（固体力学专业论文）海洋平台冰激振动控制装置——TLD的研究.pdf

大连理i ：大学硕士学俺论文 摘要 近几年在渤海辽东湾多座平台的现场监测表明，渤海导管架平台存在比较剧烈的冰 激振动现象，并直接威胁着平台的安全。渤海油田属于边际油田，按照传统的增加结构 整体刚度降低冰激振动势必增加平台造价。为减小平台振动，降低造价，本文对调谐液 体阻尼器( t l d ) 在海洋平台抗冰振中的应用进行了研究。t l d 是一种被动控制系统，它 是利用固定水箱中液体晃动产生的动水压力提供减振力的一种装置。t l d 具有造价低， 安装方便，维护简单等特点，还可兼作储液容器，对于边际油田的海洋平台来说具有广 泛的应用前景。 鉴于此，本文主要开展了以下研究工作： 论证了t l d 在海洋平台抗冰振应用的可行性。通过对t l d 减振原理的研究以及对 渤海冰区导管架平台的冰激振动特性的论述，认为利用矩形深水t l d 系统减冰振存在 可行性。 对t l d 现有的理论计算方法进行了介绍和评价，选用深水理论对t l d 的减冰振效 果进行了验证，仿真计算结果表明，通过合理的选择t l d 系统的各项参数，能够降低 海洋平台的冰振响应。该结论为t l d 系统在海洋平台中的应用提供了理论依据。 构建了半实物仿真试验系统并研制了t l d 的试验模型。在该试验系统中，原结构 以及外载荷可以通过仿真系统进行模拟，利用移动台再现结构真实响应，对控制模型进 行实物试验。针对渤海冰区海洋平台的结构特性利用调谐原理研制了t l d 的试验模型， 扫频试验表明研制的t l d 模型频率与理论预算频率吻合。 根据t l d 的减振原理，提出可以从t l d 附加阻尼力的角度衡量t l d 的减振效果， 并利用构建的半实物仿真试验系统在简谐和确定性冰力函数激励下对t l d 系统进行了 测试。结果表明，该系统能够较准确的测量到t l d 在运动过程中产生的附加等效阻尼 力，t l d 在共振区有显著的减振作用。 但是，由于t l d 模型尺寸较小，在随机冰力函数下的试验效果并不理想。未来的 研究中，将利用半实物仿真系统对大比尺模型在实际冰力时程激励下进行试验，对t l d 在海洋平台抗冰振中的应用提供更有效的依据。 关键词：海洋平台；调谐液体阻尼器( t l d ) ；冰振控制；半实物仿真系统；室内试验 苎蔓墼查堂婴兰塑墼 s t u d yo nm i t i g a t i n gi c e - i n d u c e dv i b r a t i o no f o f f s h o r ep l a t f o r m su s i n gt l d a b s t r a c t i ti si n d i c a t e dt h a tt h ei c e i n d u c e dv i b r a t i o no fi c e r e s i s t a n tp l a t f o r m si sq u i t ei n t e n s i v e a n dd i r e c t l ye n d a n g e r st h es t r u c t u r a ls a f e t ya c c o r d i n gt ot h ef i e l dd a t am o n i t o r e do ns e v e r a l p l a t f o r m si nt h el i a o d o n gb a yo fb o h a is e ai np a s ty e a r s b o h a ib a yi sam a r g i no i lf i e l d t h e t r a d i t i o n a lm e t h o di si m p r o v i n gt h ei n t e n s i t ya n ds t i f f n e s so fs t r u c t u r e ，w h i c hw i l li n e a s et h e p r o d u c t i o nc o s to fj a c k e tp l a t f o r m s i no r d e rt or e d u c ev i b r a t i o no fp l a t f o r m sa n dp r o d u c t i o n c o s t ，t h et u n e dl i q u i dd a m p e r ( t l d ) i ss t u d i e di nt h i st h e s i s t l di sap a s s i v ec o n t r