吳汶潔 ，劉文光 ，范道安

(1. 上海大學 土木工程系，上海 200072；2. 同濟大學 經(jīng)濟與管理學院，上海 200092)

海洋平臺基于隔振錐體裝置的減振效應研究

吳汶潔1，劉文光1，范道安2

(1. 上海大學 土木工程系，上海 200072；2. 同濟大學 經(jīng)濟與管理學院，上海 200092)

針對導管架式海洋平臺結構型式與特點，利用沖擊隔振理論，將冰錐體與隔振技術結合起來，提出一種能有效降低冰荷載激勵的“兩級柔性隔振錐體”設計方案。建立了兩極隔振錐體簡化計算模型，確定了系統(tǒng)振動傳遞系數(shù)參數(shù)之間的關系。通過建立海洋平臺有限元模型，采用有限元程序,進行了模擬冰荷載激勵下的振動響應分析，并對安裝隔振裝置的小比例模型結構進行了沖擊荷載下的減振試驗。結果表明采用“兩級柔性隔振錐體”能有效降低傳遞給海洋平臺的冰力極值，減小海洋平臺冰激勵的響應。

海洋平臺；兩級柔性隔振錐體；動力試驗；動力分析

海洋平臺是海洋石油天然氣資源開發(fā)的基礎性設施。許多海上采油平臺建造于寒冷、結冰的海域，在結冰海域。海冰對海洋結構的作用遠大于波浪和風的影響。隨洋流而動的海冰與平臺相互作用，結構在動冰力作用下產(chǎn)生冰致振動，直接影響平臺的正常生產(chǎn)和安全，甚至可將平臺推倒。

降低海洋平臺的冰致振動響應主要有兩個途徑：一是對平臺冰致振動進行主動控制；二是對平臺進行被動減振和隔振控制。隔振錐體的設計主要從剛度和阻尼兩方面考慮，選擇合理的剛度和阻尼就能明顯降低平臺的響應。徐繼祖、歐進萍等[1,6,7]系統(tǒng)分析了海洋平臺穩(wěn)態(tài)振動產(chǎn)生的機理,通過在平臺結構導管架端帽和甲板之間設置柔性阻尼層的隔振方案來降低海洋平臺冰致振動響應。岳前進[2]揭示了冰與直立結構作用機理主要是彎曲破壞和擠壓破碎，并認為破冰錐體可以很好地抑制直立結構上的穩(wěn)態(tài)振動現(xiàn)象。王樹青[3]驗證了海洋平臺在沖擊荷載下，TMD能有效進行能量耗散。并且對TMD的最優(yōu)參數(shù)進行了分析。季順迎[10]等運用平臺結構的有限元分析、簡化的結構動力分析和冰振響應幅值統(tǒng)計分析三種計算方法對渤海冰區(qū)錐體平臺結構冰激振動響應進行了研究。馬盛俊[11]將破冰錐體與橡膠支座結合起來設計了一種能實現(xiàn)冰荷載振源隔振的隔振錐體，并對隔振錐體效應和平臺響應進行了分析。李華軍[12- 13]等研究分析了導管架平臺在AMD主動控制裝置下的響應。

傳統(tǒng)的單級隔振錐體雖然在很大程度上避免了直立結構發(fā)生的穩(wěn)態(tài)振動問題，但是根據(jù)實測數(shù)據(jù)[1]，冰荷載作用頻率體現(xiàn)出一種寬頻率特性，使傳統(tǒng)隔振錐體的減振效應產(chǎn)生了很大的限制。甚至當作用在錐體結構上的冰激力周期與平臺的固有周期接近時，便會引起平臺的共振。

本文根據(jù)海洋平臺結構的動冰力特性和冰致振動機理以及冰致結構疲勞累積損傷分析研究，設計出一種將抗冰錐體與隔震支座、質量塊和彈簧結合起來的隔振錐體裝置，并通過建立海洋平臺有限元模型，進行ANSYS有限元分析，考察其減振效應。最后進行了結構振動沖擊試驗。

