极端冰载荷作用下自复位导管架式海洋平台有限元分析

贾 栋， 张纪刚,2

(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)

0 引 言

1966年底，在我国渤海海域钻探出著名的油气探井——海1井，从此我国开始了对海洋油气资源的勘探和开发[1]。目前，油气勘探开发主要采用导管架式、半潜式和自升式海洋平台，其中导管架式海洋平台使用较普遍，用途也较广泛[2]。海洋平台所处环境比较复杂，风、浪、流、冰甚至地震作用会对其结构安全性产生较大威胁，在强载荷下甚至会威胁工作人员的生命安全[3-4]，如何降低海洋平台在强载荷作用下的动力响应显得尤为重要。

海洋平台是复杂的钢桁架结构体系。为降低结构在动载荷下的振动响应，OU等[5]提出在海洋平台端帽与甲板之间添加黏弹性阻尼器和黏滞阻尼器的新型阻尼隔振方案，对海洋平台进行冰载荷下的数值模拟和试验，分析表明隔振方案对于降低海洋平台结构的动力响应是有效的。另外，调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)在适当的频比和质量比条件下具有较好的减振效果[6]。YUE等[7]、RIJKEN等[8]、JAFARABAD等[9]将TMD运用在海洋平台上，证明TMD对于平台的减振控制有效。张纪刚等[10-11]提出基于摇摆墙体系的导管架式海洋平台，通过海洋平台-摇摆墙结构在冰载荷下的有限元分析，发现摇摆墙对于海洋平台结构减振有较好的效果。本文以JZ20-2导管架式海洋平台为例，在海洋平台外部加设斜预应力拉索，通过Abaqus有限元软件分析其在极端冰激载荷下的减振效果。

1 自复位导管架式海洋平台结构

1.1 概 况

以JZ20-2型导管架式海洋平台为例，该平台位于渤海辽东湾，其整体结构如图1所示。

图1 JZ20-2平台结构示例

平台主要由桩、导管架、导管架端帽和甲板结构组成，结构总高为24.8 m。平台设计水深为15.5 m，主要分为水上和水下两部分，水下包括标高为EL.-15.5 m和EL.-3.5 m的2个水平层，水上包括标高为EL.+5.85 m和EL.+10.0 m的2个水平层。平台下部由4根直径约1.5 m的导管架桩腿组成，桩通过导管腿打入土层，其直径为1 060 mm、入土深度约100 m。

1.2 有限元模型

采用有限元软件Abaqus建立原海洋平台和自复位导管架式海洋平台的简化模型，所用钢管为Q235钢，其密度ρ=7 850 kg/m3, 弹性模量E=2.06×1011N/m2，泊松比γ=0.3，模型中各构件的连接方式为刚性连接，平台模型与节点位置如图2所示。自复位导管架式海洋平台在平台体外x方向增设4条斜预应力拉索，高强度拉索对平台施加斜向下的作用力，增加平台的抗侧刚度，减小冰激载荷下平台的水平偏移量和扭转偏移量，并且预应力的作用使海洋平台在变形后可以复位，其布置方式为上端与平台标高EL.+7.50 m上下部连接法兰盘相连，另一侧与导管腿底部相连，方式均为铰接，海洋平台桩腿边界条件设置为固定连接。

图2 海洋平台有限元简化模型

预应力拉索规格型号为15.2-12，热膨胀系数为1×10-5，拉索公称截面面积为0.016 68 m2，公称抗拉强度为1 860 MPa，在模拟时定义钢绞线材料属性为只承受拉力的弹性材料，预应力拉索与平台导管架的连接方式为铰接，除预应力拉索采用二节点线性T3D2桁架单元模拟外，平台其余各构件均采用B31梁单元建模[12]。

预应力的施加方法通常为初始应变法、等效载荷法和降温法。采用降温法对拉索进行预应力的施加，降温法以建模简单且误差小被广泛使用，其原理是通过定义预应力筋的线膨胀系数，降低不同温度产生收缩应变以改变预应力的大小，对应的降温幅度公式为

(1)

式中：ΔT为降低的温度；F为施加的预应力；Es为预应力筋的弹性模量；A为预应力筋的面积；α为热膨胀系数。

2 载荷工况

JZ20-2导管架式海洋平台位于渤海辽东湾，该地区冬季冰情较为严重且冰期较长。冰激振动和极限冰力是影响平台正常使用和破坏结构的主要因素。选取2条实测挤压冰力和弯曲冰力时程曲线，总时间长度为96 s，采样时间间隔为0.096 s，详细信息如表1和图3所示。为研究极端冰激载荷对平台结构的影响，在原冰力载荷的基础上增加1倍，分析平台结构在2倍弯曲冰与挤压冰条件下的动力响应。

