張大勇，車嘯飛，岳前進，崔 航，馬春杰，張永軍

（1大連海洋大學(xué) 海洋工程學(xué)院，遼寧 大連116023；2大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連116023；3中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300452；4大連市建設(shè)控股有限公司，遼寧 大連116024）

1 引 言

在渤海油田開發(fā)建設(shè)中，平臺建設(shè)在總投資中占有重要比例。重力式平臺和樁基導(dǎo)管架平臺是目前常見的海洋平臺型式。這兩種平臺花費昂貴，通常占工程全部投資很大的比例。以鋼質(zhì)導(dǎo)管架型平臺為例，樁的用鋼量幾乎與導(dǎo)管架相當(dāng)。而平臺的海上安裝費用，也近占平臺總造價的一半。桶形基礎(chǔ)作為海洋工程結(jié)構(gòu)的一種新型基礎(chǔ)形式,具有結(jié)構(gòu)形式簡單、容易制造、節(jié)省鋼材、安裝就位方便、無需大型打樁設(shè)備、減少海上作業(yè)時間和降低成本等優(yōu)越性。這些優(yōu)越性使得桶形基礎(chǔ)平臺在近海油田開發(fā)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

世界上丹麥、挪威等國已經(jīng)廣泛采用桶型基礎(chǔ)平臺，并實現(xiàn)了大型桶型基礎(chǔ)導(dǎo)管架平臺[1]。我國自1996年至2000年，先后設(shè)計并成功安裝了海上打靶平臺，錦州9-3油田系纜平臺、立管平臺及靠船結(jié)構(gòu)等6座桶型基礎(chǔ)平臺。目前，人們對桶型基礎(chǔ)平臺的研究主要圍繞基礎(chǔ)部分開展：（1）吸力式基礎(chǔ)的沉貫阻力和安裝穩(wěn)定性；（2）基礎(chǔ)穩(wěn)定性。包括：吸力式基礎(chǔ)的沉貫[2-3]、地基穩(wěn)定性[4-5]、土體循環(huán)荷載下的本夠模型等。對于渤海冰區(qū)油田而言，冰荷載對海上結(jié)構(gòu)物的作用甚大，動冰荷載對桶型基礎(chǔ)平臺的影響還沒有得到清楚的認識，這是制約我國冰區(qū)桶型基礎(chǔ)平臺開發(fā)的主要因素之一，因此，我國渤海在該類平臺的應(yīng)用還僅限于小型輔助結(jié)構(gòu)的開發(fā)。本文基于對渤海遼東灣單立柱式桶基平臺的多年現(xiàn)場監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)其冰振加速度響應(yīng)顯著，明顯高于導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)。利用安全壽命法對一實際桶基平臺進行了冰振疲勞壽命分析，計算結(jié)果表明，關(guān)鍵點疲勞壽命符合規(guī)范要求。最后，提出此類結(jié)構(gòu)冰振抑制策略，為桶型基礎(chǔ)平臺在冰區(qū)開發(fā)中的抗冰設(shè)計提供依據(jù)。

2 單立柱桶型基礎(chǔ)平臺現(xiàn)場監(jiān)測

為了對單立柱式桶型基礎(chǔ)平臺結(jié)構(gòu)在動冰荷載下的抗冰性能進行分析，筆者在渤海遼東灣海域的幾座平臺甲板上安裝了拾振器，用于對平臺甲板層的冰振響應(yīng)進行連續(xù)的監(jiān)測。通過幾年的努力，建立了比較完備的現(xiàn)場測量系統(tǒng)，獲得了研究冰荷載與冰激振動的數(shù)據(jù)。圖1是單立柱式桶基平臺現(xiàn)場的監(jiān)測裝置。主要包括：錄象測量、壓力盒測量、平臺振動響應(yīng)測量及氣象與水文資料測量。此外，還開發(fā)了專門的應(yīng)用程序，實現(xiàn)了觀測的同步、連續(xù)和完備性，可以在整個冬季進行不間斷地連續(xù)測量?；诂F(xiàn)場原型冰激振動響應(yīng)監(jiān)測可以充分認識此類抗冰結(jié)構(gòu)的冰振特性。

圖1 單立柱式桶基平臺現(xiàn)場的監(jiān)測裝置Fig.1 Monitoring set-up for the bucket foundation platforms with a single pillar

