基于水下光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)總冰力測(cè)量方法

許 寧，岳前進(jìn)，王延林

(1.國(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧大連 116023;2.大連理工大學(xué)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧盤錦124221)

冰荷載是冰區(qū)海洋結(jié)構(gòu)的控制荷載，冰荷載的確定是此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行的關(guān)鍵問(wèn)題。由于天然海冰材料的復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)形式的多樣性，包括數(shù)值分析手段在內(nèi)的理論方法難以模擬海冰在結(jié)構(gòu)前的真實(shí)破壞過(guò)程，室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)中的海冰破碎相似率問(wèn)題尚未明晰，因此只有通過(guò)真實(shí)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量才能夠提供最真實(shí)、準(zhǔn)確的冰力信息［1］。自20世紀(jì)60年代，已經(jīng)在庫(kù)克灣海洋平臺(tái)［2］、芬蘭Bothnia灣 Kemi-I燈塔［3］、瑞典Norstromsgrund燈塔［4-5］、加拿大 Beaufort海 Molikpaq 平臺(tái)［6］、加拿大 Athabasca 河 Hondo 大橋［7］和St.Lawrence灣Confederation大橋橋墩［8］、渤海海域海洋平臺(tái)［9］等抗冰結(jié)構(gòu)上開(kāi)展了冰力測(cè)量工作。其中渤海冰區(qū)導(dǎo)管架平臺(tái)是最為完備的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)之一，建立了冰荷載計(jì)算模型［10，11］，并在該海域的抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和動(dòng)力分析中進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用［12，13］。

各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所選用的冰力測(cè)量方法有所不同［14］，主要取決于特定的測(cè)量目的。常用的固定式結(jié)構(gòu)冰力測(cè)量方法主要包括兩種:第一種直接冰力測(cè)量法，通常采用壓力傳感器直接記錄冰對(duì)結(jié)構(gòu)局部作用力的時(shí)域特征，但結(jié)構(gòu)總冰力無(wú)法直接準(zhǔn)確獲取，需另行計(jì)算，而且傳感器的設(shè)備制作與施工技術(shù)相對(duì)復(fù)雜;第二種間接冰力測(cè)量法，通過(guò)記錄結(jié)構(gòu)位移或加速度等響應(yīng)信息推算結(jié)構(gòu)所受冰荷載，測(cè)量技術(shù)較為成熟，但測(cè)量信號(hào)靈敏度較低且易受結(jié)構(gòu)動(dòng)力干擾。

JZ20-2NW采油平臺(tái)是迄今渤海冰區(qū)安裝了最大尺寸破冰錐體的導(dǎo)管架式結(jié)構(gòu)，因此有必要開(kāi)展冰力測(cè)量以確定結(jié)構(gòu)寬度對(duì)冰力的影響，綜合考慮測(cè)量方案的可行性和冰力數(shù)據(jù)的精確度，最終選用了水下結(jié)構(gòu)的光纖應(yīng)變冰力測(cè)量方法，其屬于改進(jìn)的間接冰力測(cè)量方法。

本文介紹渤海冰區(qū)JZ20-2NW平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，特別是水下結(jié)構(gòu)光纖應(yīng)變冰力測(cè)量方法，重點(diǎn)分析由測(cè)點(diǎn)應(yīng)變向結(jié)構(gòu)總冰力的轉(zhuǎn)化方法，并通過(guò)實(shí)測(cè)冰荷載與經(jīng)典冰力計(jì)算公式的比較，初步分析加錐結(jié)構(gòu)冰荷載的控制影響因素。

1 水下光纖應(yīng)變傳感器冰力間接測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)水下光纖應(yīng)變冰力測(cè)量原理

在監(jiān)測(cè)中使用的光纖Bragg光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)是一種新型的光纖光柵傳感器。光纖傳感器的基本原理是光纖應(yīng)變與Bragg波長(zhǎng)存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。若光柵受到應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等作用，其光柵柵距或折射率將發(fā)生變化，全反射光的波長(zhǎng)也會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)中心反射波長(zhǎng)的監(jiān)測(cè)，可獲知結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、溫度等外界條件的變化。結(jié)合結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析，判斷各種工況下應(yīng)變和荷載的對(duì)應(yīng)關(guān)系，即可根據(jù)實(shí)測(cè)的應(yīng)變信息，得到不同冰情下的荷載信息。

