四筒基平臺拖航試驗分析-水深影響研究

丁紅巖 ，樂叢歡 ，劉憲慶 ，刁景華

(1. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津大學(xué)濱海土木工程結(jié)構(gòu)與安全教育部重點實驗室，天津300072；3. 天津大學(xué)水利仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；4. 海軍工程大學(xué)(天津校區(qū))，天津 300450)

筒型基礎(chǔ)海洋平臺的拖航受力機(jī)理不同于普通的浮體(剛底平臺或船舶)．除了受到類似普通浮體的水彈性和浮體結(jié)構(gòu)形狀的影響外，還與封閉于筒內(nèi)的氣體彈性有關(guān)[1-3]．目前對于筒型基礎(chǔ)的研究主要集中在氣浮穩(wěn)性上[4-6]，而對筒型基礎(chǔ)在波浪作用下拖航的運動響應(yīng)研究還相對較少，筆者采用模型試驗的方法分析研究水深變化條件下筒型基礎(chǔ)平臺拖航的運動特性．

1 理論分析

(1) 在筒型基礎(chǔ)海洋平臺的拖航中，由于拖航水深的變化，計算時必須選用不同的波浪理論．當(dāng)水深h大于波長L的 1/2時(如圖 1(c)是深水波)，波速只是波長的函數(shù)，與水深無關(guān)，水質(zhì)點的垂直運動和水平運動相等；當(dāng)水深小于波長的1/20時(如圖1(a)是淺水波)，波速只是水深的函數(shù)，與波長無關(guān)；當(dāng)水深介于L/20～L/2時(如圖1(b)是中等水深波)，波速是波長和水深的函數(shù)[7]．

(2) 對于圓柱形構(gòu)件所受波浪力，按照其尺度大小的不同采取 2種不同的計算方法．對于小直徑構(gòu)件，當(dāng)構(gòu)件的直徑和波長的比值相對很小( D/L ≤ 0 .15)時，采用半經(jīng)驗半理論的 Morison公式；對于大直徑構(gòu)件，采用 MacCamy和 Fuchs提出的繞射理論[8]．

(3) 筒型基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)尺寸相對于波浪來說是小尺寸構(gòu)件，計算時采用 Morison公式．波浪對結(jié)構(gòu)單筒的作用形式如圖2所示．

當(dāng)入射波由x軸的正向傳來時，在厚度為 dz的圓柱形切片上受到沿x軸方向的波浪擾動力為

式中：u為切片處未擾動的波浪中流體質(zhì)點的速度；CM為質(zhì)量系數(shù)；Cd為阻力系數(shù)．對于圓形剖面的柱體，由文獻(xiàn)[9]可知，CM= 2 .0，Cd= 1 .0．

圖1 水質(zhì)點隨深度的運動Fig.1 Movement with the changes of depth

圖2 筒體波浪作用示意Fig.2 Affection of wave on the bucket

(4) 由于結(jié)構(gòu)并非單體，必須考慮4個柱體組成的浮體在流體力學(xué)方面的相互干擾情況[10]．如圖 3所示，對按方陣布置的4個圓柱進(jìn)行波浪中的相互作用問題研究，圓柱半徑 r和水深的比為 3/10，方陣邊長S和水深的比值為9/10．圖4為當(dāng)筒型基礎(chǔ)下沉入土?xí)r，波浪入射角 α＝45o時，不同波數(shù)( 2/k L= π )下樁群各樁上所受的波浪力F與孤立單樁上的受力0F之比，波浪按照這一角度入射時，樁群中各柱上的波浪力可達(dá)到單柱上波浪力的 1.7倍．所以，波浪與樁群作用時，由于樁柱之間的干涉影響，最大波浪力有可能增加．