2.1 實測的動冰荷載

利用樁腿上安裝的冰壓力盒直接測量冰力時程變化。冰與直立結(jié)構(gòu)作用時，可以出現(xiàn)劈裂、彎曲、屈曲和擠壓等多種破壞形式，其中以擠壓破壞為主。隨著冰速變化，冰擠壓破碎可以分為三種模式：低冰速時的準(zhǔn)靜態(tài)冰力、中冰速時的穩(wěn)態(tài)振動冰力和快冰速時的隨機冰力。其中穩(wěn)態(tài)振動冰力對結(jié)構(gòu)影響最大，而快冰速下的隨機冰力占據(jù)絕大多數(shù)工況。圖2是實測的典型直立結(jié)構(gòu)冰力時程曲線。

圖2 典型的直立結(jié)構(gòu)冰力時程曲線Fig.2 The typical time-varying force curve

2.2 實測的冰振響應(yīng)

岳前進等基于現(xiàn)場原型結(jié)構(gòu)測量，發(fā)現(xiàn)在不同冰速下擠壓破碎使直立結(jié)構(gòu)的冰激振動存在三種類型，即準(zhǔn)靜態(tài)振動、穩(wěn)態(tài)振動以及隨機振動，其中冰致自激振動對結(jié)構(gòu)的危害最大[6]。冰致穩(wěn)態(tài)振動是一種自激振動，其特點是結(jié)構(gòu)的振幅大，振動頻率穩(wěn)定。發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動時，結(jié)構(gòu)振動較長時間保持穩(wěn)定狀態(tài)，人員振感明顯，并可以聽到冰與結(jié)構(gòu)撞擊所發(fā)出的有節(jié)奏的響聲。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，單立柱桶基平臺冰振加速度響應(yīng)明顯高于附近的傳統(tǒng)導(dǎo)管架平臺，圖3是兩種平臺在整個冬季每天的振動最大值比較，主要原因是：單立柱桶基平臺主要功能單一 （系泊），上部質(zhì)量很小，而且結(jié)構(gòu)高度遠遠低于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，其靜剛度很大，阻尼小，結(jié)構(gòu)頻率一般要高于導(dǎo)管架平臺，圖4是基于實測得到的兩類平臺振動響應(yīng)頻率。

圖3 單立柱式桶基平臺與導(dǎo)管架平臺冰振響應(yīng)比較Fig.3 The comparison of the vibration response between the bucket foundations and the jacket structures

圖4 單立柱式桶基平臺與導(dǎo)管架平臺冰振響應(yīng)頻率比較Fig.4 The comparison of the frequency of the vibration response between the bucket foundations and the jacket structures

3 典型單立柱桶基平臺抗冰振疲勞分析

基于現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，單立柱式桶型基礎(chǔ)平臺冰激振動顯著，對上部管線構(gòu)成較大威脅；另外，結(jié)構(gòu)疲勞破壞是動冰荷載下結(jié)構(gòu)失效的主要方面。這里以Jz9-3WHPE單立柱式桶型基礎(chǔ)平臺為例（圖5a所示），基于實測數(shù)據(jù)，借助ANSYS有限元軟件，進行抗冰振疲勞分析。對于海洋結(jié)構(gòu)來講，安全壽命設(shè)計方法比較成熟，適于進行疲勞壽命計算。目前，各國平臺規(guī)范普遍推薦安全壽命設(shè)計方法作為海洋平臺構(gòu)件疲勞分析與壽命評估的主要手段[7]。因此,選取安全壽命設(shè)計方法進行冰激疲勞壽命估計。安全壽命設(shè)計方法主要是基于Miner線性累積損傷理論（（1）式）和材料的S-N曲線（（2）式）。

其中，D是結(jié)構(gòu)疲勞總損傷；ni是在Si作用下的循環(huán)次數(shù)，由荷載譜給出；Ni是在Si作用下循環(huán)到破壞的壽命，由S-N曲線確定；Δσ即應(yīng)力范圍；Δσref是參考應(yīng)力范圍，m是材料常數(shù)，兩者可查API RP 2A。

用譜方法估算冰激疲勞壽命的步驟如下：

（1）建立結(jié)構(gòu)力學(xué)模型：根據(jù)結(jié)構(gòu)的幾何性質(zhì)和物理性質(zhì)確定結(jié)構(gòu)的振型和頻率。幾何性質(zhì)包括結(jié)構(gòu)的總尺度、桿件和結(jié)點的數(shù)量、桿件的長度及截面積等。物理性質(zhì)包括結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量及阻尼。如圖5b所示。