光纖應(yīng)變冰力測(cè)量方法相比于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)測(cè)量方法有顯著的優(yōu)點(diǎn):

①可測(cè)量結(jié)構(gòu)的絕對(duì)響應(yīng)。作用在結(jié)構(gòu)上的冰荷載是均值不為零的隨機(jī)過(guò)程。由于海上沒(méi)有固定參考系，傳統(tǒng)響應(yīng)測(cè)量方法只能測(cè)量得到交變信息(如位移、加速度等)，也就只能推算得到冰荷載的交變分量。而光纖應(yīng)變測(cè)量方法方便進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定，從而得到冰力的全部信息。

②由于光纖應(yīng)變傳感器測(cè)點(diǎn)接近于結(jié)構(gòu)根部的應(yīng)變敏感區(qū)域，測(cè)量信號(hào)較之傳統(tǒng)的甲板響應(yīng)更為精確，受結(jié)構(gòu)動(dòng)力影響相對(duì)較小。

③光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)是當(dāng)前較為先進(jìn)的監(jiān)測(cè)手段。與傳統(tǒng)的傳感系統(tǒng)相比，它具有可靠、靈活、抗干擾、成本低等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。

水下光纖光柵應(yīng)變冰力測(cè)量方法已經(jīng)成功應(yīng)用于渤海冰區(qū)的直立結(jié)構(gòu)和加錐結(jié)構(gòu)上。本文以渤海JZ20-2NW平臺(tái)為例，說(shuō)明光纖光柵應(yīng)變冰力測(cè)量方法在錐體結(jié)構(gòu)原型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1.2 JZ20-2NW平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

JZ20-2NW平臺(tái)是2005年投產(chǎn)使用的獨(dú)腿加錐平臺(tái)。該平臺(tái)所處海域設(shè)計(jì)水深13.5 m，樁腿直徑3.5 m，水面位置樁腿安裝正倒組合錐體，正倒錐體斜面均為60°，正倒錐體交界處的最大錐徑為6.0 m，是迄今渤海冰區(qū)樁腿安裝最大破冰錐體的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，因此針對(duì)該結(jié)構(gòu)開(kāi)展錐體冰力研究具有重要意義。該結(jié)構(gòu)基頻1.0 Hz，靜剛度61 000 kN/m，導(dǎo)管架總質(zhì)量228 t，甲板上部質(zhì)量250 t。JZ20-2NW平臺(tái)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)包括:冰力測(cè)量、結(jié)構(gòu)響應(yīng)測(cè)量、冰情和冰-結(jié)構(gòu)作用過(guò)程測(cè)量。冰情和冰-結(jié)構(gòu)作用過(guò)程采用圖像記錄與分析方法［15-16］;在平臺(tái)的上下甲板各安裝了3個(gè)拾振器進(jìn)行甲板加速度測(cè)量和位移測(cè)量;冰力測(cè)量采用水下結(jié)構(gòu)光纖應(yīng)變測(cè)量的方法。原型結(jié)構(gòu)和測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。

在JZ20-2NW平臺(tái)的建造階段，分別在樁及其斜拉筋、斜拉筋與中心柱連接處安裝了16個(gè)應(yīng)變傳感器和3個(gè)溫度傳感器(具體安裝位置見(jiàn)圖1(b))。其中，應(yīng)變傳感器選用了表面式GFRP封裝光纖光柵應(yīng)變傳感器(型號(hào):CB-FBG-GFRP-W01)，溫度傳感器選用了原型封裝光纖光柵溫度傳感器(型號(hào):FBG-T-01)，解調(diào)儀選用了MOI SI425光纖光柵傳感解調(diào)儀。根據(jù)光彈效應(yīng)理論和傳感器工作原理，由傳感器測(cè)量得到波長(zhǎng)變化Δλ，結(jié)合傳感器靈敏度(應(yīng)變靈敏度α，溫度靈敏度β)，可直接獲取測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?chǔ)呕驕囟萒信息，其中，測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?chǔ)?Δλ/α;測(cè)點(diǎn)溫度 T=Δλ/β。經(jīng)過(guò)標(biāo)定確定，應(yīng)變靈敏度 α取1.2 pm/με，溫度靈敏度 β取10.5 pm/℃。