圖3 坐標(biāo)系和圓柱位置示意Fig.3 Coordinate system and location of cylinders

圖4 波浪擾動力Fig.4 Wave exciting forces of surge

2 試 驗

2.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗以海軍某平臺為原型，采用1∶20比例鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)模型(原型平臺筒直徑 6.0,m，筒高 7.0,m，平臺整體高度 22,m)，如圖 5所示．試驗?zāi)Ｐ桶粗亓透等甑孪嗨贫蛇M(jìn)行相似比設(shè)計，為使平臺模型的重量分布與平臺原型相應(yīng)地縮小，根據(jù)平臺的重量分布，模型配有一定重量的壓載以模擬平臺上的設(shè)備重量，整體模型入水見圖6．

圖5 1∶20模型Fig.5 Model 1∶20

圖6 拖航模型入水Fig.6 Model of towing in water

2.2 設(shè)計方法

試驗用多因素正交設(shè)計方法，利用正交組合表來安排試驗組合，對單因素的水平情況考慮3個組合[11]．根據(jù)試驗條件和現(xiàn)場條件，在波浪條件、拖航速度等不變的前提下，水深分別為10,m、15,m和20,m時筒型基礎(chǔ)平臺運動特性分析的組合情況如表1所示．

表1 拖航組合Tal.1 Combinations of towing

2.3 傳感器布置

試驗中采用拉力、壓力(包括氣壓力和水壓力傳感器)和加速度傳感器，傳感器布置如圖 7所示．拉力傳感器固定于拖車上，作用點處安裝有滑輪，拖纜繞過滑輪將結(jié)構(gòu)模型與拉力傳感器連接；氣壓力傳感器布置在筒內(nèi)頂部；水壓力傳感器布置于筒底；加速度傳感器固定于平臺頂部中間位置．在拖航過程中，x、y和 z方向分別為縱蕩、橫蕩和垂蕩方向，筒體編號見圖 8，1、3筒在前，2、4筒拖航．

圖7 結(jié)構(gòu)立面及傳感器布置Fig.7 Vertical structure and layout of sensors

圖8 筒體編號Fig.8 Numbers of cylinders

3 試驗結(jié)果分析

本次試驗中加速度數(shù)據(jù)由DAQ數(shù)據(jù)采集軟件獲得，氣壓、水壓以及拖纜張力通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得，數(shù)據(jù)處理采用 Origin和 Matlab軟件濾波相互結(jié)合的方法進(jìn)行處理分析[12-13]．為了更好地分析試驗現(xiàn)象，取拖航穩(wěn)定階段的參數(shù)變化曲線進(jìn)行研究．

由圖8可見，結(jié)構(gòu)是左右前后對稱的，故1筒和3筒的變化規(guī)律、2筒和 4筒的變化規(guī)律是大體一致的，實際中選擇1筒和4筒的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析．

對于試驗中規(guī)則波浪，波周期為 6,s，波高為2.0,m，波長采用迭代方法求出，求解結(jié)果見表 2，可以看出，該波浪為中等深水波．

表2 不同水深波長Tab.2 Wave length with different water depths

3.1 隨浪分析

從圖9可知，當(dāng)拖航水深從10,m變化到20,m，1和3系纜筒的筒底水壓力值是按照正弦曲線規(guī)律隨水深的增加而增加，且變化的幅度隨拖航水深的變大而減小，原因是在中等水深波下，波長和水深成正比，水深增加波長變長，波速增加，結(jié)構(gòu)搖擺運動變大．

圖9 1筒水壓力Fig.9 Water pressure of bucket 1

從圖10可見，筒內(nèi)氣壓力的變化趨勢和圖9中水壓力的變化是基本一致的，這與筒基的運動受力機(jī)理是相符的．因為筒型基礎(chǔ)拖航時，主要依靠筒內(nèi)氣墊和筒內(nèi)水塞來維持拖航的穩(wěn)性，當(dāng)筒底水壓力變大即筒下沉、筒外水進(jìn)入筒底，筒內(nèi)水塞高度變大，水塞壓縮筒內(nèi)空氣來完成結(jié)構(gòu)的支撐，筒內(nèi)氣體壓力變大，當(dāng)筒上浮，筒內(nèi)水從筒底流出，筒內(nèi)水塞高度減小，氣體體積變大，筒內(nèi)氣壓力變?。?/p>