圖5 Jz9-3WHPE單立柱式桶型基礎(chǔ)平臺原型與有限元模型Fig.5 Jz9-3WHPE platform and its finite element model

（2）建立冰疲勞環(huán)境模型：根據(jù)多年的現(xiàn)場實測海冰資料以及歷史冰情資料，統(tǒng)計出40年來平均冰期、冰作用方向以及冰厚、冰速的分布概率。依據(jù)冰作用方向，冰厚和冰速劃分冰況并統(tǒng)計每種冰況出現(xiàn)的概率[8]。由于兩個主要來冰方向45°和225°（以正北向為基準(zhǔn)，順時針為正）基本是在一條直線上，即最大結(jié)點應(yīng)力出現(xiàn)的位置幾乎相同，因此，為了減少計算量，這里只考慮一個方向作用。將冰況按照冰厚、冰速來劃分，不同冰況出現(xiàn)的概率如表1所示。

表1 不同冰況出現(xiàn)的概率Tab.1 Probabilities of the different ice cases

（3）確定疲勞冰荷載譜：Tuomo K?rn?和屈衍等[9]基于渤海JZ9-3MDP系纜樁以及歐盟LOLEIF，STRICE項目中Norstromsgrund燈塔上現(xiàn)場測量得到的大量壓力盒冰力數(shù)據(jù)，引入脈動風(fēng)速譜研究理論，分析了直立結(jié)構(gòu)上擠壓破碎冰力譜形式，建立了可以應(yīng)用于工程實際的擠壓破碎隨機冰力譜模型，其函數(shù)表達式為：

式中，f為頻率（Hz）；σ2為冰力方差，用下式計算：

其中，IF為動冰力的作用強度，取均值0.4；m為常數(shù)，取3；F為直立腿平臺靜冰力，按下式計算，F(xiàn)=ασcDt。式中，α為綜合影響系數(shù)，取0.3-0.7；σc為冰的單軸抗壓強度，取2.1MPa；D為樁的直徑；t為冰厚。

（4）結(jié)構(gòu)動力分析：確定疲勞冰荷載譜之后，輸入結(jié)構(gòu)力學(xué)模型進行計算便可以得到各工況的應(yīng)力譜，計算其應(yīng)力方差，按照瑞利分布確定應(yīng)力歷程循環(huán)數(shù)曲線。應(yīng)力峰值的概率密度函數(shù)可寫為：

其中，P（σ）是應(yīng)力峰值概率密度；σs是應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差。熱點應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差見表2所示。

表2 各疲勞分析工況下熱點應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)差（MPa）Tab.2 The stress deviation of the hot spot under all kinds of conditions(MPa)

（5）估算每一冰況應(yīng)力循環(huán)數(shù)：作用于結(jié)構(gòu)的每一冰況，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)每年出現(xiàn)的應(yīng)力循環(huán)數(shù)，可用下式表示：

式中，d為冰期，42天；Plcj為j工況冰情出現(xiàn)概率；f為結(jié)構(gòu)的自振頻率，該平臺為6.19Hz。于是，對應(yīng)力分布進行積分，就可以得到第j冰況，第i個變幅應(yīng)力Δσi的循環(huán)次數(shù)：

（6）疲勞壽命估算：利用Miner理論估算危險結(jié)點的疲勞損傷，即。各種冰況下結(jié)構(gòu)的損傷指數(shù)Di見表3所示。這樣，結(jié)構(gòu)的疲勞壽命T=1/D=303年。

表3 結(jié)構(gòu)熱點各工況下的疲勞損傷DiTab.3 The fatigue damage Di of the hot spot under kinds of conditions

由于疲勞問題設(shè)計涉及因素多，情況復(fù)雜，為了保證足夠的安全裕度，通常安全系數(shù)取2-3，因此，通過冰激疲勞估算結(jié)果進行分析，可以認為該單立柱式桶型基礎(chǔ)平臺的冰振疲勞壽命滿足設(shè)計要求。

4 抗冰振設(shè)計建議

基于對單立柱式桶型基礎(chǔ)平臺的現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)交變動冰荷載引起平臺較大的振動加速度，對上部管線等設(shè)施造成危害；但是，由于該類結(jié)構(gòu)沒有涉及導(dǎo)管架（管接點少），冰振疲勞問題不是很突出。這里提出以下抗冰振建議：