圖1 JZ20-2NW平臺(tái)和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)圖Fig.1 JZ20-2NW platform and sketch of measurement system

由于運(yùn)輸、安裝、運(yùn)行過(guò)程的影響，部分光纖光柵傳感器被損壞。只有中心柱筒壁內(nèi)部的3個(gè)光纖應(yīng)變傳感器(標(biāo)高為EL(-)3 660)得到了理想完整的數(shù)據(jù)。這3個(gè)光纖傳感器分別記為ε1、ε2、ε3，測(cè)點(diǎn)的豎向(z方向)布點(diǎn)方案如圖1(b)所示，與y方向夾角分別為270°、150°和30°，其中x方向?yàn)槠脚_(tái)東;y方向?yàn)槠脚_(tái)北。

2 基于結(jié)構(gòu)水下光纖應(yīng)變測(cè)量的總冰力計(jì)算方法

通過(guò)測(cè)量響應(yīng)獲得結(jié)構(gòu)的荷載信息，關(guān)鍵問(wèn)題在于確定不同工況下響應(yīng)信號(hào)與結(jié)構(gòu)荷載間的對(duì)應(yīng)關(guān)系?；诮Y(jié)構(gòu)水下光纖應(yīng)變測(cè)量的總冰力計(jì)算，需確定以下兩個(gè)關(guān)系:三個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變與測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)變的關(guān)系，測(cè)點(diǎn)主應(yīng)變和結(jié)構(gòu)總荷載之間的關(guān)系。

2.1 根據(jù)測(cè)點(diǎn)三個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變確定測(cè)點(diǎn)主應(yīng)變的大小和方向

樁柱EL(-)3660處的筒內(nèi)壁的3個(gè)應(yīng)變傳感器測(cè)量結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)變，測(cè)點(diǎn)距主樁水下斜撐處1m，已避開(kāi)熱點(diǎn)區(qū)域。假設(shè)來(lái)冰方向與y方向夾角θ，根據(jù)3個(gè)應(yīng)變傳感器的分布(圖1(b))，利用梁的等截面假設(shè)推算測(cè)點(diǎn) x，y 方向應(yīng)變 εx、εy與 ε1、ε2、ε3關(guān)系，進(jìn)而確定測(cè)點(diǎn)截面所受最大應(yīng)變 ε。

由于采用應(yīng)變測(cè)量的優(yōu)勢(shì)之一是能夠?qū)y(cè)點(diǎn)應(yīng)變進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定，從而確定包括平均值和波動(dòng)值在內(nèi)的結(jié)構(gòu)絕對(duì)響應(yīng)信息。具體實(shí)施方法是，結(jié)構(gòu)在位且安裝全部完成后，選擇無(wú)冰、平潮、無(wú)風(fēng)時(shí)刻的測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值作為零點(diǎn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的環(huán)境參數(shù)，選取2006年1月23～29日內(nèi)5個(gè)時(shí)刻作為三個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變的零點(diǎn)標(biāo)定時(shí)刻。整個(gè)冰期結(jié)構(gòu)所處海域水下溫度的測(cè)量表明，日平均溫度在-1.6℃左右(與應(yīng)變零點(diǎn)溫度一致)，日溫差在0.2℃ ～0.4℃左右。光纖光柵的溫度靈敏度約為10 pm/℃，所以一天內(nèi)應(yīng)變傳感器隨溫度波動(dòng)量最大在4 pm左右，即應(yīng)變隨溫度波動(dòng)量在±2 pm左右，與1 pm的系統(tǒng)誤差相當(dāng)。因此雖然光纖光柵應(yīng)變傳感器對(duì)溫度影響較為敏感，但在本文對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析過(guò)程中，基本可以忽略溫度變化對(duì)應(yīng)變測(cè)量的影響。

如果結(jié)構(gòu)只受水平方向上外載，則實(shí)際測(cè)量的三個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值的代數(shù)和為零，實(shí)際測(cè)量得到的三個(gè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值的代數(shù)和εv是由溫度影響、豎向荷載變化(載重、錐體浮力等)引起結(jié)構(gòu)的顯著豎向應(yīng)變，三個(gè)測(cè)點(diǎn)上得到的豎向應(yīng)變變化應(yīng)該完全相同，所以每個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值減去豎向應(yīng)變的三分之一(即εv/3)就可以消除掉豎向應(yīng)變的影響，獲得僅在橫向加載工況下的結(jié)構(gòu)應(yīng)變信息。