o ld e v i c e i ti sar i g i dt a n kt h a tu s i n gt h eh y d r o d y n a m i cp r e s s u r eo ft h et a n kt or e d u c et h ev i b r a t o r y r e s p o n s e t l dh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fl o wf a b r i c a t i o nc o s t s c o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o n s i m p l e m a i n t e n a n c e ，i ta l s oc a nb eu s e di ns t o r a g et a n k ，a n dh a sa ne x t e n s i v ea p p l i c a t i o np r o s p e c to n t h ep l a t f o r m si na m a r g i no i lf i e l d t h e r e f o r e ，t h et h e s i sd e v e l o p sf o l l o w i n gi n v e s t i g a t i o n ： t h ef e a s i b i l i t yo ft h et l do n p l a t f o r n l i c e i n d u c e dv i b r a t i o n s u p p r e s s i o n i s d e m o n s t r a t e d t h er e s e a r c h e so fb a s i cp r i n c i p l eo fs u p p r e s s i n gs t r u c t u r a lv i b r a t i o na n dt h e d y n a m i cc h a r a c t e ro fi c e i n d u c e dv i b r a t i o no ft h ej a c k e tp l a t f o r m sa r ep r e s e n t e d a n dt h e ni ti s f o u n dt h a ti t sp o s s i b l et om i t i g a t ei c e i n d u c e dv i b r a t i o no fp l a t f o r m si nb o h a ib a y b yu s i n g t h er e c t a n g u l a rd e e pt l d t h ee f f e c t i v e n e s so ft l di ns u p p r e s s i n gi c e i n d u c e dv i b r a t i o no fp l a t f o r mi sc a l c u l a t e d t h ec u r r e n tr e s e a r c h e so ft h et h e o r e t i c a lc o m p u t a t i o ni sp r e s e n t e da n de v a l u a t e d t h ed e e p w a t e rt h e o r yi ss e l e c t e dt ov a l i d a t et h ee f f e c t i v e n e s so ft l dt om i t i g a t ei c e i n d u c e dv i b r a t i o n i ti ss h o w e dt h a tr e s p o n s e so ft h ep l a t f o r mu n d e ri c ee x c i t a t i o nc a nb es u b s t a n t i a l l yr e d u c e di f t h ep a r a m e t e r so ft l da r es e l e c t e da p p r o p r i a t e l y t h er e s u l t sc a np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i st o t h ea p p l i c a t i o no