直立柔性窄結(jié)構(gòu)上的海冰擠壓同時(shí)破壞

王譯鶴，岳前進(jìn)

(大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024)

固定式鉆井或采油海洋平臺(tái)較多選擇圓柱腿直立結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)形式。在寒區(qū)結(jié)冰水域，冰板在圓柱腿上的擠壓破壞會(huì)導(dǎo)致較大的冰力。多年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者為確定擠壓冰力進(jìn)行了理論計(jì)算、數(shù)值模擬、模型實(shí)驗(yàn)和原型測(cè)量，并取得了較大的進(jìn)展。然而由于天然海冰復(fù)雜的力學(xué)行為和離散度較大的力學(xué)參數(shù)，很難將各種工況下的擠壓冰力用統(tǒng)一的公式計(jì)算。文獻(xiàn)［1］請(qǐng)19位專家計(jì)算同一工況下的擠壓冰力，結(jié)果顯示經(jīng)過(guò)數(shù)十年的研究，對(duì)于擠壓冰力的計(jì)算依然存在較大分歧。造成較大分歧的原因在于不同的計(jì)算公式是基于不同的現(xiàn)象或理論，而不同的現(xiàn)象或理論的一個(gè)關(guān)鍵不同在于擠壓同時(shí)破壞是否發(fā)生。在擠壓同時(shí)破壞過(guò)程中，各局部冰力保持同步，因此在名義接觸面積相同的情況下，擠壓同時(shí)破壞過(guò)程中實(shí)際的加載面積比擠壓非同時(shí)破壞大得多，因此擠壓同時(shí)破壞過(guò)程中的最大擠壓冰力比擠壓非同時(shí)破壞過(guò)程中的最大冰力大得多。一些原型測(cè)量或模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明直立結(jié)構(gòu)上的擠壓破壞是非同時(shí)的，由此，基于擠壓非同時(shí)破壞的“低值冰力”得到認(rèn)可，并被部分規(guī)范采納。然而文獻(xiàn)［2-4］在低冰速下的部分直立結(jié)構(gòu)上發(fā)現(xiàn)擠壓同時(shí)破壞的存在。擠壓同時(shí)破壞的存在表明基于擠壓非同時(shí)破壞的“低值冰力”在某些情況下并不適用，因此，明確擠壓同時(shí)破壞的易發(fā)條件就顯得尤為重要。

1 渤海原型測(cè)量

為了研究直立結(jié)構(gòu)上的擠壓冰力，在渤海對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)JZ9-3 MDP-1進(jìn)行了原型測(cè)量，原型測(cè)量過(guò)程中同步記錄了冰力、冰激結(jié)構(gòu)響應(yīng)、冰厚和冰速信息。原型測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 JZ9-3 MDP-1平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)Fig.1 Field set-up on the platform JZ9-3 MDP-1

圖2 壓力盒側(cè)視圖Fig.2 Side view of the load panel

表1列出了JZ9-3 MDP-1的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以看出MDP-1比Norstr?msgrund燈塔和加拿大沉箱結(jié)構(gòu)更窄更柔。

表1 JZ9-3 MDP-1平臺(tái)基本參數(shù)Table 1 Basic parameters of JZ9-3 MDP-1

圖1可見(jiàn)，加速度傳感器安裝在平臺(tái)甲板上來(lái)測(cè)量結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，視頻攝像頭用以記錄冰速冰厚，在水線處，一組冰力壓力盒被安裝在圓柱腿表面(圖2)。共12個(gè)獨(dú)立冰力壓力盒組成上下兩排，以便記錄不同潮位的冰力并保證局部冰力獨(dú)立記錄。

2 原型測(cè)量數(shù)據(jù)分析

根據(jù)對(duì)渤海原型測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，直立柔性窄結(jié)構(gòu)上的擠壓冰力可以分為3種冰力模式，準(zhǔn)靜態(tài)模式，自激模式，隨機(jī)模式。本文僅討論較低冰速下的準(zhǔn)靜態(tài)模式和自激模式。

2.1 準(zhǔn)靜態(tài)模式

準(zhǔn)靜態(tài)模式發(fā)生在低冰速情況下，在加載過(guò)程中結(jié)構(gòu)冰沒(méi)有明顯的動(dòng)力響應(yīng)。圖3所示為發(fā)生于2001年2月10日17時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)模式中，9、10和11號(hào)壓力盒記錄的冰力時(shí)程。明顯可見(jiàn)局部冰力同步加載卸載，說(shuō)明發(fā)生了擠壓同時(shí)破壞。

