海洋平台-摇摆柱结构体系设计方法验证

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(1.青岛理工大学 土木工程学院， 山东 青岛 266033； 2.中国金茂青岛公司, 山东 青岛266071)

0 引 言

海洋平台体积庞大，结构复杂，造价昂贵，所处海洋环境也十分恶劣，传统的减振方法如加强平台结构刚度耗散振动能量，不仅会增加结构造价，由于结构复杂性和外荷载不确定性，也难以达到预期的效果[1]。曲哲[2]通过研究摇摆墙-框架结构的变形模式与摇摆墙刚度之间的关系，分析指出在不同的振动作用下摇摆墙-框架结构变形模式能够得到有效控制。张纪刚等[3]考虑到海冰作用将摇摆墙改为摇摆柱体系应用于JZ 20-2海洋平台结构，提出一种新型海洋平台结构形式——基于摇摆柱的海洋平台结构体系[4]。研究表明此结构体系可以有效控制平台结构的振动响应，降低造价。张纪刚等以JZ 20-2北高点井口海洋平台为实例，提出一套适用于此海洋平台的连接杆和摇摆柱的设计方法。本文在此设计方法基础上，研究摇摆柱减振作用对不同刚度海洋平台的适用性，并以JZ 20-2MUQ导管架式海洋平台为实例，根据此设计方法设计附加于JZ 20-2MUQ海洋平台摇摆柱结构体系中的摇摆柱，分析并检验JZ 20-2MUQ海洋平台-摇摆柱结构体系在冰力荷载下的减振效果。

1 基于摇摆柱的JZ 20-2北高点井口海洋平台概况

JZ 20-2北高点井口海洋平台为导管架式海洋平台，该平台由桩腿、导管架、导管架端帽、下层甲板、上层甲板和停机坪等6部分组成，如图1所示，结构总高24.8 m，设计水深15.5 m，平台设计服役期20年。该平台位于中国冬季结冰最严重的辽东湾，冰激振动[5-6]是影响海洋平台安全及正常使用的重要因素；对于导管架平台结构，极限冰力[7]是引起结构破坏的最主要因素。考虑该平台上部结构柔弱和海冰影响，张纪刚等提出基于摇摆柱的海洋平台结构体系，具体形式如图2所示，摇摆柱与基础铰接、海洋平台和摇摆柱之间通过连接杆铰接连接形成摇摆体系。

图1 JZ 20-2北高点井口海洋平台

2 海洋平台-摇摆柱结构体系设计方法的刚度适用性

图2 摇摆柱的海洋平台模型

利用有限元软件ANSYS将JZ 20-2海洋平台简化为三维空间框架， 计算其在冰力荷载下的动力响应，选取具有代表性的导管架端帽(124节点)、下层甲板(185节点)、上层甲板(290节点)和停机坪(500节点)等4个节点进行抗冰分析。所取冰力荷载为渤海石油公司在1990年海冰作用时实测得到的一条挤压冰，挤压冰力时程曲线如图3所示。

JZ 20-2海洋平台-摇摆柱结构体系设计方法是在百年一遇冰荷载工况下，对代表性节点进行最大位移和最大加速度的抗冰分析，总结出一套有关连接杆和摇摆柱与海洋平台刚度比的设计方法。现改变海洋平台的刚度，增加或减小相应倍数的冰力，进行不同海洋平台刚度冰力荷载下结构体系的瞬态动力计算，选取代表性节点进行最大加速度和最大位移的抗冰分析，并与原平台结构进行对比分析。在不同海洋平台刚度下各点的最大位移、加速度见表1，各节点最大位移、最大加速度与刚度关系如图4～图6所示。

