極端冰載荷作用下自復(fù)位導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)有限元分析

賈 棟， 張紀(jì)剛,2

(1. 青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山東 青島 266033；2. 藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心， 山東 青島 266033)

0 引 言

1966年底，在我國(guó)渤海海域鉆探出著名的油氣探井——海1井，從此我國(guó)開始了對(duì)海洋油氣資源的勘探和開發(fā)[1]。目前，油氣勘探開發(fā)主要采用導(dǎo)管架式、半潛式和自升式海洋平臺(tái)，其中導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)使用較普遍，用途也較廣泛[2]。海洋平臺(tái)所處環(huán)境比較復(fù)雜，風(fēng)、浪、流、冰甚至地震作用會(huì)對(duì)其結(jié)構(gòu)安全性產(chǎn)生較大威脅，在強(qiáng)載荷下甚至?xí){工作人員的生命安全[3-4]，如何降低海洋平臺(tái)在強(qiáng)載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)顯得尤為重要。

海洋平臺(tái)是復(fù)雜的鋼桁架結(jié)構(gòu)體系。為降低結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷下的振動(dòng)響應(yīng)，OU等[5]提出在海洋平臺(tái)端帽與甲板之間添加黏彈性阻尼器和黏滯阻尼器的新型阻尼隔振方案，對(duì)海洋平臺(tái)進(jìn)行冰載荷下的數(shù)值模擬和試驗(yàn)，分析表明隔振方案對(duì)于降低海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)是有效的。另外，調(diào)諧質(zhì)量阻尼器(Tuned Mass Damper，TMD)在適當(dāng)?shù)念l比和質(zhì)量比條件下具有較好的減振效果[6]。YUE等[7]、RIJKEN等[8]、JAFARABAD等[9]將TMD運(yùn)用在海洋平臺(tái)上，證明TMD對(duì)于平臺(tái)的減振控制有效。張紀(jì)剛等[10-11]提出基于搖擺墻體系的導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)，通過海洋平臺(tái)-搖擺墻結(jié)構(gòu)在冰載荷下的有限元分析，發(fā)現(xiàn)搖擺墻對(duì)于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)減振有較好的效果。本文以JZ20-2導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)為例，在海洋平臺(tái)外部加設(shè)斜預(yù)應(yīng)力拉索，通過Abaqus有限元軟件分析其在極端冰激載荷下的減振效果。

1 自復(fù)位導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)

1.1 概 況

以JZ20-2型導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)為例，該平臺(tái)位于渤海遼東灣，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 JZ20-2平臺(tái)結(jié)構(gòu)示例

平臺(tái)主要由樁、導(dǎo)管架、導(dǎo)管架端帽和甲板結(jié)構(gòu)組成，結(jié)構(gòu)總高為24.8 m。平臺(tái)設(shè)計(jì)水深為15.5 m，主要分為水上和水下兩部分，水下包括標(biāo)高為EL.-15.5 m和EL.-3.5 m的2個(gè)水平層，水上包括標(biāo)高為EL.+5.85 m和EL.+10.0 m的2個(gè)水平層。平臺(tái)下部由4根直徑約1.5 m的導(dǎo)管架樁腿組成，樁通過導(dǎo)管腿打入土層，其直徑為1 060 mm、入土深度約100 m。

1.2 有限元模型

采用有限元軟件Abaqus建立原海洋平臺(tái)和自復(fù)位導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)的簡(jiǎn)化模型，所用鋼管為Q235鋼，其密度ρ=7 850 kg/m3, 彈性模量E=2.06×1011N/m2，泊松比γ=0.3，模型中各構(gòu)件的連接方式為剛性連接，平臺(tái)模型與節(jié)點(diǎn)位置如圖2所示。自復(fù)位導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)在平臺(tái)體外x方向增設(shè)4條斜預(yù)應(yīng)力拉索，高強(qiáng)度拉索對(duì)平臺(tái)施加斜向下的作用力，增加平臺(tái)的抗側(cè)剛度，減小冰激載荷下平臺(tái)的水平偏移量和扭轉(zhuǎn)偏移量，并且預(yù)應(yīng)力的作用使海洋平臺(tái)在變形后可以復(fù)位，其布置方式為上端與平臺(tái)標(biāo)高EL.+7.50 m上下部連接法蘭盤相連，另一側(cè)與導(dǎo)管腿底部相連，方式均為鉸接，海洋平臺(tái)樁腿邊界條件設(shè)置為固定連接。