1 兩級隔振錐體裝置設計

1.1兩級隔振錐體裝置設計分析

由實測冰壓力時程統(tǒng)計分析出的冰的卓越頻率[1]為：

式中：f為冰荷載基本頻率(Hz)；v0為冰速(cm/s)，取20 cm/s。

單級隔振裝置傳遞率[9]

式中：ω為荷載頻率；ωn為隔振元件頻率；ξ為隔振錐體橡膠支座阻尼比，取0.5。

1.2兩級隔振錐體裝置特點

兩級隔振錐體的結構特點是:連接隔振錐面體的疊層橡膠支座并不直接固定于支承平臺上，而是首先連接在一個鋼質量塊上，鋼質量塊通過彈簧連接在海洋平臺樁柱上，鋼質量塊和支承平臺間設置一層滑移層，如圖1、圖2所示。當冰排接觸隔振錐體時，隔振錐體的錐面體將冰排輸入的能量傳遞給支承平臺上的16個疊層橡膠支座和鋼質量塊，如圖3所示。

圖1 兩級隔振錐體設計Fig. 1 Configuration of two- stage isolation vibration cone

圖2 兩級隔振錐體細部設計Fig. 2 Detailed configuration of two- stage isolation vibration cone

圖3 隔振錐體布置示意Fig. 3 Layout of vibration isolation cone

1.3兩級隔振錐減振機理

二級隔振錐體通過在錐面體與平臺之間安裝“彈簧- 阻尼器組合”來增加整體結構的阻尼和質量參數(shù)，從而實現(xiàn)裝置的寬頻帶和高隔振系數(shù)特性。當冰排接觸隔振錐體，冰排被不斷向上挑起，形成受彎板。擋冰錐面體受到冰排擠壓產(chǎn)生偏移變形。冰力在冰排破壞之前逐漸增大，隔振錐體的錐面結構和疊層橡膠支座位移隨之增大，冰排因達到抗彎剛度極限而脆斷，冰排破壞時隔振錐體、疊層橡膠支座和水平彈簧的位移達到最大。疊層橡膠支座具有良好的彈塑性滯回特性，起到阻尼耗能作用。水平彈簧增加裝置的水平剛度，連接疊層橡膠支座與水平彈簧的可移動連接板類似于質量塊。通過在支承平臺與連接板之間設置聚四氟乙烯滑移層近似實現(xiàn)可移動支架零阻尼。冰排彎曲破壞后，冰激勵突然卸載，在水平彈簧和疊層橡膠支座彈性恢復力作用下，整個裝置開始做回擺運動。當回擺至平衡位置時，冰力的第一次卸載過程完成。疊層橡膠支座和其固定的連接鋼板一同運動，同時由于彈簧自身產(chǎn)生的變形，將部分沖擊能量傳遞給海洋平臺樁柱，另一部分能量被疊層橡膠支座所吸收耗散。

2 簡化模型參數(shù)分析

冰荷載加載位置集中在導管架樁腿水線處，振動沖擊能量以某一階固有頻率為主，根據(jù)被動控制的隔振和動力吸振原理，在冰排和海洋平臺之間插入彈性元件來進行冰荷載的振動隔離。為了合理選擇隔振錐體的參數(shù)，本文將兩級隔振錐體簡化為一個通過粘彈性阻尼器和導管架平臺連接在一起的兩自由度線性振動系統(tǒng)，將平臺看成一個固定的基礎，如圖4所示。系統(tǒng)的微分方程為[8]

為了簡化討論，引入?yún)?shù)：質量比μ=m2/m1，頻率比λ=ω2/ω1。

式為：m1為隔振錐體可移動連接板質量；m2為隔振錐體錐面殼體和疊層橡膠支座的的質量；k1為隔振可移動連接板和水平彈簧的等效剛度；k2為疊層橡膠支座的水平剛度；ω1為可移動連接板與水平彈簧的等效固有頻率(二級隔振)；ω2為錐面殼體與疊層橡膠支座的等效固有頻率(一級隔振)；c1為隔振可移動連接板的結構阻尼系數(shù)，取零，(聚四氟乙烯滑移層作用)；c2為疊層橡膠支座的阻尼系數(shù)。

冰荷載傳遞給平臺樁腿的力為

式中：b1為可移動隔振支架的振幅，記

其中:c1=0,ξ1=0。

冰力荷載P0:

