平台所在海域环境条件，在模型试验中共设置2种冰攻角作用条件：0°和22.5°。

3 试验现象

图3 冰排在平台模型前的非同时破坏(百年遇冰厚、平均水位、冰攻角0°)

在平均水位工况下，冰排的下边缘与正-倒锥组合体交接面位置发生接触。在这种情况下，冰排均被正锥体表面顺利挑起，继而发生径向裂纹与环向裂纹并存的楔形梁式弯曲破坏。然而，这种破坏形式在不同的冰攻角下有不同的体现。

在0°冰攻角下，位于平台两侧的2座导管架结构上各有2个抗冰锥体首先迎冰。冰排在锥体模型前发生弯曲破坏，冰排在4个迎冰锥体前的非同时破坏现象可通过肉眼观察，如图3所示。在22.5°冰攻角下，位于平台两侧的2座导管架结构上各有3个抗冰锥体迎冰，而这3个锥体间的位置关系并不在一条直线上，这就造成冰排在这一工况下的非同时破坏效应更加突显。

值得关注的是，上述非同时破坏现象均在低冰速(20～150 mm/s)试验中表现得较为明显，但在高冰速(150～255 mm/s)试验中，很难通过肉眼观察到显著的非同时现象。

4 试验结果分析

4.1 测试结果时程特征分析

以平均水位、百年一遇冰厚、0°冰攻角工况为例，分别针对不同冰速下结构的振动时程特征进行分析。

4.1.1 低冰速(20～150 mm/s)试验

试验现象中描述的非同时效应可以通过对冰力时程的观察得到更好的体现。以冰排作用方向为基准，图4为百年一遇冰厚、0°冰攻角、50 mm/s冰速试验中左、右两侧结构上的冰力时程曲线。2条冰力时程曲线尽管在冰力幅值和波动形态上相差不大，但二者在波动相位上的差异却十分明显。将左右两侧的冰力时程分别作快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)处理，即可得到各自的频谱特征，如图5和图6所示。

图4 冰力时程曲线 图5 左侧冰力时程频谱

图6 右侧冰力时程频谱

观察2条冰力时程频谱曲线可以发现：波动相位上的差异仅仅致使2条冰力时程的频谱特征具有细微的差别，且频谱分析结果中均现了3个冰力特征频率。冰排在与大倾角锥体结构作用时将以二次断裂的模式发生破坏，进而致使冰力中存在2种主要的波动频率成分。在2条冰力频谱曲线中，前两阶的冰力主频保持一致，即0.3 Hz和0.6 Hz。相同的特征频率说明二者由相同的冰条件和结构条件引导了相同的冰排二次断裂进程。2条冰力频谱曲线在第三阶冰力主频上出现了差异，分别为0.88 Hz和0.96 Hz。

在具备上述稳定波动特征的冰力载荷作用下，具备稳定动力特征的结构就必然会呈现出与之相对应的特有响应形态。图7为位移响应时程曲线，图8为频谱分析结果，由图7和图8可以看到：模型结构在吸收了集中在0～1 Hz范围内的冰力激振能量后，开始向高频振动上传输能量。

图7 位移响应时程曲线 图8 位移响应时程频谱

图9 冰力时程曲线

4.1.2 中冰速(150～200 mm/s)试验

随着冰排作用速度的提升，非同时破坏效应的显著程度以及影响水平也随之下降。同样以冰排作用方向为基准，图9为百年一遇冰厚、0°冰攻角、150 mm/s冰速试验中左、右两侧模型结构上的冰力时程曲线。可以看出：2条冰力时程曲线在波动相位上的差异较低冰速试验时呈现出明显的弱化迹象。

图10为结构的位移响应时程频谱曲线，可以看出：平台模型结构的位移时程开始呈现出较为稳定的振动迹象，此时结构的一阶模态已被激发，这样结构将形成对外部输入能量的一次过滤，将远离其一阶自振的激振能量排除，而将大部分的振动能量集中在一阶模态上。由此可将这种情况下的结构振动归结为超谐波共振。

