海洋平台-摇摆柱结构体系冰激振动试验*

刘菲菲, 张纪刚, 苏 锐, 韩永力

(1. 青岛理工大学土木工程学院 青岛，266033) (2. 山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心 青岛，266033) (3. 中垠地产有限公司 济南，250101)

引 言

海洋平台所处环境恶劣，经常会受到风、浪、流、冰甚至是地震作用，其中冰荷载是海洋平台的控制荷载。欧进萍等[1]对JZ20-2MUQ海洋平台进行冰激振动性能研究发现，在重冰年海洋平台的冰振位移较大，严重威胁到平台的安全。为解决这个问题，在20世纪90年代初，在辽东湾JZ20-2MUQ，JZ20-2MSW等多座平台上安装了固定式破冰锥体。文献[2-3]对其中两座平台进行荷载和结构动力响应的同步检测，结果发现，冰板与锥体作用会产生规律性的破碎，冰力周期与结构自振周期接近，振动放大现象时有发生，因此提出了带有隔振锥系统的导管架海洋平台[4]，但由于冰荷载作用频率是一种宽频率特性，实际上其控制效果还是受到了很大限制。张力[5]提出了单向大比尺、滑动式TMD，并取得了较好的减振效果。Wu等[6]将TMD运用于平台抗震研究，也取得了较好的效果。文献[7-8]采用磁流变半主动控制对海洋平台进行振动控制。事实证明，TMD，TLD对平台振动控制具有较好的效果，磁流变半主动智能控制技术具有较好工程应用前景[9]，但存在TMD，TLD控制频率相对单一和磁流变阻尼器漏油及渗油的问题。为此，张纪刚等[10-11]结合摇摆柱体系提出了新型海洋平台-摇摆柱结构体系，并在理论上研究了可行性。笔者在其研究的基础上建立了1∶10的海洋平台-摇摆柱结构体系缩尺模型，并进行相应的试验研究。

1 海洋平台-摇摆柱结构体系介绍

摇摆结构体系主要是通过放松结构与基础之间的约束，使得结构与基础之间仅有受压能力而无受拉能力，在外力作用下通过自重或预应力使结构复位[12]。采用摇摆结构来进行抗震设计，在国际上已有不少成功案例。美国旧金山-奥克兰海湾大桥改造加固，采用文献[13]提出的半刚性摇摆桥墩。东京大学津田校区G3楼结构加固，采用了摇摆墙与钢阻尼器联合加固技术[14]。

海洋平台-摇摆柱结构体系主要通过连接杆将摇摆柱与海洋平台连接在一起，摇摆柱柱底铰接，具备一定的转动能力，如图1所示。在外加荷载作用下，摇摆柱的存在使海洋平台变形趋于一致，变形主要集中于摇摆界面。

图1 海洋平台Fig.1 Offshore platform

2 摇摆柱直径和连接杆数量优化

摇摆柱和连接杆作为海洋平台重要构件，其摇摆柱直径、连接杆数量和位置对平台均具有十分重要的影响。考虑以上因素，提出了5种布置方案，如图2所示，具体尺寸如表1所示。

方案1采用了6根连接杆，连接杆刚度足够大，与海洋平台和摇摆柱间采用铰接。方案2～5与方案1主要区别是连接杆的数量和位置。摇摆柱考虑直径变化，分别取240, 360和480 mm三种情况进行研究，壁厚均为6 mm。由于试验时采用的是1∶10缩尺模型(具体相似比见表2)，在采用ANSYS进行最优结构选型时，模型和冰荷载均进行了缩尺。模拟时主要考虑海洋平台-摇摆柱体系在弯曲冰(冰与结构接触面呈斜面时，冰将沿坡面上爬到一定高度后发生弯曲折断，此时产生冰力为弯曲冰)和挤压冰1(冰排在移动过程中，冰与结构接触前端形成“损伤”区和裂纹，冰产生冰屑剥落形成)作用下的选型，如图3所示。模拟时，连接杆采用LINK8单元，海洋平台和摇摆柱采用BEAM188单元。

图2 连接杆布置方案Fig.2 The scheme of connecting rods

表1海洋平台-摇摆柱布置方案

Tab.1Theschemeofoffshoreplatformwithrockingcolumn

试验方案摇摆柱直径/mm壁厚/mm连接杆个数124036048066224036048065324036048064424036048063524036048063

图3 冰力时程曲线Fig.3 The history curves of ice load

图4 弯曲冰1作用下海洋平台-摇摆柱体系最大动力反应Fig.4 The maximum dynamic response of offshore platform with rocking column under bending 1

图5 挤压冰作用下海洋平台-摇摆柱体系最大动力反应Fig.5 The maximum dynamic response of offshore platform with rocking column under pushing ice