振動幅值傳遞系數(shù):

取定ξ2=0.5[8]，則：

式中：ξ1為隔振錐體可移動連接板及彈簧支承的阻尼比，ξ2為隔振錐體及疊層橡膠支座的阻尼比，μ為m2與m1質量比。

不同頻率比情況下質量比與傳遞系數(shù)的關系如表1所示。各頻率比λ下，質量比μ越大，隔振效果越好。從隔振效果上看應盡量減小m1(隔振錐體可移動連接板)增大m2(隔振錐體錐面殼體和疊層橡膠支座)質量，但是考慮到造價、安裝與樁腿附加結構的豎向荷載力要求，錐面殼體的質量不可能無限大。

表1 不同頻率比λ和質量比μ的情況下隔振系數(shù)Tf的取值Tab. 1 Coefficients of vibration isolation under different frequency ratio and mass ratio values

圖4 兩級減振錐體隔振的力學模型Fig. 4 The mechanics model of the two- stage vibration isolation cone

現(xiàn)取隔振錐體可移動連接板的質量m1為2.0 t，根據(jù)表1，Tf取值24.8%的質量比1.24。得隔振錐體殼體和橡膠支座質量為2.48 t。則在不同剛度下的固有頻率見表2。

表2 隔振錐體減振裝置不同剛度下的固有頻率Tab. 2 Natural frequency of the vibration isolation cone under different stiffnesses

3 隔振裝置振動沖擊試驗

3.1試驗模型

試驗模型為一鋼框架結構，模型總重約為26 kg,由四個角柱下的固結支座承擔。鋼結構共六層，層高200 mm,跨度為600 mm。傳感器布置在結構第2層和第4層及結構頂部。試驗采取重力沖擊力加載方式，且每次工況的加載方式相同。激振位置位于鋼框架結構的第6層，激振力的方向和加速度方向均為水平向。試驗模型結構如圖5、圖6所示。

圖5 振動沖擊試驗模型示意Fig. 5 The model for vibration impact test

圖6 模型試驗Fig. 6 Model test

3.2試驗工況與試驗結果分析

減振裝置采用四種工況：

(1)工況1(SRC1)：減振裝置下方設置聚四氟乙烯板滑移層，上下層鋼板通過2條橡膠條連接，下層鋼板通過彈簧連接到鋼框架上。

(2)工況2(SRC2)：減振裝置下方設置聚四氟乙烯滑移層，上下層鋼板通過螺栓固定連接，下層鋼板通過彈簧連接到鋼框架上。

(3)工況3(SRC3)：上下層鋼板通過2條橡膠條連接，減振裝置下方不設置聚四氟乙烯滑移層和彈簧緩沖裝置。

(4)工況4(SRC4)：上下層鋼板通過螺栓固定連接，下層鋼板也通過螺栓固定在鋼框架上，不設置彈簧緩沖裝置。

圖7 不同工況下加速度時程曲線Fig. 7 Acceleration time history curve under different conditions

通過四種工況的試驗效果對比，采用不同隔振模型的試驗工況1、2、3與未進行隔振設計的工況4對比，具有明顯減輕結構振動響應的效果。如圖7和表3所示，在減振裝置下端設置彈簧滑移層的減振效果是減振裝置下端固定于鋼框架上的3～7倍。

表3 不同工況下框架結構各層最大加速度Tab. 3 Maximum acceleration of each layer under different working conditions

4 海洋平臺減振效應分析

4.1海洋平臺模型及特征參數(shù)

導管架平臺屬于固定式平臺，由上層平臺結構和下部導管架結構組成，底端通過樁基礎固定。上部平臺結構主要提供生產(chǎn)和生活場地，下部導管架主要由6根主導管組成空間塔架結構。由于樁基礎在海底土層不可能實現(xiàn)完全固支，故結構模型在海底土層以下2 m采用鉸接約束。整個模型采用同一種鋼材，彈性模量EX=2.0×1011Pa，泊松比PRXY=0.3，密度DENS=7 800 kg/m3。模型主要采用桿系單元、梁單元、殼單元三種單元類型，海洋平臺有限元模型見圖8。海洋平臺前六階固有頻率如表4所示。

