趙業(yè)彬，孫星宇，張大勇，操太春，王剛，褚洪民

(1.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250013；2.大連理工大學 海洋科學與技術(shù)學院，遼寧 盤錦 124221； 3.大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116086)

渤海萊州灣冬季存在海冰的侵擾,但該海域的某測風塔在設(shè)計之初，并沒有考慮冰激振動，尤其是冰激穩(wěn)態(tài)振動對結(jié)構(gòu)的影響。因而結(jié)構(gòu)是否具備抗冰性能需進行論證。目前，國內(nèi)外對冰區(qū)直立海洋結(jié)構(gòu)物與海冰相互作用有大量的研究，但冰荷載的計算方法和公式?jīng)]有統(tǒng)一，各自研究建立的冰力模型也不盡相同，使得最后的計算結(jié)果相差較大[1-5]。與傳統(tǒng)的海洋工程結(jié)構(gòu)相比，海上測風塔屬于細長結(jié)構(gòu)，為了節(jié)約成本，塔架截面隨測風塔高度逐漸變小，造成了海上測風塔結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)更加復(fù)雜。由于測風塔與油氣平臺存在差別，本文針對該海域海上測風塔的抗冰性能進行研究。

1 海上測風塔結(jié)構(gòu)動力特性

本文進行海冰與窄體結(jié)構(gòu)相互作用的數(shù)值仿真。選取萊州灣昌邑附近海域的測風塔結(jié)構(gòu)和渤海JZ20-2MUQ平臺(相關(guān)參數(shù)見表1)進行對比。萊州灣某測風塔結(jié)構(gòu)為獨柱獨樁的結(jié)構(gòu)形式，鋼樁采用大直徑樁，并在泥面到水面間采用變徑錐段設(shè)計。塔架頂端標高105 m，位于工作甲板上部。通過ANSYS有限元軟件中對測風塔模型進行建模分析。先對測風塔結(jié)構(gòu)進行簡化處理，結(jié)構(gòu)的簡化需要保證主體結(jié)構(gòu)幾何形狀、結(jié)構(gòu)的振動頻率和振型的真實性。其中，測風塔基礎(chǔ)的塔筒及工作甲板的斜撐部分采用SHELL181單元，上部甲板部分及塔架部分采用BEAM188單元模擬。與之對比的JZ20-2MUQ平臺采用MASS21單元模擬上部設(shè)備質(zhì)量，其余部分的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)用PIPE20單元建模。JZ20-2MUQ平臺和萊州灣測風塔有限元模型見圖1。

圖1 海洋平臺與測風塔結(jié)構(gòu)有限元模型

表1 萊州灣測風塔與JZ20-2NW導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)

通過對比發(fā)現(xiàn)，兩者水線處直徑相近且均為窄體結(jié)構(gòu)(破碎冰可及時從結(jié)構(gòu)兩側(cè)清除，不發(fā)生冰堆積)，此外結(jié)構(gòu)基頻相近。研究測風塔冰力模型時可采用已經(jīng)較為成熟的計算渤海導(dǎo)管架平臺的窄體結(jié)構(gòu)冰力模型。

忽略樁基與泥土的相互作用，認為測風塔結(jié)構(gòu)的樁腿底部固定，約束其所有方向的自由度，其中:X軸方向與測風塔儀器支架方向平行，Z軸方向為沿測風塔高度方向，Y軸方向垂直于X軸、Z軸方向?；跀?shù)值模擬，結(jié)構(gòu)前四階固有頻率及振型見表2。

表2 測風塔結(jié)構(gòu)前4階頻率及振型 Hz

分析發(fā)現(xiàn)，獨柱獨樁測風塔結(jié)構(gòu)的基頻為0.75 Hz，基頻與實測頻率相近，結(jié)構(gòu)的前三階振型分別為Y方向擺動、X方向擺動、Z方向扭轉(zhuǎn)，與結(jié)構(gòu)的實際動力特性相近，此模型能夠反映結(jié)構(gòu)的動力特征。