表1 作用冰力类型

3 极端冰载荷下海洋平台振动

3.1 2倍弯曲冰作用下结果分析

以设置4条斜预应力拉索的布置方式研究预应力大小对极端冰激载荷下平台的减振性能。为得到拉索预应力的最佳效果，以预应力大小为125 kN、250 kN、500 kN为变量，先后对原海洋平台和自复位海洋平台进行2倍弯曲冰作用下的动力分析，取海洋平台端帽(17节点)、下层甲板(28节点)、上层甲板(122节点)、飞机坪(234节点)等4个关键节点为研究对象，对比得出最优拉索应力设计值。在2倍弯曲冰作用下各节点位移与加速度如表2和图4所示。

图3 冰力时程曲线

表2 2倍弯曲冰作用下各节点的最大位移和加速度

由表2和图4可知，在2倍弯曲冰作用下，与原海洋平台相比，自复位海洋平台的位移与加速度明显减小，当预应力为125 kN时，位移的最大减振效果为71%，加速度的最大减振效果为35%，但是各节点动力反应并未随着预应力的增加而呈线性降低的趋势，即在2倍弯曲冰作用下预应力125 kN已经足够，多余的预应力不能起到相应的减振作用。

图4 2倍弯曲冰作用下各节点位移与加速度时程曲线

3.2 2倍挤压冰作用下结果分析

对自复位导管架式海洋平台进行2倍挤压冰载荷下动力分析，各节点位移和加速度如表3和图5所示。

表3 2倍挤压冰作用下各节点的最大位移和加速度

图5 2倍挤压冰作用下各节点位移与加速度时程曲线

由表3和图5可知，与弯曲冰不同，在2倍挤压冰作用下，随着预应力的增加，平台各节点动力响应逐渐降低，当预应力为500 kN时减振效果最好，位移幅度明显减小，17节点、28节点、122节点、234节点处最大位移分别减小65%、68%、69%和68%，最大加速度分别减小24%、40%、36%和22%，可见预应力拉索发挥了较好的减振作用，有效地控制平台在极端载荷下的动力响应。

3.3 极端冰激载荷下海洋平台应力分析

海洋平台钢材采用Q235钢，其屈服强度为235 MPa，对比分析原平台与自复位海洋平台在极端冰激载荷下的最大应力，通过最大应力分析海洋平台可能发生的破坏模式。以预应力大小为500 kN时自复位导管架式海洋平台为例，分别对弯曲冰、挤压冰极端载荷作用下海洋平台进行应力分析，如图6、图7和表4所示。

图6 2倍弯曲冰作用下海洋平台应力云图

图7 2倍挤压冰作用下海洋平台应力云图

表4 不同极端冰激载荷下海洋平台各节点最大应力 MPa

由图6、图7和表4可知，在2倍弯曲冰载荷作用下原平台结构整体最大应力为208 MPa，位于海洋平台飞机坪位置，自复位平台最大应力为178 MPa，与原结构相比，增设预应力拉索后飞机坪较大应力点分布明显变少，预应力拉索对2倍弯曲冰作用下的平台有较好的减振效果。2倍挤压冰载荷比弯曲冰载荷更大，对平台安全性威胁更大，原平台和自复位平台结构整体最大应力分别为344 MPa、307 MPa，均超过规定限值，主要分布在飞机坪位置边缘处。考虑在2倍挤压冰载荷作用下平台飞机坪位置可能被破坏，需单独对飞机坪位置进行加固或采用其他减振措施，避免在恶劣海洋环境下构件失效而损坏。

4 结 论

(1) 对极端冰激载荷作用下自复位导管架式海洋平台的动力响应进行分析，结果表明，预应力大小是影响平台减振效果的重要因素，节点的动力响应随着预应力的增大而逐渐减小，且预应力拉索有着较好的自复位效果。与加速度相比，位移的减振效果更好，幅度更大。

(2) 对比分析不同冰激载荷下自复位海洋平台的减振效果，冰激载荷越大，预应力拉索作用效果越明显。对比2倍挤压冰载荷，在2倍弯曲冰作用下预应力125 kN已足够，多余的预应力并不能起到减振效果。

(3) 根据不同极端冰激载荷下海洋平台应力分析，海洋平台最大应力主要集中在飞机坪位置，在2倍挤压冰载荷作用下飞机坪位置应力更大并超出规定限值，为防止上部结构发生破坏，需对其进行进一步加固改良。