圖2 海洋平臺(tái)有限元簡(jiǎn)化模型

預(yù)應(yīng)力拉索規(guī)格型號(hào)為15.2-12，熱膨脹系數(shù)為1×10-5，拉索公稱截面面積為0.016 68 m2，公稱抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa，在模擬時(shí)定義鋼絞線材料屬性為只承受拉力的彈性材料，預(yù)應(yīng)力拉索與平臺(tái)導(dǎo)管架的連接方式為鉸接，除預(yù)應(yīng)力拉索采用二節(jié)點(diǎn)線性T3D2桁架單元模擬外，平臺(tái)其余各構(gòu)件均采用B31梁?jiǎn)卧12]。

預(yù)應(yīng)力的施加方法通常為初始應(yīng)變法、等效載荷法和降溫法。采用降溫法對(duì)拉索進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的施加，降溫法以建模簡(jiǎn)單且誤差小被廣泛使用，其原理是通過定義預(yù)應(yīng)力筋的線膨脹系數(shù)，降低不同溫度產(chǎn)生收縮應(yīng)變以改變預(yù)應(yīng)力的大小，對(duì)應(yīng)的降溫幅度公式為

(1)

式中：ΔT為降低的溫度；F為施加的預(yù)應(yīng)力；Es為預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量；A為預(yù)應(yīng)力筋的面積；α為熱膨脹系數(shù)。

2 載荷工況

JZ20-2導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)位于渤海遼東灣，該地區(qū)冬季冰情較為嚴(yán)重且冰期較長(zhǎng)。冰激振動(dòng)和極限冰力是影響平臺(tái)正常使用和破壞結(jié)構(gòu)的主要因素。選取2條實(shí)測(cè)擠壓冰力和彎曲冰力時(shí)程曲線，總時(shí)間長(zhǎng)度為96 s，采樣時(shí)間間隔為0.096 s，詳細(xì)信息如表1和圖3所示。為研究極端冰激載荷對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的影響，在原冰力載荷的基礎(chǔ)上增加1倍，分析平臺(tái)結(jié)構(gòu)在2倍彎曲冰與擠壓冰條件下的動(dòng)力響應(yīng)。

表1 作用冰力類型

3 極端冰載荷下海洋平臺(tái)振動(dòng)

3.1 2倍彎曲冰作用下結(jié)果分析

以設(shè)置4條斜預(yù)應(yīng)力拉索的布置方式研究預(yù)應(yīng)力大小對(duì)極端冰激載荷下平臺(tái)的減振性能。為得到拉索預(yù)應(yīng)力的最佳效果，以預(yù)應(yīng)力大小為125 kN、250 kN、500 kN為變量，先后對(duì)原海洋平臺(tái)和自復(fù)位海洋平臺(tái)進(jìn)行2倍彎曲冰作用下的動(dòng)力分析，取海洋平臺(tái)端帽(17節(jié)點(diǎn))、下層甲板(28節(jié)點(diǎn))、上層甲板(122節(jié)點(diǎn))、飛機(jī)坪(234節(jié)點(diǎn))等4個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，對(duì)比得出最優(yōu)拉索應(yīng)力設(shè)計(jì)值。在2倍彎曲冰作用下各節(jié)點(diǎn)位移與加速度如表2和圖4所示。

圖3 冰力時(shí)程曲線

表2 2倍彎曲冰作用下各節(jié)點(diǎn)的最大位移和加速度

由表2和圖4可知，在2倍彎曲冰作用下，與原海洋平臺(tái)相比，自復(fù)位海洋平臺(tái)的位移與加速度明顯減小，當(dāng)預(yù)應(yīng)力為125 kN時(shí)，位移的最大減振效果為71%，加速度的最大減振效果為35%，但是各節(jié)點(diǎn)動(dòng)力反應(yīng)并未隨著預(yù)應(yīng)力的增加而呈線性降低的趨勢(shì)，即在2倍彎曲冰作用下預(yù)應(yīng)力125 kN已經(jīng)足夠，多余的預(yù)應(yīng)力不能起到相應(yīng)的減振作用。

圖4 2倍彎曲冰作用下各節(jié)點(diǎn)位移與加速度時(shí)程曲線

3.2 2倍擠壓冰作用下結(jié)果分析

對(duì)自復(fù)位導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)進(jìn)行2倍擠壓冰載荷下動(dòng)力分析，各節(jié)點(diǎn)位移和加速度如表3和圖5所示。