圖10 1筒氣壓力Fig.10 Air pressure of bucket 1

圖11 和圖12為隨浪拖航中4非系纜筒穩(wěn)定階段的筒底水壓力和筒內(nèi)水壓力變化時程曲線．不難看出，隨著拖航水深從 10,m 變化到 20,m，筒底水壓力值和氣壓力值隨著水深的變大而變小，水壓力和氣壓力變化幅度卻呈增大趨勢，原因在于，在水深增大時，結(jié)構(gòu)的垂蕩運動變小，進(jìn)入筒內(nèi)的水也變少，水壓力值也就?。粚Ρ葓D 9系纜筒內(nèi)水壓力的變化，在相同的時刻，當(dāng)搖擺運動到系纜筒時，系纜筒下沉，筒底水壓變大，內(nèi)部空氣壓縮，氣壓變大；非系纜筒上浮，筒底水壓變小，筒內(nèi)氣壓相應(yīng)變小，可以很好地解釋幅度的變化．

圖11 4筒水壓力Fig.11 Water pressure of bucket 4

圖12 4筒氣壓力Fig.12 Air pressure of bucket 4

圖13 為隨浪拖航中，水深變化情況下拖纜力的時程變化曲線．由圖13中可見，隨著水深的增加，拖纜力脈沖變化的幅度和拖纜力的大小都是減小的．原因在于，水深增加，波浪速度變大，波浪能夠很好地作用在筒基上；且從圖可以得到，拖纜力在水深 10,m、15,m和20,m時的一個脈沖時間分別為13,s、7,s、6,s，也證明了波速增加，推動結(jié)構(gòu)運動，拖纜一直處于拖拽狀態(tài)的時間變長，拖纜的懸垂度降低．在實際的拖航中，水深變大的情況下，必須加長纜繩來設(shè)置一定懸垂度，防止涌浪的沖擊對纜繩耐久性造成 破壞.

圖14～16為隨浪拖航各項加速度的時程變化曲線．由圖 14和圖 16可見，在拖航航速一定的情況下，水深增加，x和 z方向即縱蕩和垂蕩方向加速度變化的值和幅度呈下降的趨勢；且x方向加速度的幅值在水深 10,m、15,m、20,m 時分別是 0.083,m/s2、0.062,m/s2和 0.059,m/s2，z方向加速度的幅值分別為0.086,m/s2、0.082,m/s2和 0.071,m/s2，2 個方向加速度的最大降幅為25.3%．從圖15可以看出，穩(wěn)定階段橫蕩加速度隨著水深的增加而增加，y方向加速度的幅值在水深 10,m、15,m、20,m 時分別為 0.068,m/s2、0.046,m/s2和0.149,m/s2，最大增幅為224%，說明隨著水深的增加，在垂蕩和縱蕩方向上運動變化不明顯，在拖航平面內(nèi)的橫蕩變化明顯．這是因為水深增加，波浪很好地作用在結(jié)構(gòu)上，拖車拖纜處于拉直狀態(tài)時間變長，在橫蕩方向沒有防止飄移措施，所以導(dǎo)致圖示飄移明顯，呈現(xiàn)周期性的幅度較大的漂移，影響平臺的可操縱性．

