海上測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)冰振響應(yīng)分析

趙業(yè)彬，孫星宇，張大勇，操太春，王剛，褚洪民

(1.山東電力工程咨詢?cè)河邢薰?，?jì)南 250013；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； 3.大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116086)

渤海萊州灣冬季存在海冰的侵?jǐn)_,但該海域的某測(cè)風(fēng)塔在設(shè)計(jì)之初，并沒(méi)有考慮冰激振動(dòng)，尤其是冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。因而結(jié)構(gòu)是否具備抗冰性能需進(jìn)行論證。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)冰區(qū)直立海洋結(jié)構(gòu)物與海冰相互作用有大量的研究，但冰荷載的計(jì)算方法和公式?jīng)]有統(tǒng)一，各自研究建立的冰力模型也不盡相同，使得最后的計(jì)算結(jié)果相差較大[1-5]。與傳統(tǒng)的海洋工程結(jié)構(gòu)相比，海上測(cè)風(fēng)塔屬于細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，為了節(jié)約成本，塔架截面隨測(cè)風(fēng)塔高度逐漸變小，造成了海上測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)更加復(fù)雜。由于測(cè)風(fēng)塔與油氣平臺(tái)存在差別，本文針對(duì)該海域海上測(cè)風(fēng)塔的抗冰性能進(jìn)行研究。

1 海上測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

本文進(jìn)行海冰與窄體結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值仿真。選取萊州灣昌邑附近海域的測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)和渤海JZ20-2MUQ平臺(tái)(相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1)進(jìn)行對(duì)比。萊州灣某測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)為獨(dú)柱獨(dú)樁的結(jié)構(gòu)形式，鋼樁采用大直徑樁，并在泥面到水面間采用變徑錐段設(shè)計(jì)。塔架頂端標(biāo)高105 m，位于工作甲板上部。通過(guò)ANSYS有限元軟件中對(duì)測(cè)風(fēng)塔模型進(jìn)行建模分析。先對(duì)測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化需要保證主體結(jié)構(gòu)幾何形狀、結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率和振型的真實(shí)性。其中，測(cè)風(fēng)塔基礎(chǔ)的塔筒及工作甲板的斜撐部分采用SHELL181單元，上部甲板部分及塔架部分采用BEAM188單元模擬。與之對(duì)比的JZ20-2MUQ平臺(tái)采用MASS21單元模擬上部設(shè)備質(zhì)量，其余部分的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)用PIPE20單元建模。JZ20-2MUQ平臺(tái)和萊州灣測(cè)風(fēng)塔有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 海洋平臺(tái)與測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)有限元模型

表1 萊州灣測(cè)風(fēng)塔與JZ20-2NW導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩者水線處直徑相近且均為窄體結(jié)構(gòu)(破碎冰可及時(shí)從結(jié)構(gòu)兩側(cè)清除，不發(fā)生冰堆積)，此外結(jié)構(gòu)基頻相近。研究測(cè)風(fēng)塔冰力模型時(shí)可采用已經(jīng)較為成熟的計(jì)算渤海導(dǎo)管架平臺(tái)的窄體結(jié)構(gòu)冰力模型。

忽略樁基與泥土的相互作用，認(rèn)為測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)的樁腿底部固定，約束其所有方向的自由度，其中:X軸方向與測(cè)風(fēng)塔儀器支架方向平行，Z軸方向?yàn)檠販y(cè)風(fēng)塔高度方向，Y軸方向垂直于X軸、Z軸方向。基于數(shù)值模擬，結(jié)構(gòu)前四階固有頻率及振型見(jiàn)表2。

表2 測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)前4階頻率及振型 Hz

分析發(fā)現(xiàn)，獨(dú)柱獨(dú)樁測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)的基頻為0.75 Hz，基頻與實(shí)測(cè)頻率相近，結(jié)構(gòu)的前三階振型分別為Y方向擺動(dòng)、X方向擺動(dòng)、Z方向扭轉(zhuǎn)，與結(jié)構(gòu)的實(shí)際動(dòng)力特性相近，此模型能夠反映結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特征。

2 冰載荷模型

研究表明：針對(duì)冰與柔性直立結(jié)構(gòu)擠壓破碎引起的冰荷載和結(jié)構(gòu)振動(dòng)，根據(jù)冰破碎模式，存在以下3種模式[6]。

