王巍巍，周 雷，周道成

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽 300451；2.大連理工大學(xué)，大連 116034)

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基于振動(dòng)檢測的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全快速評(píng)估方法

王巍巍1，周 雷1，周道成2

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽 300451；2.大連理工大學(xué)，大連 116034)

基于振動(dòng)檢測數(shù)據(jù)識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，計(jì)算得到現(xiàn)役平臺(tái)結(jié)構(gòu)與原始平臺(tái)結(jié)構(gòu)廣義剛度的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)快速安全評(píng)估，借鑒土木工程地震損傷評(píng)估的研究成果，建立安全等級(jí)劃分的標(biāo)準(zhǔn)，算例表明該方法可行，可實(shí)現(xiàn)利用振動(dòng)檢測手段對(duì)在役海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速安全檢杳。

振動(dòng)檢測；參數(shù)識(shí)別；安全評(píng)估；置信度

近年來，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，實(shí)踐中開始采用便攜式無損檢測技術(shù)，該技術(shù)采用觀測數(shù)據(jù)檢波器前置數(shù)字化后的無線通訊傳輸技術(shù)，不再使用測試信號(hào)有線傳輸線纜，同時(shí)根據(jù)振動(dòng)測試的加速度信息，可以計(jì)算結(jié)構(gòu)整體模態(tài)參數(shù)。但是，常規(guī)的振動(dòng)檢測方法需要完備的測量數(shù)據(jù)并識(shí)別出完整的振型，這就增加了應(yīng)用的難度，并且需要工程人員有較強(qiáng)的專業(yè)背景，不利于該方法的推廣。因此，提出一種直接基于振動(dòng)檢測數(shù)據(jù)識(shí)別結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)(振型和頻率)進(jìn)行快速結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的方法[1-2]。

1 原理

平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體承載能力與結(jié)構(gòu)整體剛度密切相關(guān)，當(dāng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)損傷時(shí)，該平臺(tái)局部的結(jié)構(gòu)剛度降低，引起平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體剛度降低?；谡駝?dòng)檢測的平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估方法通過對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體損傷指數(shù)的變化進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)狀況的評(píng)估。

1.1 損傷指數(shù)定義及計(jì)算

在該方法中將損傷結(jié)構(gòu)指數(shù)定義為：服役損傷平臺(tái)結(jié)構(gòu)第n階振型廣義剛度與未損傷平臺(tái)結(jié)構(gòu)第n階振型廣義剛度的變化率，也即是

(1)

式中：Kdn——損傷結(jié)構(gòu)第n階振型廣義剛度；

Kfn——未損傷平臺(tái)結(jié)構(gòu)第n階振型廣義剛度。

根據(jù)結(jié)構(gòu)固有頻率計(jì)算原理，經(jīng)整理可得

(2)

(3)

式中：ωdn，ωfn——損傷平臺(tái)結(jié)構(gòu)和未損傷平臺(tái)結(jié)構(gòu)的第n階結(jié)構(gòu)固有頻率；

Mdn，Mfn——損傷結(jié)構(gòu)和未損傷結(jié)構(gòu)第n階振型對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)廣義質(zhì)量。

(4)

(5)

式中：Md和Mf分別為損傷平臺(tái)結(jié)構(gòu)和未損傷平臺(tái)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣，可依據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造和安裝(DFI)數(shù)據(jù)，以及平臺(tái)服役過程中設(shè)備、結(jié)構(gòu)變化(質(zhì)量變化)數(shù)據(jù)建立平臺(tái)結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型進(jìn)行質(zhì)量矩陣提取獲得；當(dāng)使用過程沒有設(shè)備、結(jié)構(gòu)變化(質(zhì)量變化)，則Md和Mf相等；

當(dāng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)完好沒有損傷時(shí)，Kdn和Kfn相等，平臺(tái)整體損傷指數(shù)等于零；當(dāng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)損傷嚴(yán)重時(shí)，Kdn越小，平臺(tái)整體損傷指數(shù)越大；平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體承載能力與結(jié)構(gòu)整體剛度密切相關(guān)，當(dāng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)損傷時(shí)，則該局部的平臺(tái)結(jié)構(gòu)剛度降低，從而平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體剛度降低，因此，結(jié)構(gòu)承載能力也降低，根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體損傷指數(shù)計(jì)算公式，可知結(jié)構(gòu)整體剛度變化，則平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體損傷指數(shù)也隨之變化。

平臺(tái)結(jié)構(gòu)固有頻率和振型都可以通過在平臺(tái)上布置加速度傳感器通過其測試數(shù)據(jù)識(shí)別獲得，所有涉及的中間參數(shù)都可以通過計(jì)算獲得。因此可以通過此步驟獲得平臺(tái)的損傷指數(shù)[3]。