表3 2倍擠壓冰作用下各節(jié)點(diǎn)的最大位移和加速度

圖5 2倍擠壓冰作用下各節(jié)點(diǎn)位移與加速度時(shí)程曲線

由表3和圖5可知，與彎曲冰不同，在2倍擠壓冰作用下，隨著預(yù)應(yīng)力的增加，平臺(tái)各節(jié)點(diǎn)動(dòng)力響應(yīng)逐漸降低，當(dāng)預(yù)應(yīng)力為500 kN時(shí)減振效果最好，位移幅度明顯減小，17節(jié)點(diǎn)、28節(jié)點(diǎn)、122節(jié)點(diǎn)、234節(jié)點(diǎn)處最大位移分別減小65%、68%、69%和68%，最大加速度分別減小24%、40%、36%和22%，可見預(yù)應(yīng)力拉索發(fā)揮了較好的減振作用，有效地控制平臺(tái)在極端載荷下的動(dòng)力響應(yīng)。

3.3 極端冰激載荷下海洋平臺(tái)應(yīng)力分析

海洋平臺(tái)鋼材采用Q235鋼，其屈服強(qiáng)度為235 MPa，對(duì)比分析原平臺(tái)與自復(fù)位海洋平臺(tái)在極端冰激載荷下的最大應(yīng)力，通過最大應(yīng)力分析海洋平臺(tái)可能發(fā)生的破壞模式。以預(yù)應(yīng)力大小為500 kN時(shí)自復(fù)位導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)為例，分別對(duì)彎曲冰、擠壓冰極端載荷作用下海洋平臺(tái)進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖6、圖7和表4所示。

圖6 2倍彎曲冰作用下海洋平臺(tái)應(yīng)力云圖

圖7 2倍擠壓冰作用下海洋平臺(tái)應(yīng)力云圖

表4 不同極端冰激載荷下海洋平臺(tái)各節(jié)點(diǎn)最大應(yīng)力 MPa

由圖6、圖7和表4可知，在2倍彎曲冰載荷作用下原平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體最大應(yīng)力為208 MPa，位于海洋平臺(tái)飛機(jī)坪位置，自復(fù)位平臺(tái)最大應(yīng)力為178 MPa，與原結(jié)構(gòu)相比，增設(shè)預(yù)應(yīng)力拉索后飛機(jī)坪較大應(yīng)力點(diǎn)分布明顯變少，預(yù)應(yīng)力拉索對(duì)2倍彎曲冰作用下的平臺(tái)有較好的減振效果。2倍擠壓冰載荷比彎曲冰載荷更大，對(duì)平臺(tái)安全性威脅更大，原平臺(tái)和自復(fù)位平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體最大應(yīng)力分別為344 MPa、307 MPa，均超過規(guī)定限值，主要分布在飛機(jī)坪位置邊緣處。考慮在2倍擠壓冰載荷作用下平臺(tái)飛機(jī)坪位置可能被破壞，需單獨(dú)對(duì)飛機(jī)坪位置進(jìn)行加固或采用其他減振措施，避免在惡劣海洋環(huán)境下構(gòu)件失效而損壞。

4 結(jié) 論

(1) 對(duì)極端冰激載荷作用下自復(fù)位導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析，結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力大小是影響平臺(tái)減振效果的重要因素，節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)隨著預(yù)應(yīng)力的增大而逐漸減小，且預(yù)應(yīng)力拉索有著較好的自復(fù)位效果。與加速度相比，位移的減振效果更好，幅度更大。

(2) 對(duì)比分析不同冰激載荷下自復(fù)位海洋平臺(tái)的減振效果，冰激載荷越大，預(yù)應(yīng)力拉索作用效果越明顯。對(duì)比2倍擠壓冰載荷，在2倍彎曲冰作用下預(yù)應(yīng)力125 kN已足夠，多余的預(yù)應(yīng)力并不能起到減振效果。

(3) 根據(jù)不同極端冰激載荷下海洋平臺(tái)應(yīng)力分析，海洋平臺(tái)最大應(yīng)力主要集中在飛機(jī)坪位置，在2倍擠壓冰載荷作用下飛機(jī)坪位置應(yīng)力更大并超出規(guī)定限值，為防止上部結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，需對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步加固改良。