1)低冰速。準(zhǔn)靜態(tài)破壞：在冰速小于2 cm/s時(shí)，海冰表現(xiàn)為準(zhǔn)靜態(tài)破壞，可以將此種情況下的冰荷載考慮為靜冰力。

2)中冰速。結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)：當(dāng)冰速大致位于2～4 cm/s時(shí)。通過(guò)實(shí)測(cè)的冰力時(shí)程及結(jié)構(gòu)響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，海冰破碎頻率和結(jié)構(gòu)的固有頻率相同，發(fā)生頻率鎖定，結(jié)構(gòu)發(fā)生共振現(xiàn)象。文獻(xiàn)[1]根據(jù)渤海實(shí)測(cè)的自激振動(dòng)冰力時(shí)程，給出了三角波時(shí)域函數(shù)。

3)快冰速時(shí)。結(jié)構(gòu)隨機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)：當(dāng)冰速大于4 cm/s時(shí)，由實(shí)測(cè)的擠壓冰力時(shí)程曲線分析發(fā)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)發(fā)生隨機(jī)振動(dòng)，根據(jù)渤海和波斯尼亞灣燈塔上測(cè)得的大量樣本的隨機(jī)冰荷載數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析建立了隨機(jī)冰力譜[7-8]。

3種冰載荷模式中，低冰速的準(zhǔn)靜態(tài)破壞和中冰速的結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)對(duì)冰區(qū)海洋結(jié)構(gòu)物影響明顯，應(yīng)重點(diǎn)予以考慮，本文主要針對(duì)2種情況下的冰載荷模型及測(cè)風(fēng)塔的冰振響應(yīng)進(jìn)行分析。

2.1 極值靜冰載荷

目前的海工結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計(jì)中，一般考慮地震、波浪、海流、風(fēng)和海冰作用。通過(guò)將不同載荷轉(zhuǎn)化為等效靜力進(jìn)而以此為依據(jù)設(shè)計(jì)海洋結(jié)構(gòu)物。對(duì)于抗冰結(jié)構(gòu)，一般重點(diǎn)考慮在極端靜冰載荷的作用下結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度要求。通過(guò)多年對(duì)渤海導(dǎo)管架平臺(tái)冰力的直接測(cè)量，目前渤海石油平臺(tái)上常用直立結(jié)構(gòu)的極值靜冰力計(jì)算公式為

F=kDhσc

(1)

式中：F為總冰力，kN；k為折減系數(shù)，建議取值0.7；D和h分別為結(jié)構(gòu)直徑和冰厚，cm；σc為該處海域冰的單軸壓縮強(qiáng)度，MPa，渤海海冰壓縮強(qiáng)度可近似取2.0 MPa。

2.2 冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)

動(dòng)冰載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的危害巨大。當(dāng)冰速較慢時(shí)，冰力的頻率接近結(jié)構(gòu)的固有頻率，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生自激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)。通過(guò)對(duì)比冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)發(fā)生時(shí)，結(jié)構(gòu)交變位移和交變冰力的同步時(shí)程發(fā)現(xiàn)冰力是一個(gè)周期性過(guò)程[9](見(jiàn)圖2)。冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值較大，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)直立結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行危害較大。

圖2 冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)冰力和結(jié)構(gòu)振動(dòng)位移時(shí)程曲線的頻率鎖定現(xiàn)象

文獻(xiàn)[1]構(gòu)建的冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)冰力簡(jiǎn)化模型為三參數(shù)的三角時(shí)域模型，時(shí)域函數(shù)模型見(jiàn)圖3，表征產(chǎn)生自激振動(dòng)的冰力隨時(shí)間的變化特征。

Fmax-冰力最大值，可保守取為極值靜冰力；ΔF=qFmax，q建議選取0.4；Fmean-冰力平均值；T-冰力周期，計(jì)算中可近似取為結(jié)構(gòu)固有周期；α-加載階段系數(shù)，建議取0.8。圖3 簡(jiǎn)化的穩(wěn)態(tài)冰力模型

3 萊州灣某測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)冰振響應(yīng)分析

3.1 靜冰載荷與動(dòng)冰載荷下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

基于文中相關(guān)計(jì)算方法，對(duì)萊州灣海域的某測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)的抗冰性能進(jìn)行分析，根據(jù)《中國(guó)海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》，該海域的設(shè)計(jì)冰厚及測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)的極值冰力見(jiàn)表3。