圖3 準(zhǔn)靜態(tài)模式過(guò)程中3個(gè)局部冰力時(shí)程Fig.3 Three local ice forces time histories during quasi-static mode

圖4 準(zhǔn)靜態(tài)模式過(guò)程中局部冰力相關(guān)系數(shù)Fig.4 Correlation coefficients of local ice forces during quasi-static mode

圖5 準(zhǔn)靜態(tài)模式過(guò)程中2個(gè)局部冰力和結(jié)構(gòu)位移時(shí)程Fig.5 Time histories of two local ice forces and structure’s displacement during quasi staticmode

圖4所示為對(duì)上述準(zhǔn)靜態(tài)冰力數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析的結(jié)果，可見(jiàn)局部冰力同步性很明顯。

仍在2001年2月10日17時(shí)左右，在 JZ9-3 MDP-1上發(fā)生準(zhǔn)靜態(tài)模式(圖5)，冰厚為10 cm。在準(zhǔn)靜態(tài)模式過(guò)程中，冰力緩慢增大，直到冰板破碎，而后冰力突然下降，結(jié)構(gòu)響應(yīng)近似為自由衰減振動(dòng)。在結(jié)構(gòu)位移達(dá)到最大的時(shí)刻，即當(dāng)冰力達(dá)到最大值時(shí)，由于結(jié)構(gòu)無(wú)明顯動(dòng)力響應(yīng)，可認(rèn)為此時(shí)冰力與結(jié)構(gòu)彈性回復(fù)力相等。由此準(zhǔn)靜態(tài)模式過(guò)程中極值冰力的卸載量可由下式計(jì)算:

式中:K為結(jié)構(gòu)剛度，A為冰力卸載后結(jié)構(gòu)的第一個(gè)2倍振幅。極值冰力的卸載量和極值冰力的比值可以通過(guò)壓力盒數(shù)據(jù)得到，所以極值冰力為

式中:F為極值冰力，kr為極值冰力卸載量和極值冰力的比值。

圖6 準(zhǔn)靜態(tài)模式過(guò)程中極值冰力與Schwarz公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.6 Peak ice forces during quasi staticmode comparing with the result calculated using Schwarz’s formula

通過(guò)上述方法，計(jì)算得到2001年2月10日17時(shí)左右發(fā)生在JZ9-3 MDP-1上的準(zhǔn)靜態(tài)模式極值冰力，并將其與文獻(xiàn)［5］中給出的典型“低值冰力”公式Schwarz公式的計(jì)算結(jié)果(取渤海海冰設(shè)計(jì)強(qiáng)度2.1 MPa)進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示?？梢?jiàn)擠壓同時(shí)破壞發(fā)生時(shí)，擠壓冰力明顯大于“低值冰力”。

2.2 自激模式

當(dāng)冰速稍高于準(zhǔn)靜態(tài)模式的冰速，可能發(fā)生一種特殊的自激“鎖頻”現(xiàn)象，擠壓冰力以結(jié)構(gòu)基頻波動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)振動(dòng)加劇［6-7］。在自激模式中，同樣發(fā)生擠壓同時(shí)破壞［8-9］。圖7所示為2001年2月13日5時(shí)34分發(fā)生的自激模式過(guò)程中的局部冰力時(shí)程和結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)。

圖7 自激模式過(guò)程中4個(gè)局部冰力和結(jié)構(gòu)位移時(shí)程Fig.7 Time histories of four local ice forces and structure’s displacement during ice induced self-excitation

圖8 自激模式過(guò)程中局部冰力相關(guān)系數(shù)Fig.8 Correlation coefficients of local ice forces during self-excitation mode

由圖7的局部冰力同步性可見(jiàn)自激模式過(guò)程中發(fā)生了擠壓同時(shí)破壞。7～10號(hào)壓力盒測(cè)量得到的局部冰力相關(guān)性分析結(jié)果如圖8。

綜上，在準(zhǔn)靜態(tài)和自激模式過(guò)程中，都會(huì)發(fā)生擠壓同時(shí)破壞，且此時(shí)擠壓冰力明顯大于基于擠壓非同時(shí)破壞的“低值冰力”。因此有必要明確擠壓同時(shí)破壞在什么情況下容易發(fā)生。