表4 海洋平臺前六階固有頻率Tab. 4 The first six natural frequencies of offshore platform

由表2和表4知，總質量為4.48 t的隔振錐體在不同剛度條件下的的固有頻率范圍在2.9～3.8 Hz左右，遠離海洋平臺的前兩階固有頻率，隔振裝置可以有效抑制共振效應的產(chǎn)生。

圖8 海洋平臺有限元模型Fig. 8 Finite element model of offshore platform

圖9 結構總位移云圖Fig. 9 Total displacement nephogram of the structure

4.2冰荷載的選取

取渤海比較常見的一種冰荷載作為分析類型：破碎冰長度150 mm,冰速200 mm/s。取表1中頻率比0.5，質量比1.24情況下的冰荷載傳遞系數(shù)24.8%。冰與錐體作用的冰力時程實際上是若干個脈沖函數(shù)，冰力函數(shù)如下所示[1]。選取冰荷載任意一個周期峰值進行最不利條件下的有限元分析，現(xiàn)取冰力最大值Fmax= 800 kN，通過減振錐體減振后，冰力最大值取200 kN，加載位置作用在60 m處。

式中:Fmax為最大冰排荷載，τ為冰排破壞時間，T為一個冰力周期。

圖10 動冰荷載Fig.10 Dynamic ice force

4.3海洋平臺動力響應分析

現(xiàn)以最大值800 kN的冰荷載作為討論對象，部分桿系的減振前后軸力和剪力對比分析見表5。

表5 鋸齒型冰力最大值800 kN時桿系單元的軸力和剪力對比Tab. 5 Maximum axial force and shear force of the element system under 800 kN zigzag ice force

由表5可得，減振前后節(jié)點的最大軸力和剪力均有大幅降低，其中桿系減振后的軸力比減振前軸力減少了75.2%，剪力最大減少了75.8%。

4.4海洋平臺位移響應

從結構的總位移云圖9可以看到，在動冰荷載作用下平臺上部總位移較大?？傏厔菔亲陨隙缕脚_總位移由大變小。海洋平臺總位移最大的區(qū)域位于頂部。

從減振前后，平臺位移比較分析可知，減振錐體具有良好的減振效果，表現(xiàn)出位移響應減小。其中減振前后海洋平臺最大位移分別為50.7和12.6 mm，平臺頂層的最大位移減振效果達到74.9%，如圖11所示。

圖11 隔振錐體減振前后平臺頂部位移- 時間變化曲線Fig. 11 The top displacement- time curves

5 結 語

通過實驗數(shù)據(jù)和理論分析表明，“兩級柔性隔振錐體”可以降低冰激力幅值，設計的隔振錐體其固有頻率大致范圍在2.8～3.9 Hz,與海洋平臺的主頻率范圍1～2 Hz相差較大，可以有效抑制共振效應的產(chǎn)生。

基于渤海灣動冰力荷載作用下的動態(tài)響應分析得到，冰力極值通過隔振錐體衰減為原值的24.8%，設置前后海洋平臺最大位移減振效果達到74.9%，軸力減振效果最大達到75.2%，剪力減振效果最大達到75.8%。采用兩級隔振錐體能明顯降低海洋平臺的冰激勵振動效應。

[1] 歐進萍,段忠東,肖儀清.海洋平臺結構安全評定—理論、方法與應用[M].北京:科學出版社,2003. (OU Jinping ,DUAN Zhongdong,XIAO Yiqing. Safety assessment of offshore platform structure- theory, method and application[M]. Beijing: Science Press, 2003. (in Chinese))

[2] 岳前進,時忠民.柔性抗冰海洋平臺與動冰力研究[C]//第十屆全國結構工程學術會議特邀報告. 2003. (YUE Qianjing, SHI Zhongmin. Flexible ocean platform and dynamic ice force research[C]//The Tenth National Conference on Structure Engineering. 2003. (in Chinese))

[3] WANG Shuqing, LI Huajun, JI Chunyan, et al. Energy analysis for TMD—structure systems subjects to impact loading[J].China Ocean Engineering,2002,16(3):301- 310.