ft l d ah a l f - e x p e r i m e n tw i t hh a l f - s i m u l a t i o nt e s ts y s t e ma n dt h et e s tm o d e lo ft l da r e d e s i g n e da n ds e tu d 1 1 l ea c t u a ls t r u c t u r ea n de x c i t a t i o nc a nb es i m u l a t e di nt h es i m u l a t i o n s y s t e m t h er e s u l t sw h i c hi st 1 1 er e s p o n s eo ft h es t r u c t u r ei sr e p r e s e n t e db yt h em o v i n gt a b l e t h em o d e lo ft l di st e s t e do nt h em o v i n gt a b l ea st h ea c t u a lp a r t t h ef e a s i b i l i t yo ft h i st e s t s y s t e mi sp r o v e db ya n a l y z i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft m d ；t h ev a l i d i t yo ft h et e s tm o d e l d e s i g ni sv e r i f i e db yc o m p a r eo ft h ef r e q u e n c yo ft h es w e p tt e s ta n dt h et h e o r e t i c a lo n e t h i st e x ts t u d i e st h er e a c t i o nf o r c eo ft h et l db a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft l di nv i b r a t i o n c o n t r o lf o rs t r u c t u r ea n dv a l i d a t e dt h ee f f e c t i v e n e s so ft l d h a r m o n i ca n ds i m p l ei c el o a d 堂堂兰鱼燮垫鳖鱼! 薹墨二二里里盟旦至 f u n c t i o ne x c i t a t i o n sa r eu s e dt ot e s tt h ef o r c eo ft l d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee x p e r i m e n t a l f o r c e sr e s u l t sa g r e ew e l lw i t l lt h et h e o r e t i c a lo n e 。a n dt h es i g n i f i c a n te f f e c tt or e d u c ev i b r a t i o n t h r o u g ht l dc a nb eo b s e r v e di nt h er e s o n a n c ea r e ao f t l ds y s t e m h o w e v e r t h et e s tr e s u l t so ft l ds y s t e mu n d e rt h er a n d o mi c el o a df i m c t i o ne x c i t i n ga r e n o ts a t i s f y i n gd u et ot h es m a l ls i z eo ft h et a n k ab i gs i z em o d e lw i l lb ed e s i g na n dt e s t e d u n d e rt h ea c t u a li c el o a de x c i t a t i o ni nt h ef u t u r es t u d y k e yw o r d s ：o f f s h o r ep l a t f o r m ；t u n e dl i q u i dd a m p e r ( t l d ) ；i c e i n