許 寧，岳前進，王延林

(1.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心，遼寧大連 116023;2.大連理工大學海洋科學與技術(shù)學院，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)計和安全運行的關(guān)鍵問題。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)前的真實破壞過程，室內(nèi)模型實驗中的海冰破碎相似率問題尚未明晰，因此只有通過真實結(jié)構(gòu)現(xiàn)場測量才能夠提供最真實、準確的冰力信息［1］。自20世紀60年代，已經(jīng)在庫克灣海洋平臺［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［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［9］等抗冰結(jié)構(gòu)上開展了冰力測量工作。其中渤海冰區(qū)導(dǎo)管架平臺是最為完備的現(xiàn)場測量系統(tǒng)之一，建立了冰荷載計算模型［10，11］，并在該海域的抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計和動力分析中進行了廣泛的應(yīng)用［12，13］。

各監(jiān)測系統(tǒng)所選用的冰力測量方法有所不同［14］，主要取決于特定的測量目的。常用的固定式結(jié)構(gòu)冰力測量方法主要包括兩種:第一種直接冰力測量法，通常采用壓力傳感器直接記錄冰對結(jié)構(gòu)局部作用力的時域特征，但結(jié)構(gòu)總冰力無法直接準確獲取，需另行計算，而且傳感器的設(shè)備制作與施工技術(shù)相對復(fù)雜;第二種間接冰力測量法，通過記錄結(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，測量技術(shù)較為成熟，但測量信號靈敏度較低且易受結(jié)構(gòu)動力干擾。

JZ20-2NW采油平臺是迄今渤海冰區(qū)安裝了最大尺寸破冰錐體的導(dǎo)管架式結(jié)構(gòu)，因此有必要開展冰力測量以確定結(jié)構(gòu)寬度對冰力的影響，綜合考慮測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)變冰力測量方法，其屬于改進的間接冰力測量方法。

本文介紹渤海冰區(qū)JZ20-2NW平臺的現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，特別是水下結(jié)構(gòu)光纖應(yīng)變冰力測量方法，重點分析由測點應(yīng)變向結(jié)構(gòu)總冰力的轉(zhuǎn)化方法，并通過實測冰荷載與經(jīng)典冰力計算公式的比較，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量現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)水下光纖應(yīng)變冰力測量原理

在監(jiān)測中使用的光纖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波長存在一一對應(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，全反射光的波長也會發(fā)生變化。通過對中心反射波長的監(jiān)測，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)的動力分析，判斷各種工況下應(yīng)變和荷載的對應(yīng)關(guān)系，即可根據(jù)實測的應(yīng)變信息，得到不同冰情下的荷載信息。

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

①可測量結(jié)構(gòu)的絕對響應(yīng)。作用在結(jié)構(gòu)上的冰荷載是均值不為零的隨機過程。由于海上沒有固定參考系，傳統(tǒng)響應(yīng)測量方法只能測量得到交變信息(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)變測量方法方便進行零點標定，從而得到冰力的全部信息。

②由于光纖應(yīng)變傳感器測點接近于結(jié)構(gòu)根部的應(yīng)變敏感區(qū)域，測量信號較之傳統(tǒng)的甲板響應(yīng)更為精確，受結(jié)構(gòu)動力影響相對較小。

③光纖光柵測量系統(tǒng)是當前較為先進的監(jiān)測手段。與傳統(tǒng)的傳感系統(tǒng)相比，它具有可靠、靈活、抗干擾、成本低等獨特優(yōu)點。

水下光纖光柵應(yīng)變冰力測量方法已經(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平臺為例，說明光纖光柵應(yīng)變冰力測量方法在錐體結(jié)構(gòu)原型監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1.2 JZ20-2NW平臺的現(xiàn)場測量系統(tǒng)

JZ20-2NW平臺是2005年投產(chǎn)使用的獨腿加錐平臺。該平臺所處海域設(shè)計水深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)，因此針對該結(jié)構(gòu)開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平臺的現(xiàn)場測量系統(tǒng)包括:冰力測量、結(jié)構(gòu)響應(yīng)測量、冰情和冰-結(jié)構(gòu)作用過程測量。冰情和冰-結(jié)構(gòu)作用過程采用圖像記錄與分析方法［15-16］;在平臺的上下甲板各安裝了3個拾振器進行甲板加速度測量和位移測量;冰力測量采用水下結(jié)構(gòu)光纖應(yīng)變測量的方法。原型結(jié)構(gòu)和測量系統(tǒng)如圖1所示。