图3 冰力时程曲线

刚度系数平台124节点最大位移/cm 最大加速度/(cm·s-2)185节点最大位移/cm 最大加速度/(cm·s-2)500节点最大位移/cm 最大加速度/(cm·s-2)0.7倍刚度0.9倍刚度1.5倍刚度2.0倍刚度2.5倍刚度3.0倍刚度5.0倍刚度7.0倍刚度10.0倍刚度原平台11 264 17 370 28 368 加摇摆柱11(0%)294(-11%)14(18%)431(-16%)22(21%)544(-48%)原平台11 308 18 429 37 567 加摇摆柱11(0%)278(10%)15(17%)401(7%)25(32%)423(25%)原平台11 465 18 730 34 1 230 加摇摆柱10(9%)356(23%)15(17%)467(36%)28(18%)714(42%)原平台12 528 20 783 36 1 240 加摇摆柱10(17%)478(9%)16(20%)683(13%)28(22%)1 035(17%)原平台13 430 24 605 41 1 725 加摇摆柱10(23%)480(-12%)16(33%)750(-24%)26(37%)1 565(9%)原平台12 444 22 664 39 1 714 加摇摆柱9(25%)458(-3%)15(32%)712(-7%)25(36%)1 520(11%)原平台11.9 417 21 874 35 1 811 加摇摆柱9.3(22%)470(-13%)13.8(34%)828(5%)19.5(44%)1 559(14%)原平台10.5 445 17.2 919 30 1 866 加摇摆柱8.6(18%)550(-24%)13.1(24%)975(-6%)21(30%)1 660(11%)原平台9.9 416 16.7 884 28.5 1 963 加摇摆柱8(19%)597(-44%)12(28%)997(-13%)19.4(32%)1 705(13%)

图4 124节点最大位移、最大加速度与刚度的关系

图5 185节点最大位移、最大加速度与刚度的关系

图6 500节点最大位移、最大加速度与刚度的关系

由表1可以看出：海洋平台刚度减小到0.7倍时，与原平台结构相比，海洋平台-摇摆柱结构体系中各节点最大加速度增大，即若平台刚度过小，摇摆柱会对原平台结构造成拖曳，形成一定负作用。海洋平台刚度增大到2.5倍时，海洋平台-摇摆柱结构体系中124节点和185节点最大加速度小幅度增加，随着海洋平台刚度增大，位移无明显变化，但是海洋平台-摇摆柱结构体系中节点最大加速度会增大，影响结构安全及正常使用。由此可知，海洋平台刚度越大，摇摆柱无明显作用或者反而出现负作用，还在一定程度上增大了造价。如图4～图6所示，最大位移随刚度变化有规律可循，大于5倍平台刚度下，位移反应大幅减小但又大幅增加了造价，故刚度在0.9～1.5倍刚度范围内，位移反应最平稳，减振效果最佳。最大加速度随刚度增大不断增加，但是可以看出刚度越小，加速度反应越小。由于海洋平台结构上部比较柔弱，由表1可知在海洋平台-摇摆柱结构体系中，施加摇摆柱对500节点最大加速度和位移有一定减小作用，故综合考虑，海洋平台刚度在0.9～1.5倍原平台刚度范围内，摇摆柱减振效果最明显。

3 海洋平台-摇摆柱结构体系设计方法验证

3.1 基于摇摆柱的JZ 20-2MUQ海洋平台

JZ 20-2MUQ平台为导管架式海洋平台，它位于辽东湾北部，处在中国冬季冰情最严重的海域。设计水深15.5 m，平台概貌如图7所示。该平台主要由导管架、设备层(甲板)和生活区3大模块组成，4条桩腿水面位置都安装了抗冰锥体，结构简图及标高如图8所示。

图7 JZ 20-2MUQ平台 图8 JZ 20-2MUQ平台标高图

图9 JZ 20-2MUQ海洋平台-摇摆柱结构模型

为减小作用在结构上的冰荷载，在标高EL.-3.500 m～EL.+5.850 m之间部位未设斜撑，故该部位相对比较薄弱。经ANSYS计算分析可知，该部位加速度和位移值较大，影响平台的正常使用。现根据JZ 20-2北高点海洋平台-摇摆柱结构体系设计方法设计适用于JZ 20-2MUQ平台的摇摆柱和连接杆的刚度，并将其附加在平台上形成JZ 20-2MUQ海洋平台-摇摆柱结构体系，模型如图9所示。摇摆柱与基础铰接，海洋平台与摇摆柱之间通过连接杆铰接连接形成摇摆体系。