圖13 拖纜力Fig.13 Tension

圖14 x方向加速度Fig.14 Acceleration in x direction

圖15 y方向加速度Fig.15 Acceleration in y direction

圖16 z方向加速度Fig.16 Acceleration in z direction

3.2 頂浪分析

圖17 為不同水深情況下隨浪拖航時1系纜筒和4非系纜筒的加速度和拖纜力時程曲線．相比隨浪拖航，隨著水深的變化，頂浪拖航時由于波浪持續(xù)穩(wěn)定地作用在各個筒上，各方向的加速度也變化明顯，拖航方向即x方向的加速度變化穩(wěn)定，而在縱蕩方向穩(wěn)定階段的加速度隨著水深的變化先增加后降低，且幅值大于隨浪拖航時y方向的加速度；且從z方向的加速度可以看出，在 15,m 以下的水深中頂浪拖航，垂蕩是穩(wěn)定的，而在 15,m 以上的水深頂浪拖航時，垂蕩加速度變化幅度大，原因是逆浪拖航試驗的穩(wěn)定階段中，平臺在拖航中出現(xiàn)傾倒現(xiàn)象，需要施加外部約束扶持才能保證正常的航行，平臺不能在 20,m 的逆浪圖示組合下拖航．

由圖 18(a)和(b)可知，頂浪拖航時，隨著水深增加，雖然波浪的速度變大，但是由于頂浪拖航時無論水深如何變化波浪都能穩(wěn)定持續(xù)地作用在各筒上，所以 1、3系纜筒和 2、4非系纜筒的變化幅度都不大，最大的壓力變化發(fā)生在 4筒水深由 10,m變化到15,m深的過程中，僅為2.01,kPa．由圖18(c)可見，隨著水深的增大，x方向的加速度幅值先減小后增大，且水深從10,m變化到15,m時，降幅為11%，而水深從 15,m增大到 20,m的過程中，增幅為 59%；y方向的加速度幅值呈上升趨勢，增幅依次為 24%和 20%；而垂蕩的 z方向變化很不穩(wěn)定，水深從 10,m到15,m，降幅為57.5%，從15,m變化到20,m時，增幅為339%，所以水深的變化對于結(jié)構(gòu)的垂蕩運動影響特別明顯．從圖18(d)可知，隨著水深的增加，拖纜力近似呈線性降低，且水深每增加 5,m，拖纜力平均降幅為40%，降幅較大．

圖17 水深不同時隨浪拖航測試指標(biāo)Fig.17 Test index with different water depths in following waves towing

3.3 隨浪拖航和頂浪拖航的對比分析

對比分析水深從10,m變化到20,m的試驗結(jié)果，就加速度而言，隨浪拖航時，x、y、z方向的最大加速度分別為 0.083,m/s2、0.149,m/s2和 0.086,m/s2，頂浪拖航時x、y和z方向的最大加速度值依次為0.140,m/s2、0.287,m/s2和 0.431,m/s2，說明隨浪拖航的搖擺運動和升沉運動的幅度低于頂浪拖航的幅度，且在試驗過程中，在15,m和20,m的水深中拖航的速度分別不能超過1.5節(jié)和1.2節(jié)，否則將造成平臺的傾覆；從拖纜力來看，水深每增加5,m，隨浪拖航時拖纜力最大降幅為74%，頂浪拖航時降幅為60%，雖然拖纜力都顯著降低，但是平臺的平面漂移運動明顯，尤其是頂浪拖航過程中的埋首現(xiàn)象，平臺的穩(wěn)定性和操縱性都下降．

4 結(jié) 論

圖18 不同水深時頂浪拖航測試指標(biāo)Fig.18 Test index with different water depths in head waves towing

(1) 平臺由淺水進(jìn)入深水時，在波高和波周期一定的前提下，波浪的波長變長，波速變大，筒型基礎(chǔ)的穩(wěn)定性降低，平面漂移現(xiàn)象嚴(yán)重，操縱性能降低；

(2) 平臺下各筒的筒內(nèi)氣壓力和筒底部水壓力的變化是一致的，當(dāng)筒下沉?xí)r，筒底水壓力變大，筒內(nèi)氣體受壓，筒內(nèi)氣壓力變大；

(3) 水深變化下，隨浪拖航的加速度、壓力以及拖纜力的幅值都小于頂浪拖航；

(4) 該結(jié)構(gòu)在波高2,m，波周期6,s，水深為10,m的拖航可以保持自身的穩(wěn)定性和操縱性，在水深超過10,m時需要降低拖航速度來保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性．

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