3 直立結(jié)構(gòu)上擠壓同時(shí)破壞的易發(fā)性

如前文所述，基于對(duì)渤海原型測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，直立柔性窄結(jié)構(gòu)上的擠壓冰力分為3種模式:準(zhǔn)靜態(tài)模式、自激模式、隨機(jī)模式。3種擠壓冰力模式分別對(duì)應(yīng)海冰的3種失效破碎模式:韌性破碎，韌脆轉(zhuǎn)變破碎和脆性破碎。

擠壓同時(shí)破壞在準(zhǔn)靜態(tài)模式和自激模式中發(fā)生的原因在于冰板與結(jié)構(gòu)的全接觸可以發(fā)生，這種全接觸要求低冰速和柔性窄結(jié)構(gòu)。

3.1 低冰速

圖9(a)為冰板與結(jié)構(gòu)不規(guī)則接觸并導(dǎo)致擠壓非同時(shí)破壞和較小的擠壓冰力，圖9(b)為冰板與結(jié)構(gòu)全接觸并導(dǎo)致擠壓同時(shí)破壞和較大擠壓冰力。

在準(zhǔn)靜態(tài)模式和自激模式過(guò)程中，冰板的失效破碎機(jī)理為韌性破碎或韌脆轉(zhuǎn)變破碎，這是擠壓同時(shí)破壞可以發(fā)生的原因之一。

從冰板失效破碎的角度考慮，由于準(zhǔn)靜態(tài)模式和自激模式過(guò)程中，加載速率很低，冰板內(nèi)發(fā)生大量位錯(cuò)滑移(圖10)和較大壓縮變形［10］，這種較大的壓縮變形使得冰板與結(jié)構(gòu)的接觸更加規(guī)則，甚至發(fā)生從不規(guī)則接觸到全接觸的轉(zhuǎn)變(圖9)，進(jìn)而導(dǎo)致擠壓同時(shí)破壞發(fā)生。在加載過(guò)程中，冰板內(nèi)的應(yīng)變率是一個(gè)場(chǎng)函數(shù)，圖11為二維分析示意圖。

圖9 擠壓非同時(shí)破壞與擠壓同時(shí)破壞示意圖Fig.9 Sketch of non-simultaneous and simultaneous crushing failure

圖10 冰晶中的位錯(cuò)滑移與爬升Fig.10 Dislocation glides and climbs in ice crystal

冰板內(nèi)的應(yīng)變率取決于冰板與結(jié)構(gòu)的相對(duì)速度。如圖11所示，冰板內(nèi)的變形區(qū)或損傷區(qū)可作為一維受壓試件來(lái)簡(jiǎn)化分析，文獻(xiàn)［11］提出等效應(yīng)變率經(jīng)驗(yàn)公式:式中:d為圓柱腿直徑，Vice為冰速，Vstr為結(jié)構(gòu)水線處速度。由于冰速受到風(fēng)速和流速的影響，因此變化范圍較大，渤海的冰速在0～1.2 m/s，而結(jié)構(gòu)水線處速度則受到結(jié)構(gòu)參數(shù)的限制，因此變化范圍有限。根據(jù)式(3)，只有冰速較低時(shí)，冰板內(nèi)應(yīng)變率才足夠低以致冰板發(fā)生韌性破碎或韌脆轉(zhuǎn)變破碎，進(jìn)而可能導(dǎo)致擠壓同時(shí)破壞。

圖11 結(jié)構(gòu)與冰板之間的相對(duì)速度示意圖Fig.11 Configuration of relative velocity between structure and ice sheet

3.2 柔性窄結(jié)構(gòu)

僅低冰速未必能夠?qū)е聰D壓同時(shí)破壞。根據(jù)加拿大沉箱結(jié)構(gòu)和Norstr?msgrund燈塔的經(jīng)驗(yàn)，擠壓同時(shí)破壞并不在寬大結(jié)構(gòu)或剛度較高結(jié)構(gòu)上大量發(fā)生。與這些高緯度抗冰結(jié)構(gòu)相比，渤海的導(dǎo)管架平臺(tái)更窄，只有1.2～1.5 m寬。表2列出了4座平臺(tái)的動(dòng)力參數(shù)。有學(xué)者指出擠壓冰力隨著結(jié)構(gòu)剛度的下降而增加［12-13］，這說(shuō)明柔性結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生擠壓同時(shí)破壞。