d u c e dv i b r a t i o n c o n t r o l ；h a l f - e x p e r i m e n tw i t hh a l f - s i m u l a t i o nt e s ts y s t e m ；t e s t i nt h el a b o r a t o r y 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期：翌王丛鳗 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：i ：! ：整 导师签名 2 2 年j 正月垃日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景简介 本课题研究海洋平台结构系统的冰振控制技术。本文的研究目的是利用调谐液体阻 尼器( t l d ) 以降低海洋平台冰激振动响应，其内容包括：( 1 ) 针对渤海湾海域的海 冰特点为平台结构提供动力吸振控制方案；( 2 ) 研制具有平台抗冰振作用的调谐液体 阻尼器装置；( 3 ) 建立一套室内试验系统用以测量调谐液体阻尼器在运动过程中对结 构的附加阻尼力；( 4 ) 对试验结果与理论计算值进行了比较，证明了试验系统的可靠 性，并利用该系统对t l d 的减振效果进行了测试。 本文的研究工作是“8 6 3 ”国家高技术研究发展计划“新型平台抗冰振技术“( 编 号2 0 0 3 a a 6 0 2 1 5 0 ) 项目的部分内容。 1 2 工程背景与研究意义 海洋平台结构是海洋油气资源开发的基础性设施，是海上生产作业和生活的基地。 海洋平台结构复杂、体积庞大、造价昂贵，作为海上石油开采的主体结构，集中了各种 先进的设计与制造技术。特别是与陆地结构相比，它所处的海洋环境十分复杂和恶劣。 风、海浪、海流，海冰荷载和潮汐时时作用于结构，在地震带上的海域同时还受到地震 的威胁。 在高纬度海域海冰对结构的作用是海洋平台结构设计和安全运营的重要影响因素。 冰荷载是高纬度海域海洋平台结构设计考虑的主要环境荷载之一；在冰情严重的海域， 冰荷载甚至超越其它荷载，成为海洋平台结构设计的控制荷载；冰连续的作用引起结构 剧烈振动，影响平台工作人员的安全和舒适性，也给平台上部设施造成故障隐患，直接 影响生产作业；同时，长期大幅度振动引起结构的疲劳累计损伤，会导致结构抗力衰减， 甚至可能使结构因抗力不足而失效。1 9 6 4 年冬，美国阿拉斯加库克湾两座新建成的钻井 平台就是被海冰推倒。 渤海是我国重要的海洋油气开发基地，也是我国惟一冬季结冰的内海。从莱卅i 湾、 渤海湾到辽东湾，每年都会出现不同程度的冻冰，其中以辽东湾最为严重。冰对海洋平 台结构的作用是一个动力过程，结构在动冰力作用下产生冰致振动，直接影响平台的正 常生产和安全【l 】。以渤海j z 2 0 2 油气田的生活动力平台j z 2 0 2 m u q 平台为例，它位于 辽东湾北部，根据对其振动分析以及实测结果，该平台的冰致振动非常严重，实测 2 0 3 0 c m 厚单冰作用下平台结构振动加速度最高达3 0 0 9 a l 【2 】。并且长时问的连续冰激振 海洋平台冰激振动控制装置t 1 d 的研究 动会导致平台疲劳损坏，酿成重大的海难事故，渤海老二号平台就在冰激作用下倒塌于 冰水之中3 1 。 目前，我国海洋平台结构的设计思想仍然是传统的设计思想，即主要以刚度设计为 主。在我国渤海海域，每年冬季都有海冰出现，由于海冰的流速大，冰振现象比较严重， 造成平台上部工作区振动加速度过大，除使人感到不舒适和易造成设备损坏外，还会使 结构产生疲劳效应，缩短平台寿命。按传统的设计思想单纯增加结构刚度的方法，难以 达到预期减振效果，又大大提高了海洋平台的造价，这对边际型油田尤为不经济。如何 在满足预定要求的前提下，降低海洋平台的造价，仍是目前摆在研究工作者面前的复杂 而艰巨的任务，其理论难度大、应用前景广阔。与传统的设计方法相比，振动控制设计 可改善海洋平台性能或者降低平台造价，从而降低开采成本，并将带来巨大的经济效益。 因此，海洋平台结构的振动控制成为土木工程结构中最具代表性和挑战性的热点问题。 本文币是采用属于结构振动控制中的一种被动控制装置，即调谐液体阻尼器( t l d ) 对海洋平台进行冰振控制，验证t l d 系统对海洋平台冰振控制的可行性，以期踌低海 洋平台在海冰载荷作用下的振动响应。 1 3 海洋平台结构振动控制方法研究现状与问题 随着我国海洋高科技计划的实施，作为海洋开发基础设施之一的海洋平台结构的研 究和建设正在受到国内科研机构和产业集团的高度重视。