1.2 具體步驟

第1步。建立未損傷結(jié)構(gòu)的有限元模型，作為基準(zhǔn)有限元結(jié)構(gòu)模型。未損傷結(jié)構(gòu)指剛投入運(yùn)營時(shí)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)。理想狀態(tài)是根據(jù)設(shè)計(jì)完工資料進(jìn)行建模，然后及時(shí)進(jìn)行振動(dòng)檢測，根據(jù)檢測結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行修正，得到接近真實(shí)的基準(zhǔn)模型。

第3步。對(duì)服役損傷平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。之前先根據(jù)計(jì)算模態(tài)置信度矩陣的方法確定最合適的振型用以評(píng)估，文中以第n階振型代替，確定后就可以計(jì)算損傷指數(shù)[4]。

2 評(píng)估等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 損傷平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體安全等級(jí)定性劃分標(biāo)準(zhǔn)

A級(jí)。平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體安全符合安全標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)構(gòu)基本完好，沒有損傷，即使有損傷也不影響整體承載力，可能有個(gè)別構(gòu)件應(yīng)采取措施。

B級(jí)。結(jié)構(gòu)有輕微損傷，但這些損傷不顯著影響整體承載力，可能有極少數(shù)構(gòu)件應(yīng)采取措施。

C級(jí)。結(jié)構(gòu)有中度損傷，顯著影響整體承載力，應(yīng)采取措施，且可能有少數(shù)構(gòu)件必須立即采取措施。

D級(jí)。結(jié)構(gòu)有嚴(yán)重?fù)p傷，嚴(yán)重影響整體承載力，必須立即采取措施。

2.2 損傷平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體安全等級(jí)定量劃分標(biāo)準(zhǔn)

假設(shè)存在這樣一種結(jié)構(gòu)體系,其具有的結(jié)構(gòu)整體承載能力，也即是平臺(tái)整體損傷指數(shù)恰好剛剛能夠達(dá)到某一分級(jí)臨界標(biāo)準(zhǔn)值，例如，Ds0為A級(jí)與B級(jí)分級(jí)臨界標(biāo)準(zhǔn)值,則稱此結(jié)構(gòu)為A級(jí)“理想臨界結(jié)構(gòu)”。同樣,可以定義出B級(jí)和C級(jí)“理想臨界結(jié)構(gòu)”。設(shè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系的儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)為Ds,而A級(jí)理想臨界結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)備強(qiáng)度系數(shù)為DsA,B級(jí)為DsB,C級(jí)為DsC,則平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全性的等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)列入表1。

表1 平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系安全分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

盡管海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)地震損傷研究處于空白，但是建筑結(jié)構(gòu)地震損傷已有大量研究，對(duì)不同地震損傷進(jìn)行分級(jí)，提出地震損傷指數(shù)來定量的描述不同的地震損傷，將與之相關(guān)的研究結(jié)果列入表2。參考表2中的結(jié)果和基于體系可靠度的平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[5-9]，考慮基于振動(dòng)檢測海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)定是為了確定是否進(jìn)行定量檢測進(jìn)行詳細(xì)安全評(píng)定的目的，確定平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系安全定量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

她是你的煞星！你要做的，是將刀插入她的心臟！不能再繼續(xù)猶豫和顧慮，這只會(huì)讓你更加得軟弱，更加得無法握住刀柄！

表2 不同震害等級(jí)損傷指數(shù)取值范圍

表3 基于平臺(tái)整體損傷指數(shù)的結(jié)構(gòu)體系安全分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 數(shù)值算例

3.1 基準(zhǔn)模型

對(duì)JZ20-2MUQ平臺(tái)進(jìn)行基于該方法的評(píng)估，該平臺(tái)四腿導(dǎo)管架平臺(tái)，上部組塊有4層，另外還有一個(gè)3層的生活樓，生活樓頂部為直升機(jī)甲板，見圖1。

圖1 JZ20-2MUQ平臺(tái)示意圖

利用大型有限元軟件Ansys建立基準(zhǔn)有限元結(jié)構(gòu)模型(見圖2)，并根據(jù)新建結(jié)構(gòu)實(shí)測信息修正基準(zhǔn)有限元結(jié)構(gòu)模型作為未損傷結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)有限元結(jié)構(gòu)模型。

根據(jù)模型提取結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)有限元結(jié)構(gòu)模型以Kf和Mf表示，即未損傷結(jié)構(gòu)的剛度矩陣Kf和未損傷結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣Mf，并計(jì)算基準(zhǔn)有限元結(jié)構(gòu)模型的第i階頻率和振型ωfi和φfi，前5階頻率和振型數(shù)據(jù)列入表4和表5。

圖2 有限元模型

表4 基準(zhǔn)有限元模型計(jì)算的前5階模態(tài)頻率

表5 基準(zhǔn)有限元結(jié)構(gòu)模型提取的前5階振型模態(tài)階數(shù)

3.2 在役導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)振動(dòng)測試與模態(tài)參數(shù)識(shí)別