平台整体模型结构的转角响应时程如图11所示，可以看出：此时尽管冰力作用水平得到了提升，但平台模型的整体转角响应幅值较之低冰速情况时并无明显升高，而其振动的平稳程度却明显高于低冰速工况。

图10 位移响应时程频谱

图11 转角响应时程

图12 冰速冰力时程曲线

4.1.3 高冰速(200～255 mm/s)试验

在冰速达到高速区后，冰排的破坏速度也达到了峰值，非同时破坏效应的显著程度以及影响水平也随之下降至最低几乎可以忽略的水平。同样以冰排作用方向为基准，图12中为百年一遇冰厚、0°冰攻角、255 mm/s冰速试验中左、右两侧模型结构上的冰力时程曲线,可以看出：2条冰力时程曲线在波动相位上的差异基本上已经可以忽略。

结构在上述冰力作用下的位移响应及其频谱特征分别如图13和图14所示，可以看出：此时结构的位移幅值明显升高，同时，频谱分析结果显示此时的位移响应在结构自身的一阶模态上出现了明显的集中。

图13 位移响应时程 图14 位移响应时程频谱

图15 转角响应时程

平台整体模型结构的转角响应时程如图15所示，可以看出：结构响应在一阶模态频率上的集中制约了因冰排非同时破坏效应引发的扭转响应，致使其下降至很低的水平。

上述针对0°冰攻角试验测试结果分析得到的结论同样存在于22.5°冰攻角系列试验中，因此这里不再赘述。

4.2 测试结果统计分析

为了针对测试物理参量的统计结果进行清晰的分析，这里定义统计参数：

位移波动范围Δd为

式中：dmax为每组次测试记录中位移响应的最大值；dmin为每组次测试记录中位移响应的最小值。

加速度波动范围Δa为

式中：amax为每组次测试记录中加速度响应的最大值；amin为每组次测试记录中加速度响应的最小值。

转角波动范围Δθ为

式中：θmax为每组次测试记录中转角响应的最大值；θmin为每组次测试记录中转角响应的最小值。

4.2.1 0°冰攻角试验

图16和图17分别为2种(5年一遇和百年一遇)目标冰厚试验中位移波动范围在3种水位工况下随冰速的变化趋势。

图16 位移波动范围随冰速的变化曲线(0°冰攻角、5年一遇目标冰厚) 图17 位移波动范围随冰速的变化曲线(0°冰攻角、百年一遇目标冰厚)

由图16和图17可以看出：总体上，平台结构整体的位移响应水平在最高天文潮水位下最高，最低天文潮水位下的平台结构整体位移响应水平低于另外2个水位情况；5年一遇目标冰厚条件下，平台结构整体的最大位移响应出现在150 mm/s冰速条件下，对应原型冰速条件为0.8 m/s；百年一遇目标冰厚条件下，平台结构整体的最大位移响应出现在200 mm/s冰速条件下，对应原型冰速条件为1.1 m/s。

值得关注的问题是，平台结构整体的最大位移所对应的冰速条件是随冰厚的变化而变化的。由于冰排的初始弯曲破坏是促使结构形成高频滤波响应形态的关键，那么，冰排的初始弯曲破坏所形成的冰排破坏频率距结构的自振频率越近，则冰载荷在与结构自振频率相近的低频范围内形成的能量集中水平也就越高。自然，结构对高频激振能量的滤波功能会在上述低频能量集中水平最高的时刻达到最佳，而结构的动力响应也会在这一时刻达到最大水平。由此可见，临界冰速的出现取决于冰排的初始弯曲破坏频率与结构自振频率的接近程度。冰排的弯曲破坏频率取决于冰速与冰厚这2种基本作用条件，当冰排厚度发生变化时，导致结构最大响应的临界冰速也必将随之发生变化。