在JZ20-2NW平臺的建造階段，分別在樁及其斜拉筋、斜拉筋與中心柱連接處安裝了16個應(yīng)變傳感器和3個溫度傳感器(具體安裝位置見圖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: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: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，由傳感器測量得到波長變化Δλ，結(jié)合傳感器靈敏度(應(yīng)變靈敏度α，溫度靈敏度β)，可直接獲取測點的應(yīng)變ε或溫度T信息，其中，測點應(yīng)變ε=Δλ/α;測點溫度 T=Δλ/β。經(jīng)過標定確定，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平臺和現(xiàn)場監(jiān)測簡圖Fig.1 JZ20-2NW platform and sketch of measurement system

由于運輸、安裝、運行過程的影響，部分光纖光柵傳感器被損壞。只有中心柱筒壁內(nèi)部的3個光纖應(yīng)變傳感器(標高為EL(-)3 660)得到了理想完整的數(shù)據(jù)。這3個光纖傳感器分別記為ε1、ε2、ε3，測點的豎向(z方向)布點方案如圖1(b)所示，與y方向夾角分別為270°、150°和30°，其中x方向為平臺東;y方向為平臺北。

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

通過測量響應(yīng)獲得結(jié)構(gòu)的荷載信息，關(guān)鍵問題在于確定不同工況下響應(yīng)信號與結(jié)構(gòu)荷載間的對應(yīng)關(guān)系。基于結(jié)構(gòu)水下光纖應(yīng)變測量的總冰力計算，需確定以下兩個關(guān)系:三個測點應(yīng)變與測點的主應(yīng)變的關(guān)系，測點主應(yīng)變和結(jié)構(gòu)總荷載之間的關(guān)系。

2.1 根據(jù)測點三個測點應(yīng)變確定測點主應(yīng)變的大小和方向

樁柱EL(-)3660處的筒內(nèi)壁的3個應(yīng)變傳感器測量結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)變，測點距主樁水下斜撐處1m，已避開熱點區(qū)域。假設(shè)來冰方向與y方向夾角θ，根據(jù)3個應(yīng)變傳感器的分布(圖1(b))，利用梁的等截面假設(shè)推算測點 x，y 方向應(yīng)變 εx、εy與 ε1、ε2、ε3關(guān)系，進而確定測點截面所受最大應(yīng)變 ε。

由于采用應(yīng)變測量的優(yōu)勢之一是能夠?qū)y點應(yīng)變進行零點標定，從而確定包括平均值和波動值在內(nèi)的結(jié)構(gòu)絕對響應(yīng)信息。具體實施方法是，結(jié)構(gòu)在位且安裝全部完成后，選擇無冰、平潮、無風時刻的測點應(yīng)變值作為零點。根據(jù)現(xiàn)場觀測的環(huán)境參數(shù)，選取2006年1月23～29日內(nèi)5個時刻作為三個測點應(yīng)變的零點標定時刻。整個冰期結(jié)構(gòu)所處海域水下溫度的測量表明，日平均溫度在-1.6℃左右(與應(yīng)變零點溫度一致)，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量最大在4 pm左右，即應(yīng)變隨溫度波動量在±2 pm左右，與1 pm的系統(tǒng)誤差相當。因此雖然光纖光柵應(yīng)變傳感器對溫度影響較為敏感，但在本文對測量結(jié)果的分析過程中，基本可以忽略溫度變化對應(yīng)變測量的影響。

如果結(jié)構(gòu)只受水平方向上外載，則實際測量的三個測點應(yīng)變值的代數(shù)和為零，實際測量得到的三個測點應(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，三個測點上得到的豎向應(yīng)變變化應(yīng)該完全相同，所以每個測點實測應(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)變時程，則主應(yīng)變ε方向θ可以通過均值εx和εy之比計算，如式(1)所示?？倯?yīng)變ε(t)可以由εx(t)，εy(t)和θ計算得到，如式(2)所示。