2 冰載荷模型

研究表明：針對冰與柔性直立結(jié)構(gòu)擠壓破碎引起的冰荷載和結(jié)構(gòu)振動，根據(jù)冰破碎模式，存在以下3種模式[6]。

1)低冰速。準靜態(tài)破壞：在冰速小于2 cm/s時，海冰表現(xiàn)為準靜態(tài)破壞，可以將此種情況下的冰荷載考慮為靜冰力。

2)中冰速。結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)振動：當冰速大致位于2～4 cm/s時。通過實測的冰力時程及結(jié)構(gòu)響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，海冰破碎頻率和結(jié)構(gòu)的固有頻率相同，發(fā)生頻率鎖定，結(jié)構(gòu)發(fā)生共振現(xiàn)象。文獻[1]根據(jù)渤海實測的自激振動冰力時程，給出了三角波時域函數(shù)。

3)快冰速時。結(jié)構(gòu)隨機強迫振動：當冰速大于4 cm/s時，由實測的擠壓冰力時程曲線分析發(fā)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)發(fā)生隨機振動，根據(jù)渤海和波斯尼亞灣燈塔上測得的大量樣本的隨機冰荷載數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計分析建立了隨機冰力譜[7-8]。

3種冰載荷模式中，低冰速的準靜態(tài)破壞和中冰速的結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)振動對冰區(qū)海洋結(jié)構(gòu)物影響明顯，應(yīng)重點予以考慮，本文主要針對2種情況下的冰載荷模型及測風塔的冰振響應(yīng)進行分析。

2.1 極值靜冰載荷

目前的海工結(jié)構(gòu)規(guī)范設(shè)計中，一般考慮地震、波浪、海流、風和海冰作用。通過將不同載荷轉(zhuǎn)化為等效靜力進而以此為依據(jù)設(shè)計海洋結(jié)構(gòu)物。對于抗冰結(jié)構(gòu)，一般重點考慮在極端靜冰載荷的作用下結(jié)構(gòu)的強度、剛度要求。通過多年對渤海導(dǎo)管架平臺冰力的直接測量，目前渤海石油平臺上常用直立結(jié)構(gòu)的極值靜冰力計算公式為

F=kDhσc

(1)

式中：F為總冰力，kN；k為折減系數(shù)，建議取值0.7；D和h分別為結(jié)構(gòu)直徑和冰厚，cm；σc為該處海域冰的單軸壓縮強度，MPa，渤海海冰壓縮強度可近似取2.0 MPa。

2.2 冰激穩(wěn)態(tài)振動

動冰載荷對結(jié)構(gòu)的危害巨大。當冰速較慢時，冰力的頻率接近結(jié)構(gòu)的固有頻率，結(jié)構(gòu)會發(fā)生自激穩(wěn)態(tài)振動。通過對比冰激穩(wěn)態(tài)振動發(fā)生時，結(jié)構(gòu)交變位移和交變冰力的同步時程發(fā)現(xiàn)冰力是一個周期性過程[9](見圖2)。冰激穩(wěn)態(tài)振動時結(jié)構(gòu)振動幅值較大，持續(xù)時間較長，對直立結(jié)構(gòu)的安全運行危害較大。

圖2 冰激穩(wěn)態(tài)振動時冰力和結(jié)構(gòu)振動位移時程曲線的頻率鎖定現(xiàn)象

文獻[1]構(gòu)建的冰激穩(wěn)態(tài)振動冰力簡化模型為三參數(shù)的三角時域模型，時域函數(shù)模型見圖3，表征產(chǎn)生自激振動的冰力隨時間的變化特征。

Fmax-冰力最大值，可保守取為極值靜冰力；ΔF=qFmax，q建議選取0.4；Fmean-冰力平均值；T-冰力周期，計算中可近似取為結(jié)構(gòu)固有周期；α-加載階段系數(shù)，建議取0.8。圖3 簡化的穩(wěn)態(tài)冰力模型

3 萊州灣某測風塔結(jié)構(gòu)冰振響應(yīng)分析

3.1 靜冰載荷與動冰載荷下結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析

基于文中相關(guān)計算方法，對萊州灣海域的某測風塔結(jié)構(gòu)的抗冰性能進行分析，根據(jù)《中國海海冰條件及應(yīng)用規(guī)定》，該海域的設(shè)計冰厚及測風塔結(jié)構(gòu)的極值冰力見表3。