图18和图19分别显示了2种冰厚试验中加速度波动范围在3种水位工况下随冰速的变化趋势，可以看出：在平均水位条件下，加速度响应水平总体上随冰速的增长而上升，这与测试时程特征分析的结论是一致的。

图18 转角波动范围随冰速的变化分布 (0°冰攻角、5年一遇目标冰厚) 图19 转角波动范围随冰速的变化分布 (0°冰攻角、百年遇目标冰厚)

4.2.2 22.5°冰攻角试验

图20～图23分别为22.5°冰攻角系列试验结果，可以看出：22.5°冰攻角系列试验中3项响应波动范围的变化规律与0°冰攻角系列试验中的规律相似，区别仅在于22.5°冰攻角系列试验的响应水平要高于0°冰攻角系列试验。由此可见，所面临的冰排作用方向变化并不会致使结构振动机理及模式上发生改变，但结构承受冰载荷的桩腿数目增多，会造成平台结构整体响应水平升高。

图20 位移波动范围随冰速的变化分布 (22.5°冰攻角、5年一遇目标冰厚) 图21 位移波动范围随冰速的变化分布 (22.5°冰攻角、百年一遇目标冰厚)

图22 转角波动范围随冰速的变化分布 (22.5°冰攻角、5年一遇目标冰厚) 图23 转角波动范围随冰速的变化分布 (22.5°冰攻角、百年一遇目标冰厚)

5 结论

(1) 非同时破坏效应的显著程度以及影响水平随着冰排作用速度的提升逐渐减小，并且位移响应在结构自身的一阶模态上逐渐集中。

(2) 当冰排厚度发生变化时，结构最大响应的临界冰速随之发生变化。在5年一遇冰厚条件下，结构的最大响应出现在22.5°冰攻角、原型冰速0.8 m/s时；在百年一遇冰厚条件下，结构的最大响应出现在22.5°冰攻角、原型冰速1.1 m/s时。

[1] 段梦兰,方华灿，陈如恒，等.渤海老二号平台被冰推倒的调查结论[J].石油矿场机械.1994,23(3)：1-4.

[2] 黄焱.冰激海洋平台振动的动力模型试验研究[D].天津：天津大学,2004.

[3] HUANG Y,MA J J,TIAN Y F.Model Tests of Four-Legged Jacket Platforms in Ice:Part 1.Model Tests and Results[J].Cold Region Science &Technology,2013,95(11):74-85.

[4] HUANG Y,YU M,TIAN Y F.Model Tests of Four-Legged Jacket Platforms in Ice:Part 2.Analyses and Discussions[J].Cold Region Science &Technology,2013,95(11):86-101.

[5] SODHI D S.Crushing Failure During Ice-Structure Interaction[J].Engineering Fracture Mechanics,2001,68(17):1889-1921.

Model Test Study on Ice-Induced Vibration of Eight-Legged
Long Span Jacket Platform

ZHANG Wei1,SONG Mengran2,HUANG Yan2,MA Juncheng1

(1.Offshore Oil Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300451,China； 2.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Because the research on ice induced vibration of flexible structures with large span of jacket platform is not sufficient,a series of model tests on the ice-induced vibration of an eight-legged conical structure jacket platform in the Bohai Sea are researched.It can be found that the platform in different ice angle of attack,ice velocity,ice thickness and water level has big differences of vibration types and response level.Under the condition of ice thickness generated every 5 years,the maximum response of the structure appeared in the 22.5° angle of ice attack with the prototype ice speed of 0.8 m/s.Under the condition of ice thickness generated every 100 years,the maximum response of the structure appeared in the 22.5° angle of ice attack with the prototype ice speed of 1.1 m/s.It has positive significance on solving the engineering specific problem.

conical structure；jacket platform；ice-induced vibration；model test

2016-11-09

张 伟(1982-)，男，工程师

1001-4500(2017)03-0086-07

U65

A