（1）安裝抗冰錐體：冰荷載的大小主要取決于冰的破壞形式。當(dāng)冰與直立結(jié)構(gòu)作用時以擠壓破壞形式為主，而與斜面結(jié)構(gòu)作用時能產(chǎn)生彎曲破壞。由于冰的彎曲強度低于壓縮強度，斜面結(jié)構(gòu)的冰荷載要低于直立結(jié)構(gòu)的冰荷載，降低了冰力與冰引起的結(jié)構(gòu)振動。在渤海，很多導(dǎo)管架平臺水線樁腿處安裝破冰錐體，主要目的是為了避免因擠壓破壞引起的強烈冰激穩(wěn)態(tài)自激振動。單立柱式桶型基礎(chǔ)平臺應(yīng)該采用固定式正倒組合錐體。

（2）動力吸振：動力吸振屬于給結(jié)構(gòu)附加的額外的控制系統(tǒng)，它并未改變海洋平臺結(jié)構(gòu)自身的動力特性，因此實用性較強。通常情況下，動力吸振裝置放置于受控結(jié)構(gòu)的頂端，即一階振型最大位移處。

（3）隔振：隔振是通過隔振裝置將振源與結(jié)構(gòu)隔離開，限制振動向結(jié)構(gòu)物的傳遞。隔振裝置的安裝延長了結(jié)構(gòu)的自振周期，使結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)大幅減小。同時，結(jié)構(gòu)在振動過程中的大變形主要集中在隔振層處，隔振層以上的結(jié)構(gòu)相對變形很小，可近似認為上部結(jié)構(gòu)是一個剛體。

5 結(jié) 語

目前，桶型基礎(chǔ)平臺在冰區(qū)的應(yīng)用還不是很成熟，我國渤海也只是將其作為輔助功能（打靶平臺、系纜平臺、立管平臺及靠船結(jié)構(gòu)等）的平臺來使用，究其主要原因是動冰荷載對該類結(jié)構(gòu)的影響還沒有得到清晰的認識。本文以渤海單立柱式桶型基礎(chǔ)平臺為研究對象，基于多年的現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)冰激振動下該類平臺的振動加速度響應(yīng)顯著，對平臺上部設(shè)施會造成危害；而冰振疲勞問題不是很突出。為了使桶型基礎(chǔ)平臺更好地應(yīng)用于冰區(qū)邊際油田，提出了結(jié)構(gòu)抗冰振設(shè)計建議，其中抗冰錐體的概念應(yīng)該給予采納。例如，Jz9-3WHPE單立柱式桶型基礎(chǔ)平臺在2008年加錐后，冰振明顯降低。

[1]Bye A,Erbrich C,Earl K,Wright,et al.Geotechnical design of bucket foundations[C].OTC7793,1995:869-883.

[2]Eide O,Andersen K H.Foundation engineering for gravity structures in the northern sea[M].Norweigen Geotechnical Institute,1997,200:1-47.

[3]Tjelta T L,Hermstad J,Andenaes E.The skirt piled gulifaks platform installation[C].OTC6473,1990:453-462.

[4]Byrne B W,Houlsy G T.Experimental investigations of the cyclic response of suction caissons in sand[C].OTC12194,2000:787-795.

[5]Allersma H G B,Kierstein A A,Maes D.Centrifuge modeling on suction piles under cyclic and long term vertical loading[C]//In:Jin S C,eds.Proc.10th Inter.Offshore and Polar Engrg.Conf.,Seattle,USA,2000.California:ISOPE,2000:334-341.

[6]岳前進,杜小振,畢祥軍等.冰與柔性結(jié)構(gòu)作用擠壓破壞形成的動荷載[J].工程力學(xué),2004,21(1):202-208.

[7]API RP 2A.Recommended practice for planning,design,and constructing fixed offshore structures[R].API RP 2A,19Ed.1991.

[8]季順迎,岳前進,畢祥軍.遼東灣JZ20-2海域海冰參數(shù)的概率分布[J].海洋工程,2002,20(3):39-44.

[9]Tuomo K?rn?,Qu Yan.A new spectral method for modeling dynamic ice actions[C].Proceedings of OMAE’04,23rd International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2004:8-16.