海洋平台是海上石油天然气资 源开发的基地，它是在无遮掩的海域设置的，需要经受住暴风、巨浪、坚冰、地震等恶 劣海洋环境条件的考验。平台受这些外部激励的作用会产生振动及噪声。有害的振动和 噪声会影响人员的健康，使设备仪器不能正常使用，同时降低结构的使用性能，严重的 甚至会导致结构的损坏【4 】。单纯的靠增加结构整体刚度费力大，收效微，从调整平台整 体的动力特性来看，传统的减振方法显得无能为力，结构振动控制的出现为工程设计和 建设开辟了一条新的途径。 所谓结构振动控制( 简称为结构控制) 技术，就是指通过采取一定的控制措施以减 轻或抑制结构由于动力荷载所引起的反应。自从美籍华人y a oj t p t 5 1 1 9 7 2 年结合控制理 论，首次提出结构振动控制的概念以来，结构振动控制的研究和应用越来越得到人们的 广泛关注和重视，目前已成为结构工程振动工程领域最具前沿性的发展方向之一。结构 振动控制最常用的分类方法是按照是否需要外部能量驱动控制机构将结构控制分为被 动控制、主动控制、半主动控制，以及近年发展起来的混合控制。如图1 1 所示。 2 大连理工大学硕士学位论文 图1 1 结构振动控制分类 f i g 1 1m e t h o d so fs t n i c m r a lv i b r a t i o nc o n t r o ls y s m m 振动控制发展至今，已经成为传统结构设计的一个有力辅助工具，使设计思想从仅 仅靠增加结构刚度来抵抗外载，发展成为追求新的质量、刚度和阻尼分布，追求达到一 种资源的最佳配置，即在同样的造价下，采用振动控制设计可以得到性能更优的设计方 案，而在同样的性能要求下，振动控制设计往往能够得到造价更低的设计方案。 鉴于振动控制技术的优势，为了减小环境动力载荷对海洋平台和上部组块的作用， 国内外研究者们对应用于海洋平台中的结构振动控制技术进行了广泛的研究。k e l 6 通过 在导管架海洋平台的斜撑上安放粘弹性阻尼器，增加结构的阻尼，减小结构的动力响应： v i n c e i l z o 和r o g e r l 7 1 则在平台结构中设置主动质量阻尼器( a m d ) 系统以减轻涡漩产生 的振动；欧进萍等【8 】采用粘弹性耗能器对海洋平台结构进行冰致响应控制；陆建辉等【9 】 针对单自由度海洋石油平台模型进行了t m d 振动控制分析；王翎羽等【1 川将t l d 用于海 洋平台进行了减冰振的研究和试验，并取得了较好的效果；李宏男等l 采用单自由度海 洋平台模型将t l d 用于海洋平台进行了减振研究；欧进萍等【1 2 】采用两个自由度的海洋 平台模型对导管架式海洋平台结构阻尼隔振体系及其减振效果进行了分析；李宏男等【l 3 】 采用神经网络半主动调液柱型阻尼器( t l c d ) 对海洋平台固定式平台进行振动控制研 究。 海洋平台冰激振动控制装置1 1d 的研冗 虽然众多学者对海洋平台结构控制进行了一些研究，但与振动控制在高层建筑、大 跨度桥梁工程方面的成功应用相比，振动控制在海洋平台工程方面的应用还处在起步阶 段。目前海洋平台振动控制的研究还主要局限于少量的理论研究，而真正把振动控制作 为海洋平台的一种设计方法来进行系统性的研究还没有。海洋平台振动控制面临的主要 问题是缺乏具有针对性的振动控制装置以及相应的配套技术。另外，海洋平台振动现象 实验室再现困难也是导致海洋平台振动控制应用的困难之一。尤其是针对渤海冰区的海 洋平台，冬季冰激问题严重，且平台寿命均已接近年限，研制经济有效的减冰振装置对 于边际油田来说是一种值得尝试的工作。 1 4t l d 的研究进展 在结构控制技术中，被动控制是一种不需要外部能量输入提供控制力，控制过程不 依赖于结构反应和外界干扰力信息的控制方法【6 1 。其中的动力吸振技术是通过将结构振 动的一些能量传递给附加的子系统来降低结构振动的。其原型最早出现在1 9 0 9 年， f r a h m 发明了一种结构振动控制装置被称为动力吸振器( d v a ) 1 5 l 。目前，动力吸振技 术已成为实施振动控制的重要手段。从原理上来说，土木工程领域研究和应用较为广泛 的调谐质量阻尼器( t m d ) 和调谐液体阻尼器( t l d ) 均属于吸振器减振体系。 目前，在振动控制领域中最为普遍的做法是采用t m d 来减振。t m d 系统是在结构 顶层加上惯性质量，并配以弹簧和阻尼器与主结构相连，应用共振原理对结构的某一振 型加以控制。通常惯性质量可以是高层或高耸结构的水箱、机房或旋转餐厅。