表3 設(shè)計(jì)冰厚及極值冰力

考慮結(jié)構(gòu)自重，在結(jié)構(gòu)水線處施加50年一遇的極值靜冰力，進(jìn)行靜力學(xué)分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 極值靜冰力下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

在受到50年一遇的極值靜冰力作用下，X方向的最大位移量發(fā)生在結(jié)構(gòu)的頂端116.55 mm。根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，按非線性分析的自立塔結(jié)構(gòu)在以風(fēng)載荷為主的載荷標(biāo)準(zhǔn)組合下的水平位移需滿足相關(guān)要求，即任意點(diǎn)的水平位移不得大于該點(diǎn)離地面高度的1/50(2 100 mm)；結(jié)構(gòu)的最大von Mises應(yīng)力發(fā)生在測(cè)風(fēng)塔塔筒最下端處，其值為38.50 MPa且小于Q235鋼的容許應(yīng)力180 MPa。分析結(jié)果表明，測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)在受到50年一遇的極值靜冰力作用下，靜冰載荷引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)較小。

對(duì)結(jié)構(gòu)在不同設(shè)計(jì)工況下的靜冰載荷、冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)位移響應(yīng)進(jìn)行分析。提取了測(cè)風(fēng)塔有限元模型響應(yīng)點(diǎn)1～6(提取響應(yīng)點(diǎn)位置見(jiàn)圖5)，分別對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)標(biāo)高10、30、50、70、90、100 m處，這些位置都安裝風(fēng)速儀等相關(guān)儀表設(shè)備，對(duì)響應(yīng)較為敏感。

圖5 提取響應(yīng)點(diǎn)位置

對(duì)比結(jié)構(gòu)在靜冰載荷和冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)見(jiàn)表4。

表4 靜冰載荷與冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)比

由表4可見(jiàn),兩種工況下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力放大系數(shù)相同，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)遠(yuǎn)大于靜載荷下的響應(yīng)；標(biāo)高越高的地方，結(jié)構(gòu)的動(dòng)力放大系數(shù)越大，動(dòng)力放大現(xiàn)象越顯著。數(shù)據(jù)表明，此結(jié)構(gòu)在海冰作用下發(fā)生頻率鎖定現(xiàn)象時(shí)，動(dòng)冰荷載是結(jié)構(gòu)的控制荷載，結(jié)構(gòu)相同標(biāo)高處的動(dòng)力放大系數(shù)相同。冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)對(duì)于測(cè)風(fēng)塔上部設(shè)備(例如，響應(yīng)點(diǎn)6，動(dòng)力放大系數(shù)達(dá)到6.7)安全運(yùn)行存在隱患，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步研究冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的危害。

3.2 測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)分析

3.2.1 結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)分析

加速度是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)及設(shè)備安全的指標(biāo)之一，為了研究測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)發(fā)生冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)及其附屬部件的危害，計(jì)算分析得到了測(cè)風(fēng)塔在以下4種工況下發(fā)生頻率鎖定時(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度，見(jiàn)表5。由于目前我國(guó)缺乏在冰激振動(dòng)下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)規(guī)范，故參考《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》結(jié)構(gòu)振動(dòng)相關(guān)規(guī)定，見(jiàn)表6。

表5 測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)在不同工況下的冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)加速度響應(yīng)

表6 抗震設(shè)防烈度和設(shè)計(jì)基本地震加速度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系

該測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為8度，即結(jié)構(gòu)振動(dòng)應(yīng)當(dāng)控制在0.20g以內(nèi)。由表5可見(jiàn)，在1年一遇的冰況下結(jié)構(gòu)標(biāo)高100 m處不滿足設(shè)計(jì)要求；對(duì)于50年一遇的冰況，在標(biāo)高50 m以上的結(jié)構(gòu)響應(yīng)就不滿足設(shè)計(jì)要求。表明在海冰作用下此結(jié)構(gòu)發(fā)生頻率鎖定現(xiàn)象時(shí)，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)劇烈。從渤海導(dǎo)管架平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)有時(shí)會(huì)長(zhǎng)達(dá)幾分鐘，若長(zhǎng)期處于此種工況下不利于儀器的正常運(yùn)行及上部塔架結(jié)構(gòu)的安全，因此，需要采取措施，避免結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的發(fā)生，例如,加裝抗冰錐體等。