假定εx(t)和εy(t)為x，y方向的應(yīng)變時(shí)程，則主應(yīng)變?chǔ)欧较颚瓤梢酝ㄟ^(guò)均值εx和εy之比計(jì)算，如式(1)所示?？倯?yīng)變?chǔ)?t)可以由εx(t)，εy(t)和θ計(jì)算得到，如式(2)所示。

2.2 確定測(cè)點(diǎn)主應(yīng)變與冰力的關(guān)系

由于冰荷載顯著高于結(jié)構(gòu)所受其它水平方向環(huán)境荷載(如風(fēng)、波浪等)，因此可認(rèn)為測(cè)點(diǎn)應(yīng)變主要由冰荷載引起。同時(shí)，結(jié)構(gòu)為獨(dú)腿對(duì)稱形式，來(lái)冰方向的影響可以忽略，需要重點(diǎn)考慮不同潮位下結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變與外載之間的關(guān)系。

利用大型通用計(jì)算軟件ANSYS建立結(jié)構(gòu)有限元模型，為保證振動(dòng)頻率和振型等結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的真實(shí)性，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化處理主要集中在上部質(zhì)量和樁基［17］:假定平臺(tái)上部質(zhì)量均勻分布在整個(gè)甲板面積上;按照等效樁考慮樁-土相互作用，等效樁長(zhǎng)度取6倍樁徑;選擇梁?jiǎn)卧猵ipe16模擬導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，上部質(zhì)量用質(zhì)量點(diǎn)單元mass21或殼單元shell63來(lái)模擬，工字梁用梁?jiǎn)卧猙eam189來(lái)模擬。

對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行水平加載，加載位置范圍依據(jù)結(jié)構(gòu)所在海域的潮位信息確定(錐體覆蓋高度EL(-)0.4～(+)3.6 m)。結(jié)構(gòu)總冰力與測(cè)點(diǎn)主應(yīng)變的比例(F/ε)與冰力加載位置(H)的函數(shù)關(guān)系f(H)為

式中:H為潮高。

根據(jù)實(shí)際測(cè)量的總應(yīng)變?chǔ)?t)和對(duì)應(yīng)潮位信息，可計(jì)算結(jié)構(gòu)總冰力時(shí)程F(t)=f(H)×ε(t)。2006年2月1日9:25實(shí)測(cè)三個(gè)通道應(yīng)變信息和推算后的結(jié)構(gòu)總冰力如圖2所示。

圖2 基于結(jié)構(gòu)水下光纖應(yīng)變測(cè)量的總冰力計(jì)算案例((2006年2月1日9:25，冰厚0.19 m，冰速0.25 m/s，潮高2.0 m，此時(shí)水面位置錐徑5.94 m，冰力與應(yīng)變關(guān)系為f(2.0)=1 829 N/με)Fig.2 Global ice force at 9:25 on Feb.1，2006

需要說(shuō)明的是，這種間接測(cè)量冰力的方法雖然也能得到類似于脈沖周期形式的時(shí)程［11］，但是不能體現(xiàn)出冰與結(jié)構(gòu)作用過(guò)程的特征;其中周期荷載的脈沖峰值定義為冰力幅值進(jìn)行分析計(jì)算，在圖2(b)中以空心點(diǎn)表示冰力幅值F0。

3 實(shí)測(cè)冰力的初步分析

通過(guò)原型結(jié)構(gòu)直接測(cè)量可以得到最為真實(shí)的冰力信息，但由于結(jié)構(gòu)參數(shù)固定而且環(huán)境參數(shù)不可控，使獲得的數(shù)據(jù)結(jié)果較為離散，難于直接建立冰力計(jì)算公式。通常在對(duì)實(shí)測(cè)冰力數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，與已有的冰力計(jì)算公式進(jìn)行比對(duì)和校核，進(jìn)而提出最為適合的計(jì)算模型和系數(shù)。選取理論方法Ralston［18］和Croasdale［19］模型，以及基于模型實(shí)驗(yàn)的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式 Edwards ＆ Croasdale［20］、Kato［21］及 Hirayama ＆ Obara［22］等 5 種應(yīng)用較為廣泛的錐體冰力計(jì)算模型，與實(shí)測(cè)冰力進(jìn)行比對(duì)分析。錐體冰力計(jì)算的參數(shù)選取主要參考JZ20-2NW平臺(tái)所處海洋環(huán)境和實(shí)測(cè)冰力數(shù)據(jù)，詳見(jiàn)表1。