2.2 確定測點主應(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、波浪等)，因此可認為測點應(yīng)變主要由冰荷載引起。同時，結(jié)構(gòu)為獨腿對稱形式，來冰方向的影響可以忽略，需要重點考慮不同潮位下結(jié)構(gòu)測點應(yīng)變與外載之間的關(guān)系。

利用大型通用計算軟件ANSYS建立結(jié)構(gòu)有限元模型，為保證振動頻率和振型等結(jié)構(gòu)動力特性的真實性，對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的簡化處理主要集中在上部質(zhì)量和樁基［17］:假定平臺上部質(zhì)量均勻分布在整個甲板面積上;按照等效樁考慮樁-土相互作用，等效樁長度取6倍樁徑;選擇梁單元pipe16模擬導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)，上部質(zhì)量用質(zhì)量點單元mass21或殼單元shell63來模擬，工字梁用梁單元beam189來模擬。

對結(jié)構(gòu)模型進行水平加載，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)總冰力與測點主應(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)實際測量的總應(yīng)變ε(t)和對應(yīng)潮位信息，可計算結(jié)構(gòu)總冰力時程F(t)=f(H)×ε(t)。2006年2月1日9:25實測三個通道應(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)變測量的總冰力計算案例((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

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

3 實測冰力的初步分析

通過原型結(jié)構(gòu)直接測量可以得到最為真實的冰力信息，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算公式。通常在對實測冰力數(shù)據(jù)進行處理時，與已有的冰力計算公式進行比對和校核，進而提出最為適合的計算模型和系數(shù)。選取理論方法Ralston［18］和Croasdale［19］模型，以及基于模型實驗的半經(jīng)驗半理論公式 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算模型，與實測冰力進行比對分析。錐體冰力計算的參數(shù)選取主要參考JZ20-2NW平臺所處海洋環(huán)境和實測冰力數(shù)據(jù)，詳見表1。

根據(jù)實測的冰情范圍，在應(yīng)用上述5種冰力計算公式時，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D=5.5 m。實測冰力分析選用冰力時程中所有冰力幅值均值。選取被σfh2，ρwgD2歸一化的實測冰力幅值F0均值，繪制上述兩種無量綱化冰力與無量綱參數(shù)ρwgD2/(σfh)的關(guān)系曲線，分別如圖3(a)、3(b)所示，用于平臺無量綱預(yù)測冰力模型和實測冰力的比較分析。

冰厚h和錐徑D是影響冰力的最主要參數(shù)［23］，也有學者提出錐體寬度和冰厚比值(簡稱寬厚比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］。在冰力比較分析過程中，以寬厚比D/h=30，50為臨界值，對實測冰力進行標注:

(1)D/h≥50，橢圓區(qū)域內(nèi)點;

(2)30≤D/h＜50，四邊形區(qū)域內(nèi)點;

(3)D/h＜30，未進行標注的點。

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)，無量綱化冰力結(jié)果也越大，這是由于破碎冰的堆積等問題造成的。當寬厚比較小時(D/h＜50)，實測冰力的變化趨勢較符合 Hirayama實驗公式，實測冰力峰值介于 Kato和 Edwards＆Croasdale公式之間。

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

圖3 JZ20-2NW平臺無量綱效應(yīng)預(yù)測模型和實測冰力比較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;實測冰力數(shù)據(jù)(包括室內(nèi)模型實驗或現(xiàn)場原型結(jié)構(gòu)測量)差異性較大，主要是因為海冰和結(jié)構(gòu)參數(shù)的范圍有著嚴格的限制和顯著的差別。因此，有必要對實測冰力的影響要素進行具體分析，建立更為合理的冰力模型。

5 結(jié)語

在渤海冰區(qū)安裝最大破冰錐體的導(dǎo)管架平臺上首次應(yīng)用水下光纖應(yīng)變測量方法獲取結(jié)構(gòu)所受總冰力信息，并與已有成熟冰力計算公式進行比較對實測冰力結(jié)果進行初步分析，明確了錐體寬度和海冰厚度這一參數(shù)對于結(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)測的間接冰力測量方法必然會受到結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)等因素的影響。因此，有必要在以后的工作中，進一步論證該冰力測量方法的可行性、測量結(jié)果的準確性，通過與已有現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和研究結(jié)論的結(jié)合，進行海冰破壞的理論分析，進而得到較為公認的冰力計算模型。

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