表2 渤海4座導(dǎo)管架平臺(tái)的動(dòng)力參數(shù)Table 2 Maindynam ic parameters of four jacket platform s in Bohai Sea

如前文所述，冰板與結(jié)構(gòu)的全接觸是擠壓同時(shí)破壞發(fā)生的關(guān)鍵條件，從概率角度考慮，與寬大結(jié)構(gòu)相比，窄結(jié)構(gòu)有更大的可能性與冰板更規(guī)則全面地接觸，如圖12。另外，破碎的冰塊更容易繞過(guò)窄結(jié)構(gòu)，也就是說(shuō)窄結(jié)構(gòu)上一般不會(huì)出現(xiàn)寬大結(jié)構(gòu)上非常普遍的冰堆積現(xiàn)象，這種冰堆積往往導(dǎo)致海冰的擠壓非同時(shí)破壞。

另一方面，如果破碎的冰塊殘留在結(jié)構(gòu)與冰板之間，可能導(dǎo)致冰板與結(jié)構(gòu)的不規(guī)則接觸進(jìn)而導(dǎo)致擠壓非同時(shí)破壞。所以破碎冰塊需要從上下兩個(gè)方向被擠出如圖13，破碎冰塊的擠出需要冰板與結(jié)構(gòu)之間較高的相對(duì)速度，這就要求結(jié)構(gòu)比較柔。

下面從這個(gè)角度來(lái)分析原型測(cè)量數(shù)據(jù)。準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程中，隨著冰力的增加，結(jié)構(gòu)位移增大。冰力突然卸載后，結(jié)構(gòu)響應(yīng)接近自由衰減振動(dòng)。如果結(jié)構(gòu)較柔，其最大位移就較大，結(jié)構(gòu)在冰力突然卸載后的回?cái)[速度也較大，所以卸載后結(jié)構(gòu)回?cái)[過(guò)程中結(jié)構(gòu)與冰板的相對(duì)速度也較大，使得破碎冰塊可以從上下兩個(gè)方向被擠出。破碎冰塊的擠出是結(jié)構(gòu)與冰板全接觸的2個(gè)條件之一。

圖12 寬大結(jié)構(gòu)與窄結(jié)構(gòu)本別和冰板接觸狀況的對(duì)比Fig.12 Contrast between contact conditions of wide structure and narrow structure

圖13 卸載過(guò)程中破碎冰塊的擠出Fig.13 The extrusion or clearance of crushed ice debris in the unloading phase

類似的，在自激模式中，如果直立結(jié)構(gòu)窄而柔，結(jié)構(gòu)的振幅就相對(duì)較大，回?cái)[速度也就較大，使得破碎冰塊得以清除，結(jié)構(gòu)與冰板的全接觸得以發(fā)生。

根據(jù)上述分析，當(dāng)冰速較低且結(jié)構(gòu)窄而柔時(shí)，直立結(jié)構(gòu)上極易發(fā)生擠壓同時(shí)破壞。

簡(jiǎn)言之，直立結(jié)構(gòu)與冰板的全接觸是直立結(jié)構(gòu)上發(fā)生擠壓同時(shí)破壞的關(guān)鍵條件，這種全接觸要求可導(dǎo)致韌性或韌脆轉(zhuǎn)變破碎的低冰速和不易導(dǎo)致破碎冰堆積和殘留的柔性窄結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

直立結(jié)構(gòu)上的擠壓冰力是在設(shè)計(jì)寒區(qū)海洋結(jié)構(gòu)時(shí)工程界關(guān)心的問(wèn)題之一?；跀D壓非同時(shí)破壞理論的“低值冰力”被部分規(guī)范采納。但通過(guò)對(duì)渤海原型測(cè)量數(shù)據(jù)的分析:

1)證明海冰擠壓同時(shí)破壞的存在，并且擠壓同時(shí)破壞發(fā)生時(shí)的擠壓冰力大于“低值冰力”;

2)海冰擠壓同時(shí)破壞發(fā)生的關(guān)鍵條件在于結(jié)構(gòu)與冰板的全接觸，當(dāng)冰速較慢，直立柔性窄結(jié)構(gòu)上極易發(fā)生擠壓同時(shí)破壞。

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