由于t m d 能有效的衰减结构的动力反应，安全、经济，已被广泛用作高层建筑、高耸结构及大跨 桥梁的抗震抗风装置1 1 5 o 近年来的研究表明t m d 对抑制高层建筑的风振效应十分有效， 理论较为成熟，在实际工程中得到了成功的应用，如1 9 7 1 年建于澳大利亚的悉尼电视 塔，1 9 7 7 年建于美国波士顿的j o h nh a n c o c kt o w e r 大厦，1 9 7 8 年建于美国纽约的c i t y c o r p 中心大厦，都安装了调谐质量阻尼器“。 t l d 同样采用共振原理，依靠液体的振荡来吸收和消耗主结构的振动能量，减小主 结构的动力反应。与t m d 相比它有很多优点：1 ) 、经济：基本上不增加或只增加很少 的土建费用就可以达到减振的目的，较少的维护费用；2 ) 、简单易行：可方便的将盛 水容器放置在建筑物上：3 ) 、适合于长期或短期使用：4 ) 、自动激活性能好，即t l d 的晃动阻尼小，且不需设置启动装置；5 ) 、多用途：利用水箱可同时作为供水装置和 阻尼器。 t l d 作为控制装置早期被应用在航天和航海的技术中，如火箭燃料箱中野田燃料的 波动对火箭的影响，轮船的减摇水箱，空间卫星的转动轴振动阻尼器等。在土木工程中， 大连理：大学硕士学位论文 t l d 起步比较晚，1 9 7 9 年美国v a n d i v e r l l 8 】等首先利用固定式海洋平台上的储液罐作为 t l d 进行了储液罐一结构在波浪载荷作用下的动力反应分析，初步验证了t l d 的振动控 制效果。1 9 8 0 年，m o d i 等【l9 】首次提出利用液体阻尼器来抑制地面结构的风致失稳。1 9 8 6 年，k a r e e m 等1 2 叫进行了水箱结构的随机地震反应分析。1 9 8 7 年，t l d 首次应用于地 面结构物日本的n a g a s a k i 机场指挥塔的风振控制【2 ”。此后，t l d 对地面结构物动 力反应控制的研究引起了土木工程界学者和工程设计人员的广泛关注，目前在这一领域 已取得了一定的研究成果，并开始付诸于工程实践。日本学者通过对安装有t l d 的四 幢结构( 包括两个机场塔，一个观测塔和一个高层旅馆) 进行了实测，结果表明t l d 能显著的提高结构的耐用性，可取得很好的风振控制效果。目f ；i ，t l d 在土木领域 中己取得一定的研究成果，并已付诸到了工程实践中。 1 4 1 t l d 的理论与试验研究 根据水箱形状的不同，调谐液体阻尼器可以分为两类，第一类是矩形、圆柱形或圆 环形的水箱( t l d ) ，第二类是一种u 型形状的管状水箱( t l c d ) 。本文论述的主要 是第一类t l d ，在t l d 中，圆环形水箱主要应用于旋转物体的振动中，如卫星：圆柱 形t l d 装置由于能较好的适应随机激励作用方向的任意性，起到各个方向的减振作用， 因此较能适用于结构刚度各方向大致相同的建筑物，如方形或圆柱形高层建筑物、广播 电视塔及机场嘹望塔等高柔特种结构；矩形t l d 适用于单方向激励或者正交激励的振 动控制，在理论研究和应用中最为广泛。 在第一类t l d 中根据水箱中液深与振动方向的尺寸之比，又可将其分为浅水t l d 和深水t l d ，液深与振动方向尺寸之比小于1 8 的水箱为浅水t l d ，否则为深水t l d 【z “。 ( 1 ) 浅水t l d 相对而言，浅水t l d 减振控制的理论和试验研究成果非常丰富，技术较为成熟。1 9 8 7 年，m o d i 等【2 3 】将浅水水箱中的液体分为边界层和边界层外两部分，用以克服线性波浪 理论和微幅波假设在浅水t l d 中不再适用的缺陷。f u j i n o 和s u n 等【2 4 j 基于浅水波理论 建立了矩形水箱中液体运动的非线性模型，并通过试验研究证实了非线性模型的有效 性，此模型已被多次引用。k o h 等【2 5 】在f u j i n o 和s u n 等提出的模型基础上研究了部分粘 性液体的运动模型，得到在任意载荷作用下逸散项的表达式。瞿伟廉等【2 6 j 根据f u j i n o 和s u n 等提出的矩形浅液t l d 制振的基本原理建立了t l d 对高柔结构风振控制的设计 方法，据此方法对珠海金山大厦主楼风振控制的设计计算表明，浅水t l d 对高柔结构 风振加速度的控制是十分有效的。任振华【2 7 】等从2 维不可压缩无粘流体方程出发导出直 角坐标系中的浅液波动方程并推广到3 维状态，同时进行了圆柱形水箱的浅液动力响应 海洋平台冰激振动控制装置n ，d 的研究 振动台试验，研究表明，试验值与理论值相吻合，并为南京电视塔设计了一套圆柱形 t l d 抗风振装置，理论分析表明，该装置能使电视塔结构在八级风中小塔楼处的最大加 速度相应下降1 2 5 。