[4] 日本建筑學會著. 隔震結構設計[M].北京：地震出版社，劉文光譯,2006 . (Architectural Institute of Japan. Recommedation for the design of base isolated buildings[M].Beijing: The Seismological Press,2006.Interpreted by LIU Wenguang. (in Chinese))

[5] 中國海洋石油總公司．渤海海洋工程環(huán)境條件基礎資料匯編[Z]．2001．(Chinese National Offshore Oil Corporation. The compilation of Bohai marine engineering environmental conditions data[Z].2001. (in Chinese))

[6] 歐進萍. 結構振動控制—主動、半主動和智能控制[M]. 北京：科學出版社，2003. (OU Jinping. Active and semi- active control of structural vibration and intelligent control[M].Beijing:The Science press,2003. (in Chinese))

[7] 歐進萍,龍旭,肖儀清,等．導管架式海洋平臺結構阻尼隔振體系及其減振效果分析[J]．地震工程與工程振動，2002，22(3)：115- 122．(OU Jinping, LONG Xu, XIAO Yiqing , et al. Damping isolation system and its vibration- suppressed effectiveness analysis for offshore platform jacket structures[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2002, 22(3):115- 122. (in Chinese))

[8] 宋維源,李忠華. 雙級隔振器系統(tǒng)參數(shù)選擇的研究[J]. 遼寧工程技術大學學報，2002，21(1)：46- 48. (SONG Weiyuan, LI Zhonghua. Two- stage vibration isolation system parameter selection research[J]. Journal of Liaoning Technical University (Natural Science),2002,21(1):46- 48. (in Chinese))

[9] 劉晶波,杜俢力,歐進萍.結構動力學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005. (LIU Jingbo, DU Xiuli, OU Jinping. The Structural dynamics[M]. Beijing: China Machine Press,2005. (in Chinese))

[10] 季順迎，王安良，車嘯飛，等.錐體導管架海洋平臺冰激結構振動響應分析海洋工程[J].海洋工程，2011,29(2)：32- 39. (JI Shunyin, WANG Anliang, CHE Xiaofei, et al. Analysis of ice- induced structure vibration of offshore jacket platform with ice breaking cone[J].The Ocean Engineering，2011,29(2)：32- 39. (in Chinese))

[11] 馬盛俊. 海洋平臺隔振錐體應用研究[D]. 大連理工大學, 2008. (MA Shengjun. Application research on the vibration isolation cone of the offshore platform[D]. Dalian University of Technology, 2008. (in Chinese))

[12] LI Huajun, WANG Shuqing, YANG Yongchun, et al. Vibration characteristics of an offshore platform and its vibration control[J]. China Ocean Engineering,2002,16(4):469- 482.

[13] LI Huajun, Sau- LonJamesHU, TomotsukaTAKAYAMA . Opimalt active control of wave- induced vibration for offshore platforms[J]. China Ocean Engineering,2001,15(1):1- 14.

Effectiveness analysis of vibration suppression for offshore structures with vibration isolation cone

WU Wenjie1,LIU Wenguang1, FAN Daoan2

(1. Department of Civil Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072,China; 2. School of Economics & Management, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Considering the style and characteristics of offshore platform and using the ice conical and the vibration isolation technique,the ice- induced- double- stage vibration resistant cone for offshore Platform is designed based on impact isolated vibration theory. The simplified model shows that selecting appropriate parameters of the vibration isolation cone can obviously reduce the response of the platform. Based on the finite element model of the offshore platform, the modal analysis is performed to investigate the vibration effect of the offshore platform subjected to ice load. Besides, a small scale structure model test with vibration isolation device is conducted under impact loading. The results show that the ice- induced- double- stage vibration resistant cone can effectively lower the maximum ice force, thus reducing the response of the offshore platform.

offshore platform; ice- induced- double- stage vibration resistant cone; vibration impact test; dynamic analysis

TE952

A

10.16483/j.issn.1005- 9865.2015.05.012

1005- 9865(2015)05- 089- 08

2014- 07- 07

上海市自然科學基金資助項目(15ZR1416200)；國家基金資助項目(51478257)

吳汶潔 (1988- )，女，河南信陽人，碩士研究生，主要從事結構防震減災研究。