以1年一遇極值冰況為例，提取結(jié)構(gòu)響應(yīng)點(diǎn)1(標(biāo)高10 m處)、響應(yīng)點(diǎn)5(標(biāo)高90 m處)的X方向(海冰作用方向)的加速度響應(yīng)見(jiàn)圖6。

圖6 X方向加速度響應(yīng)

由圖6可見(jiàn)，不同位置的響應(yīng)時(shí)程曲線不同。在標(biāo)高10 m處，結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率較高；標(biāo)高90 m處，振動(dòng)頻率相對(duì)較低，且加速度幅值隨著時(shí)間推移，出現(xiàn)了明顯的放大現(xiàn)象，并逐步趨于穩(wěn)定。長(zhǎng)期的冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)也會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的疲勞失效。

3.2.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨高度的變化趨勢(shì)

研究測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)分布，對(duì)測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行及改造都有著重要的意義。以1年一遇、50年一遇極端冰況為例(其他極端工況具有同樣趨勢(shì))，對(duì)結(jié)構(gòu)各個(gè)響應(yīng)點(diǎn)的X方向位移極值和加速度極值進(jìn)行提取，見(jiàn)圖7、8。

圖7 各個(gè)響應(yīng)點(diǎn)X方向位移極值

由圖7可知，隨著測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)高度的增加，結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)越來(lái)越大，在響應(yīng)點(diǎn)3以后結(jié)構(gòu)的響應(yīng)增長(zhǎng)速率迅速增加?？赡苁怯捎谒茉O(shè)計(jì)截面隨高度逐漸變小，使得上部剛度較小，易變形，進(jìn)而導(dǎo)致位移極值隨著響應(yīng)點(diǎn)位置的提升增加迅速。

由圖8可知，隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，加速度響應(yīng)整體上也隨之增加，但在響應(yīng)點(diǎn)4處，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)明顯提高且高于響應(yīng)點(diǎn)5處的加速度。由于標(biāo)高70 m處，塔架截面進(jìn)一步減小，上部劇烈的響應(yīng)引起了該處加速度幅值的提高，應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)70～80 m部分的截面面積進(jìn)行適當(dāng)?shù)脑龃笠蕴嵘撎幍木植縿偠取?/p>

圖8 各個(gè)響應(yīng)點(diǎn)X方向加速度極值

3.3 標(biāo)高10 m工作甲板法蘭連接處振動(dòng)響應(yīng)

標(biāo)高10 m處也是工作甲板與上部塔架的法蘭連接處。在冰厚為6.6、14.4、29.7、34.9 cm且發(fā)生冰激穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的工況下，對(duì)4根主立柱與工作平臺(tái)連接處的法蘭盤的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行提取分析，見(jiàn)圖9。圖中(6.6，0.021)代表在6.6 cm冰厚的工況下，工作甲板法蘭連接處加速度響應(yīng)為0.021g。

圖9 工作甲板法蘭連接處的加速度響應(yīng)

由圖9可知，法蘭連接處振動(dòng)響應(yīng)隨著冰厚的增加逐漸增大，且基本上呈現(xiàn)線性的關(guān)系，極端冰況下可達(dá)到0.12g。由于穩(wěn)態(tài)振動(dòng)發(fā)生時(shí)的持續(xù)時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)，在較大冰厚發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動(dòng)時(shí)，長(zhǎng)期強(qiáng)烈的振動(dòng)響應(yīng)可能會(huì)使法蘭緊固螺栓的松動(dòng)[10-11]，影響測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

1)海上測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)屬于直立窄體結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)與渤海導(dǎo)管架平臺(tái)基頻相近，窄體結(jié)構(gòu)冰力模型適用于測(cè)風(fēng)塔。

2)靜冰載荷引起的測(cè)風(fēng)塔響應(yīng)較小，但動(dòng)冰載荷對(duì)該結(jié)構(gòu)的危害較大。在設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)考慮動(dòng)冰載荷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

3)該測(cè)風(fēng)塔對(duì)抗冰性能的考慮不足。在冰載荷作用下，若發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動(dòng)，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)本身及上部設(shè)備造成危害，工作甲板法蘭處可能會(huì)因振動(dòng)劇烈而產(chǎn)生疲勞失效。該測(cè)風(fēng)塔結(jié)構(gòu)應(yīng)該采取措施以避免穩(wěn)態(tài)振動(dòng)的發(fā)生。