d o r o t h yr e e d 等【2 8 】通过振动台试验和数值分析，研究了矩形t l d 在大振幅激励作用下的动力特性。 ( 2 ) 深水t l d h o u s n e r 2 9 】是较早研究水箱内液体晃动特征的学者之一。他将液体晃动对箱壁产生 的液动压力分为脉冲压力和振荡压力，即用集中质量法模拟动液压力。k a r e e m 等【2 u j 基 于这一计算模型将地面运动模拟成平稳和非平稳随机过程，研究了矩形深水水箱一多自 由度结构体系在随机载荷作用下的动力响应。瞿伟廉等口o j 总结了用深水t l d 进行风振 控制的理论和设计方法。张敏政等t 3 1 】通过深水矩形水箱模型的正弦波激振试验，验证了 计算振荡水频率的理论公式，并通过地震模拟试验对水箱结构体系的地震反应进行了 数值模拟，验证了利用水箱减小高柔结构地震反应的有效性。理论计算表明，深水t l d 中液体晃荡阻尼对控制效果有明显的影响，但一般深水t l d 晃荡阻尼要比浅水t l d 弱， 减振频带窄，导致控制效果对频率不调谐程度十分敏感，在实际工程中难以直接应用。 目前，与浅水t l d 相比，深水t l d 减振控制的理论和实验研究成果较少，许多问题有 待进一步解决。 1 4 2 t l d 的工程应用 由于经过学者们大量的理论计算分析和试验验证，t l d 对结构的振动控制作用已得 到了工程界的首肯，并已将其应用到实际结构的振动控帝l j e e 。目前，t l d 装置至少在世 界范围内十几座高层建筑和高耸结构风振反应控制中得到应用。 ( 1 1 日本长崎n a g a s a k i 机场指挥塔【2 2 】 长崎机场塔位于一个平坦的小岛上，四面环海，塔架为钢结构，底部有4 m 高混凝 土基底，总高度为4 2 0 m ，塔身截面宽5 1 5 m 5 1 5 m ，塔楼为7 4 m + 7 4 m ，总重量为1 7 0 t ， 绕x 轴和y 轴的最小自振频率均为1 0 7 h z ，阻尼比为0 9 3 。 在1 9 8 7 年将t l d 的构想用于长崎机场指挥塔作为临时安装，目的在于减小风振效 果。这是t l d 首次应用于地面结构的振动控制实例。该塔的t l d 系统装置由圆柱形聚 氯乙烯水箱制成。每个圆柱高5 0 c m ，直径3 8 c m ，分为7 层，每层高7 e m ，水深4 8 e m ， 每层晃动频率调到与塔的自振频率一致，每个t l d 中水的质量为4 0 k g ，在塔楼的楼板 下布置了1 2 个t l d ，然后在塔楼上部各层楼梯问又分布了1 3 个t l d ，总共有2 5 个t l d ， 总重为i t ，是塔总重的o 5 9 ，第一振型广义质量的1 6 。实测表明，没有t l d 时阻 尼比为o 9 3 ，加设t l d 后阻尼比变为4 7 。为原结构的五倍。在风速为2 0 m s 时，x 大连理下大学硕士学位论文 方向位移减少3 5 ；y 方向位移减少5 0 。不设置t l d 时，结构振动加速度不能满 足国际住宅标准，装上t l d 后，振动加速度指标可以满足舒适标准，效果很显著。 ( 2 ) 日本s h i ny o k o h a m ap r i n c e 旅馆i l ，1 日本s h i n y o k o h a m a p r i n c e 旅馆建于1 9 9 2 年，为圆筒形结构，高1 4 9 4 米，外直径 为3 8 2 米，总重2 6 4 0 0 吨。它是世界上第一个安装t l d 的高层建筑。安装t l d 主要是 控制结构风振响应。该建筑物上共设有3 0 个t l d ，总水质量为1 0 1 7 吨，为建筑总质 量的o 3 9 ，第一广义振型质量的0 9 7 。每个t l d 高2 0 1 米，直径2 0 米，分9 层， 每层高0 2 2 米，每层水深均为o 1 2 米。t l d 中水的第一晃动频率与结构的基频之比为 0 9 7 。每层有1 2 个凸起物以消除液体涡运动和适当增加阻尼。加设t l d 后，对其风响 应进行了多尺度测量。当风速大于2 0 m s 时( 离地面1 6 0 米处) ，各项加速度减小到原 来加速度的5 0 7 0 。在风速为2 6 m s 时，没安装t l d 时该结构最大振动加速度超过 0 ，0 1 m l s 2 ，安装t l d 后各项加速度减小到0 0 0 5 m l s 2 ，低于i s o 标准规定的同样条件 下水平面最小有感觉的振动加速度o 0 0 6 m s 2 ，由此可知t l d 对结构的风振控制作用 十分明显。 ( 3 ) 同本横滨y o k o h a m a 导航塔【l s l 日本的横滨导航塔是横滨港的象征。它是一个高1 0 1 m 的具有十边形截面的钢塔架 结构。