在弯曲冰1作用下，原结构端帽处和下层甲板的位移响应依次为0.76 cm和1.33 cm，加速度响应依次为0.097g和0.193g；挤压冰作用下，原结构端帽处、下层甲板的位移响应依次为1.51 cm和2.78 cm，加速度响应依次为0.172g和0.322g。通过图4和图5对比发现，施加摇摆柱后，不论位移还是加速度均明显降低，以方案1中摇摆柱直径360 mm的海洋平台为例，在弯曲冰1作用下导管架端帽处位移和加速度分别降低67.11%和88.49%，效果十分明显。5个方案中，方案1减振效果最好，随着连接杆数量的减少，位移和加速度也随之上升。在挤压冰作用下，方案3位移和加速度降低效果基本上可达50%以上；弯曲冰作用下可达到40%以上，效果明显，已经可以满足要求。从经济性上来说，适当的减少连接杆数量可以有效降低工程造价和安装费用，也可以减少连接杆与平台和摇摆柱连接部位损伤。

对于摇摆柱而言，从图4和图5可以看出，摇摆柱直径越大，减振效果越好，直径为480 mm时，效果最好，但是考虑到摇摆柱与海洋的相互作用，摇摆柱直径应该尽可能的缩小，同时为了防止钢管屈曲和保证最优控制效果，取摇摆柱直径为360 mm。综上所述，取方案3摇摆柱直径为360 mm的海洋平台进行试验研究。

3 试验模型和传感器布置

表2 主要相似关系

图6 原海洋平台Fig.6 Original offshore platform

图7 作动器、传感器布置位置及其构造形式Fig.7 The location and structure form of actuators and sensors

海洋平台-摇摆柱结构体系主要根据方案3(图2(c))进行布置，连接杆采用壁厚为10 mm的方钢管。海洋平台和摇摆柱通过方钢管铰接，摇摆柱通过地梁、转动构件与地面铰接，如图8所示。

图8 海洋平台-摇摆柱结构体系Fig.8 Offshore platform with rocking column

4 海洋平台-摇摆柱结构体系冰激试验

4.1 荷载工况

冰力加载点选在试验模型EL.+0.40 m处，也就是原海洋平台正倒锥顶面处。试验采用力控制，通过作动器进行加载，如图7，8所示。试验共采用了4条冰力时程曲线，其中3条弯曲冰、1条挤压冰。弯曲冰时程由大连理工大学于1996年～1997年实测，挤压冰时程由渤海石油公司于1989年～1990年量测。试验时，将冰力按照表2中的相似关系进行处理，处理后结果如图3和图9所示。

4.2 试验结果分析

试验结果如表3所示，海洋平台施加摇摆柱后结构的位移明显减小，尤其是在弯曲冰2和弯曲冰3作用下，结构端帽处位移减小幅度甚至可达60%以上，如图10，11所示，可有效控制结构在重冰期的

表3 冰荷载作用下结构动力反应

减振效果=(原平台响应-海洋平台摇摆柱体系响应)/原平台响应×100%

图9 冰力时程曲线Fig.9 The history curves of ice load

图10 冰荷载作用下导管架端帽处最大动力反应Fig.10 The maximum dynamic response of jacket end cap under ice load

图11 冰荷载作用下下层甲板最大动力反应Fig.11 The maximum dynamic response of lower deck under ice load

侧向位移，保护输油管道。相对于位移而言，端帽处加速度仅减小2.88%。挤压冰作用下，端帽处位移和加速度依次减小30.18%,37.44%，下层甲板位移和加速度依次减小22.26%,28.96%，结构位移和加速度均得到了有效控制。这主要是由于弯曲冰相较于挤压冰能量较小，原平台在弯曲冰作用下本身加速度反应就小，摇摆柱不能充分发挥作用。挤压冰荷载为弯曲冰荷载的3倍，在挤压冰作用下，摇摆柱与海洋平台能很好的协调受力，充分发挥摇摆柱的作用，这也说明外荷载越大海洋平台-摇摆柱体系控制效果越好，表明海洋平台-摇摆柱体系具有较高的抗灾防灾能力。

5 结 论

1) ANSYS模拟分析选型发现，连接杆数量、位置和摇摆柱直径对海洋平台影响很大。连接杆数量越多、摇摆柱直径越大，减振效果越好，但考虑到摇摆柱与海洋的接触面积以及结构的经济性，采用方案3(摇摆柱直径为360 mm、连接杆为4根)进行结构设计。

2) 通过原海洋平台与海洋平台-摇摆柱结构体系试验对比发现，摇摆柱对海洋平台具有良好的控制效果。尤其是在弯曲冰2和弯曲冰3作用下，结构端帽处位移减小幅度甚至可达60%以上。在挤压冰作用下，端帽处位移和加速度依次减小30.18%，37.44%，下层甲板位移和加速度依次减小22.26%，28.96%，控制效果较好。为对海洋平台-摇摆柱结构体系进行深入研究，后续可对海洋平台-摇摆柱结构在挤压冰作用下的结构响应进行详细的研究。