振動(dòng)測試測點(diǎn)布置在平臺(tái)帶纜走道附近4個(gè)和底層甲板附近4個(gè)主樁腿節(jié)點(diǎn)上，總計(jì)8個(gè)測點(diǎn)位置，總共安裝8個(gè)傳感器，傳感器布置方案如圖3所示。

圖3 傳感器布置方案示意

本次現(xiàn)場振動(dòng)測試共采集到大量數(shù)據(jù)用于結(jié)構(gòu)模態(tài)計(jì)算分析，識(shí)別的前5階模態(tài)頻率和階數(shù)見表6、7。

表6 各段數(shù)據(jù)識(shí)別的前5階模態(tài)頻率 Hz

3.3 導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體安全評(píng)估

應(yīng)用已獲得的檢測信息識(shí)別的頻率和振型，基于測試測點(diǎn)對(duì)修正有限元模型進(jìn)行相應(yīng)自由度振型提取，見表4。根據(jù)測量識(shí)別振型和有限元模型提取振型計(jì)算模態(tài)置信度矩陣(見表8)可得第2階識(shí)別結(jié)果是最可信的振型。因此，采用結(jié)構(gòu)第2階頻率和第2階振型來計(jì)算結(jié)構(gòu)的整體損傷指數(shù)?；跍y點(diǎn)信息對(duì)修正有限元模型進(jìn)行相應(yīng)自由度的縮聚，縮聚為8個(gè)節(jié)點(diǎn)24個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)，獲得24乘24階的質(zhì)量矩陣。在此期間結(jié)構(gòu)質(zhì)量沒有明顯的變動(dòng)，因此，采用相同的質(zhì)量矩陣計(jì)算結(jié)構(gòu)的整體損傷指數(shù)。根據(jù)前述方法計(jì)算該結(jié)構(gòu)的整體損傷指數(shù)為0.033。根據(jù)基于平臺(tái)整體損傷指數(shù)的結(jié)構(gòu)體系安全分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可知結(jié)構(gòu)平臺(tái)結(jié)構(gòu)整體安全符合安全標(biāo)準(zhǔn)對(duì)A級(jí)的要求，結(jié)構(gòu)基本完好，沒有損傷，即使可能有個(gè)別構(gòu)件存在損傷也不影響整體承載力。根據(jù)局部定量檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)現(xiàn)損傷，與安全評(píng)估結(jié)果基本一致。

表7 識(shí)別的前5階振型模態(tài)階數(shù)

表8 模態(tài)置信度矩陣

4 結(jié)論

1)直接通過診斷振動(dòng)檢測數(shù)據(jù)識(shí)別結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定，克服了一般振動(dòng)檢測損傷識(shí)別要求完整的振動(dòng)及完備測量的缺點(diǎn)，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用中環(huán)境激勵(lì)、噪聲影響等不敏感，原理簡單、計(jì)算快捷及實(shí)用性好，便于實(shí)際應(yīng)用。

2)開創(chuàng)性的將在建筑結(jié)構(gòu)地震損傷評(píng)定中采用的損傷指數(shù)判斷方法應(yīng)用于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的安全評(píng)定中，結(jié)合便攜式振動(dòng)檢測儀系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)，使得對(duì)在役海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速安全評(píng)估成為可能，豐富了平臺(tái)結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估和管理的方法，也可用于平臺(tái)結(jié)構(gòu)的災(zāi)后快速評(píng)估和診斷。

3)通過比較損傷結(jié)構(gòu)廣義剛度矩陣和未損傷結(jié)構(gòu)的廣義剛度矩陣得到的整體損傷指數(shù)，因此該方法在應(yīng)用時(shí)需要有基準(zhǔn)的有限元結(jié)構(gòu)模型，建議平臺(tái)建設(shè)初期進(jìn)行基線振動(dòng)測量，為后期平臺(tái)采用該方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)完整性評(píng)估和管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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A Fast Structural Safety Assessment Method for Offshore Platform Based on Vibration Detection

WANG Wei-wei1, ZHOU lei1, ZHOU Dao-cheng2

(1.Offshore Oil Engineering Co. Ltd, Tianjin 300451, China;2.Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116034, China)

A fast structural safety assessment method for offshore fixed platform was set forth, which identifies structural modal parameters and calculates the difference of generalized stiffness matrix between the in-service structure and the original structure based on the vibration detection data directly. The earthquake damage assessment research achievements in civil engineering were consulted to create the grading standard of structural safety assessment. The numerical example proved the feasibility of this method. The presented method is able to use the vibration detection to achieve rapid safety inspection for offshore platform structures.

vibration detection; parameter identify; safety assessment; degree of confidence

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.040

2016-03-02

中國海洋石油總公司科技項(xiàng)目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 05 GC 00 GC 2014-02)

王巍巍(1983—)，男，碩士生，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0161-05

修回日期：2016-03-18

研究方向:海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全評(píng)估

E-mail:wangww@mail.cooec.com.cn