表3 設(shè)計冰厚及極值冰力

考慮結(jié)構(gòu)自重，在結(jié)構(gòu)水線處施加50年一遇的極值靜冰力，進行靜力學分析，計算結(jié)果見圖4。

圖4 極值靜冰力下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖

在受到50年一遇的極值靜冰力作用下，X方向的最大位移量發(fā)生在結(jié)構(gòu)的頂端116.55 mm。根據(jù)《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，按非線性分析的自立塔結(jié)構(gòu)在以風載荷為主的載荷標準組合下的水平位移需滿足相關(guān)要求，即任意點的水平位移不得大于該點離地面高度的1/50(2 100 mm)；結(jié)構(gòu)的最大von Mises應(yīng)力發(fā)生在測風塔塔筒最下端處，其值為38.50 MPa且小于Q235鋼的容許應(yīng)力180 MPa。分析結(jié)果表明，測風塔結(jié)構(gòu)在受到50年一遇的極值靜冰力作用下，靜冰載荷引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)較小。

對結(jié)構(gòu)在不同設(shè)計工況下的靜冰載荷、冰激穩(wěn)態(tài)振動位移響應(yīng)進行分析。提取了測風塔有限元模型響應(yīng)點1～6(提取響應(yīng)點位置見圖5)，分別對應(yīng)于結(jié)構(gòu)標高10、30、50、70、90、100 m處，這些位置都安裝風速儀等相關(guān)儀表設(shè)備，對響應(yīng)較為敏感。

圖5 提取響應(yīng)點位置

對比結(jié)構(gòu)在靜冰載荷和冰激穩(wěn)態(tài)振動的結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)見表4。

表4 靜冰載荷與冰激穩(wěn)態(tài)振動下結(jié)構(gòu)響應(yīng)對比

由表4可見,兩種工況下的結(jié)構(gòu)動力放大系數(shù)相同，結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)遠大于靜載荷下的響應(yīng)；標高越高的地方，結(jié)構(gòu)的動力放大系數(shù)越大，動力放大現(xiàn)象越顯著。數(shù)據(jù)表明，此結(jié)構(gòu)在海冰作用下發(fā)生頻率鎖定現(xiàn)象時，動冰荷載是結(jié)構(gòu)的控制荷載，結(jié)構(gòu)相同標高處的動力放大系數(shù)相同。冰激穩(wěn)態(tài)振動對于測風塔上部設(shè)備(例如，響應(yīng)點6，動力放大系數(shù)達到6.7)安全運行存在隱患，應(yīng)當進一步研究冰激穩(wěn)態(tài)振動對結(jié)構(gòu)的危害。

3.2 測風塔結(jié)構(gòu)冰激穩(wěn)態(tài)振動分析

3.2.1 結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)分析

加速度是評價結(jié)構(gòu)及設(shè)備安全的指標之一，為了研究測風塔結(jié)構(gòu)發(fā)生冰激穩(wěn)態(tài)振動時對結(jié)構(gòu)及其附屬部件的危害，計算分析得到了測風塔在以下4種工況下發(fā)生頻率鎖定時的結(jié)構(gòu)響應(yīng)加速度，見表5。由于目前我國缺乏在冰激振動下結(jié)構(gòu)的振動規(guī)范，故參考《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》結(jié)構(gòu)振動相關(guān)規(guī)定，見表6。

表5 測風塔結(jié)構(gòu)在不同工況下的冰激穩(wěn)態(tài)振動加速度響應(yīng)

表6 抗震設(shè)防烈度和設(shè)計基本地震加速度值的對應(yīng)關(guān)系

該測風塔結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防烈度為8度，即結(jié)構(gòu)振動應(yīng)當控制在0.20g以內(nèi)。由表5可見，在1年一遇的冰況下結(jié)構(gòu)標高100 m處不滿足設(shè)計要求；對于50年一遇的冰況，在標高50 m以上的結(jié)構(gòu)響應(yīng)就不滿足設(shè)計要求。表明在海冰作用下此結(jié)構(gòu)發(fā)生頻率鎖定現(xiàn)象時，結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)劇烈。從渤海導(dǎo)管架平臺現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，冰激穩(wěn)態(tài)振動有時會長達幾分鐘，若長期處于此種工況下不利于儀器的正常運行及上部塔架結(jié)構(gòu)的安全，因此，需要采取措施，避免結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)振動的發(fā)生，例如,加裝抗冰錐體等。