根據(jù)實(shí)測(cè)的冰情范圍，在應(yīng)用上述5種冰力計(jì)算公式時(shí)，選取0.05～0.50 m冰厚，錐徑分別參考記錄冰力事件中的錐徑平均值，即JZ20-2NW平臺(tái)D=5.5 m。實(shí)測(cè)冰力分析選用冰力時(shí)程中所有冰力幅值均值。選取被σfh2，ρwgD2歸一化的實(shí)測(cè)冰力幅值F0均值，繪制上述兩種無(wú)量綱化冰力與無(wú)量綱參數(shù)ρwgD2/(σfh)的關(guān)系曲線，分別如圖3(a)、3(b)所示，用于平臺(tái)無(wú)量綱預(yù)測(cè)冰力模型和實(shí)測(cè)冰力的比較分析。

冰厚h和錐徑D是影響冰力的最主要參數(shù)［23］，也有學(xué)者提出錐體寬度和冰厚比值(簡(jiǎn)稱寬厚比D/h)是影響結(jié)構(gòu)前海冰破壞形式、冰力形式和冰力大小的控制因素［24］。在冰力比較分析過(guò)程中，以寬厚比D/h=30，50為臨界值，對(duì)實(shí)測(cè)冰力進(jìn)行標(biāo)注:

(1)D/h≥50，橢圓區(qū)域內(nèi)點(diǎn);

(2)30≤D/h＜50，四邊形區(qū)域內(nèi)點(diǎn);

(3)D/h＜30，未進(jìn)行標(biāo)注的點(diǎn)。

冰力分析結(jié)果表明:寬厚比越大(通常冰厚小于10 cm，D/h≥50)，無(wú)量綱化冰力結(jié)果也越大，這是由于破碎冰的堆積等問(wèn)題造成的。當(dāng)寬厚比較小時(shí)(D/h＜50)，實(shí)測(cè)冰力的變化趨勢(shì)較符合 Hirayama實(shí)驗(yàn)公式，實(shí)測(cè)冰力峰值介于 Kato和 Edwards＆Croasdale公式之間。

表1 錐體冰力計(jì)算參數(shù)取值列表Tab.1 Parameter list of conical ice force calculation

圖3 JZ20-2NW平臺(tái)無(wú)量綱效應(yīng)預(yù)測(cè)模型和實(shí)測(cè)冰力比較Fig.3 Comparison betweened predict ice force and measured ice force from JZ20-2NW platform

理論公式冰力計(jì)算結(jié)果較為保守，主要是由于海冰材料模擬較為均一，避免了天然材料的缺陷;實(shí)測(cè)冰力數(shù)據(jù)(包括室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)原型結(jié)構(gòu)測(cè)量)差異性較大，主要是因?yàn)楹１徒Y(jié)構(gòu)參數(shù)的范圍有著嚴(yán)格的限制和顯著的差別。因此，有必要對(duì)實(shí)測(cè)冰力的影響要素進(jìn)行具體分析，建立更為合理的冰力模型。

5 結(jié)語(yǔ)

在渤海冰區(qū)安裝最大破冰錐體的導(dǎo)管架平臺(tái)上首次應(yīng)用水下光纖應(yīng)變測(cè)量方法獲取結(jié)構(gòu)所受總冰力信息，并與已有成熟冰力計(jì)算公式進(jìn)行比較對(duì)實(shí)測(cè)冰力結(jié)果進(jìn)行初步分析，明確了錐體寬度和海冰厚度這一參數(shù)對(duì)于結(jié)構(gòu)冰力的控制影響。

本文所介紹的基于結(jié)構(gòu)光纖應(yīng)變監(jiān)測(cè)的間接冰力測(cè)量方法必然會(huì)受到結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)等因素的影響。因此，有必要在以后的工作中，進(jìn)一步論證該冰力測(cè)量方法的可行性、測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，通過(guò)與已有現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和研究結(jié)論的結(jié)合，進(jìn)行海冰破壞的理論分析，進(jìn)而得到較為公認(rèn)的冰力計(jì)算模型。

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