3.2 平台刚度分析

假定海洋平台结构为理想弹性结构，利用ANSYS软件在海洋平台冰荷载作用位置对平台施加1 mm的水平位移，提取基底反力，即可得到平台结构的侧向刚度为K=9.80×107N/m。

JZ 20-2北高点井口海洋平台侧向刚度为K=8.35×107N/m，可知两个平台刚度比为1.174，属于上述摇摆柱减振效果较明显的海洋平台刚度范围。

JZ 20-2北高点海洋平台-摇摆柱结构体系设计方法提出了最优刚度比：连接杆与海洋平台侧向刚度比为70∶1，摇摆柱刚度比为5%。依据此刚度比设计JZ 20-2MUQ海洋平台-摇摆柱结构体系，可知连接杆刚度为6.86×109N/m，摆柱刚度为4.90×106N/m。

3.3 平台冰激振动分析

由于JZ 20-2MUQ海洋平台刚度较大，本身可以抵御百年一遇工况下的渤海冰力，为体现摇摆柱的减振效果，将上述最大静冰力增大1.5倍，依然采用3个挤压冰力时程，计算结构在冰荷载下的振动响应，选取具有代表性的节点下部水平层(175节点)、底层甲板(241节点)、顶层甲板(650节点)和生活区顶部(1 200节点)等4个节点，提取4个节点最大位移和最大加速度进行抗冰分析。175节点位于平台下部水平层，响应值较小，为减小篇幅只列出了上部3个节点的最大位移和最大加速度，如表2所示。

表2 不同挤压冰下各节点最大位移和最大加速度

由表2可以看出：JZ 20-2MUQ海洋平台-摇摆柱结构体系减振效果非常明显，其中：在push 1作用下，1 200节点最大加速度减小了31%，最大位移减小了43%；在push 2作用下，650节点最大加速度减小了49%，最大位移减小了34%；在push 3作用下，650节点最大加速度减小了44%，最大位移减小了27%。生活区顶部是结构薄弱部位，施加摇摆柱后最大位移和最大加速度普遍大幅度降低，更利于结构安全以及提高工作人员的舒适度。依据JZ 20-2北高点海洋平台-摇摆柱结构体系设计方法确定的摇摆柱和连接杆的刚度对JZ 20-2MUQ海洋平台是有利的，减振效果非常明显，证明上述设计方法有效。

4 结 论

以JZ 20-2北高点海洋平台-摇摆柱结构体系设计方法为基础，通过计算分析不同海洋平台刚度下结构的动力响应，并与原平台结构进行对比，得出刚度范围。依据此设计方法，对JZ 20-2MUQ海洋平台-摇摆柱结构体系进行设计，计算该结构体系在冰荷载下的动力响应,得出以下结论：

(1) 海洋平台刚度过小，在冰力作用下摇摆柱反而会对海洋平台形成拖曳，造成结构失稳甚至破坏；海洋平台结构刚度过大，在冰力荷载作用下平台结构本身足够抵抗冰力，施加摇摆柱对于减小结构位移有微小的影响，但却增加了节点最大加速度。因此，海洋平台刚度在0.9～1.5倍原平台刚度范围内，摇摆柱能充分发挥作用，结构体系减振效果最明显。

(2) 选取同处辽东湾的JZ 20-2MUQ导管架海洋平台，依据JZ 20-2北高点海洋平台-摇摆柱结构体系设计方法设计适用于JZ 20-2MUQ海洋平台-摇摆柱结构体系的摇摆柱和连接杆刚度，计算分析在同等冰力工况下结构的动力响应。研究发现，JZ 20-2MUQ海洋平台-摇摆柱结构体系减振效果非常明显，各节点最大加速度和最大位移均降低，最大加速度减小了49%，最大位移减小了43%。

(3) 基于摇摆柱的海洋平台结构体系减振效果良好，研究发现，JZ 20-2北高点海洋平台-摇摆柱结构体系设计方法有效，同样适用于刚度与JZ 20-2平台刚度相近或在0.9～1.5倍刚度范围内的导管架式海洋平台的抗冰分析，对提高海洋平台的安全性以及保证平台正常使用具有实际意义。