以1年一遇極值冰況為例，提取結(jié)構(gòu)響應(yīng)點1(標高10 m處)、響應(yīng)點5(標高90 m處)的X方向(海冰作用方向)的加速度響應(yīng)見圖6。

圖6 X方向加速度響應(yīng)

由圖6可見，不同位置的響應(yīng)時程曲線不同。在標高10 m處，結(jié)構(gòu)振動頻率較高；標高90 m處，振動頻率相對較低，且加速度幅值隨著時間推移，出現(xiàn)了明顯的放大現(xiàn)象，并逐步趨于穩(wěn)定。長期的冰激穩(wěn)態(tài)振動也會加劇結(jié)構(gòu)的疲勞失效。

3.2.2 結(jié)構(gòu)響應(yīng)隨高度的變化趨勢

研究測風塔結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)分布，對測風塔結(jié)構(gòu)的安全運行及改造都有著重要的意義。以1年一遇、50年一遇極端冰況為例(其他極端工況具有同樣趨勢)，對結(jié)構(gòu)各個響應(yīng)點的X方向位移極值和加速度極值進行提取，見圖7、8。

圖7 各個響應(yīng)點X方向位移極值

由圖7可知，隨著測風塔結(jié)構(gòu)高度的增加，結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)越來越大，在響應(yīng)點3以后結(jié)構(gòu)的響應(yīng)增長速率迅速增加。可能是由于塔架設(shè)計截面隨高度逐漸變小，使得上部剛度較小，易變形，進而導(dǎo)致位移極值隨著響應(yīng)點位置的提升增加迅速。

由圖8可知，隨著結(jié)構(gòu)高度的增加，加速度響應(yīng)整體上也隨之增加，但在響應(yīng)點4處，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)明顯提高且高于響應(yīng)點5處的加速度。由于標高70 m處，塔架截面進一步減小，上部劇烈的響應(yīng)引起了該處加速度幅值的提高，應(yīng)對結(jié)構(gòu)70～80 m部分的截面面積進行適當?shù)脑龃笠蕴嵘撎幍木植縿偠取?/p>

圖8 各個響應(yīng)點X方向加速度極值

3.3 標高10 m工作甲板法蘭連接處振動響應(yīng)

標高10 m處也是工作甲板與上部塔架的法蘭連接處。在冰厚為6.6、14.4、29.7、34.9 cm且發(fā)生冰激穩(wěn)態(tài)振動的工況下，對4根主立柱與工作平臺連接處的法蘭盤的加速度數(shù)據(jù)進行提取分析，見圖9。圖中(6.6，0.021)代表在6.6 cm冰厚的工況下，工作甲板法蘭連接處加速度響應(yīng)為0.021g。

圖9 工作甲板法蘭連接處的加速度響應(yīng)

由圖9可知，法蘭連接處振動響應(yīng)隨著冰厚的增加逐漸增大，且基本上呈現(xiàn)線性的關(guān)系，極端冰況下可達到0.12g。由于穩(wěn)態(tài)振動發(fā)生時的持續(xù)時間會比較長，在較大冰厚發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動時，長期強烈的振動響應(yīng)可能會使法蘭緊固螺栓的松動[10-11]，影響測風塔結(jié)構(gòu)的安全運行。

4 結(jié)論

1)海上測風塔結(jié)構(gòu)屬于直立窄體結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)與渤海導(dǎo)管架平臺基頻相近，窄體結(jié)構(gòu)冰力模型適用于測風塔。

2)靜冰載荷引起的測風塔響應(yīng)較小，但動冰載荷對該結(jié)構(gòu)的危害較大。在設(shè)計中應(yīng)重點考慮動冰載荷對結(jié)構(gòu)的影響。

3)該測風塔對抗冰性能的考慮不足。在冰載荷作用下，若發(fā)生穩(wěn)態(tài)振動，會對結(jié)構(gòu)本身及上部設(shè)備造成危害，工作甲板法蘭處可能會因振動劇烈而產(chǎn)生疲勞失效。該測風塔結(jié)構(gòu)應(yīng)該采取措施以避免穩(wěn)態(tài)振動的發(fā)生。