此塔在结构顶部安装了世界上最高的航标灯塔，中部高8 6 2 m 处有一个4 6 m 高 的观光塔楼，每天吸引大量的游客。此结构的第一自振频率为1 5 5 h z ，第二自振频率为 2 5 h z ，结构的阻尼比为0 6 根据在强风作用下的实测数据表明：导航塔的横向最大加 速度可达2 7 0 9 a l ，已远超过人体感觉不能忍受的界限1 5 0 9 a l ，因此在塔上设置了t l d 。 他们是用丙烯材料制成的圆柱形水罐，高o 5 m ，直径0 4 9 m ，共分十层。每层高0 0 5 m ， 水深o 0 2 1 m ，塔的波浪晃动频率也已调到与塔的第一频率致。在塔上共设了3 9 个 t l d ，全部安装在塔顶灯室内。由于每个t l d 的水重为4 l k g ，因此t l d 的水总质量 为1 5 9 9 k g ，是结构第一振型广义质量的l 。根据实测结果可知，安装t l d 后塔的阻尼 比为4 5 ，增大了7 倍，且在强风作用下塔的振动加速度减小到原来的1 3 ，横风向的 加速度最大值将小于1 0 0 9 a l ，可达到舒适度的要求。由此可知t l d 对导航塔风振反应 的减振效果十分显著。 ( 4 ) i k u c h i 悬索桥1 3 2 j 日本的i k u c h i 悬索桥为混合结构，中间主跨为钢梁，4 9 0 m ，边跨为预应力混凝土 梁，1 2 3 5 m 。基于风洞试验，决定采用液体阻尼器来消除1 2 0 米高独立塔因涡旋导致的 振动。这个独立塔的固有频率为o 2 5 h z ，从自由振动试验得到很低的0 2 的阻尼比。 为将塔的风振位移从4 0 0 m m 减小到2 0 m m ，在两个塔柱顶部分别安装5 m + 1 3 m 的矩形 海洋平台冰激振动控制装置- t l d 的研究 水箱作为t l d ，液深均为o 8 m o - 为增加水的振动阻尼，在水中加9 根十字形柱子，水 的质量为塔柱质量的0 9 5 。通过自由振动试验表明，安装t l d 后达到了预期设计目标。 图1 2 安装于s h i ny o k o h a m ap r i n c e 旅馆的t l d 容器 f i g 1 2 t h et l ds y s t e mi ns y p h 图1 3 安装于i k u c h i 悬索桥的t l d 装置 f i g1 3 t h et l ds y s t e mi ni k u c h ib r i d g e 1 5 本文主要研究工作 本文以渤海油田海洋平台冰振控制为工程背景，针对海洋平台结构冰致振动特点， 对调谐液体阻尼器控振方案进行了研究，基于t l d 的减振原理提出了通过t l d 的作用 力评价t l d 的减振效果的方法，并制作了调谐液体阻尼器试验模型进行了室内实验， 验证了t l d 的减振作用。 主要研究内容包括： 1 、针对渤海湾海域的海洋平台结构的实际情况和结构特点。基于平台结构模型的 研究分析表明，可以通过合理选择调谐阻尼器的安装位置和参数来降低结构冰激振动的 响应。 2 、对现有的t l d 的计算模型进行了简单的介绍，根据渤海湾海洋平台的结构特点， 选择深水模型理论对t l d 进行模型计算，利用仿真模拟，初步计算了t l d 的减振效果。 3 、为了进一步确定t l d 的减振效果，设计并构建了t l d 的室内试验系统，利用 d s p a c e 控制软件，采用h i l s 系统，在计算机中建立起了海洋平台的虚拟模型，可测 试任意比例t l d 装置的减振效果。 大连理工大学硕士学位论文 4 、设计并制作了t l d 的试验模型，对小尺度t l d 试验装置进行了实验室试验。 在简谐激励和确定性冰力函数下利用试验系统测得了t l d 在运动过程中对结构产生的 等效阻尼力，验证了t l d 的减振作用。 5 、总结本文的工作，并对后续将要开展的工作进行了展望，提出了下一步的工作 方案，为进一步研究t l d 系统在海洋平台抗冰振中的应用打下了基础。 海洋平台冰激振动控制装置nd 的研究 2 海洋平台应用t l d 减冰振的可行性 2 1 渤海湾冰区导管架平台结构介绍 我国渤海的油田有一半以上是属于边际油田，油田储量小、分散，同时处于结冰海 域，对于这样的冰区边际油田的开发是极具挑战性的，国际上没有先例。但由于我国渤 海是处于亚极区，其纬度属于结冰海域中最低的，因此渤海的冰情与其它极区，例如波 弗特海、阿拉斯加的库克湾相比，是相对较轻的，这使得开发渤海的冰区边际油田成为 可能。 2 1 1 渤海湾海洋平台发展概况 我国最早在1 9 6 6 年开始在渤海建造抗冰海洋平台，到目前为至，在渤海建立了几 十座抗冰海洋平台。我国抗冰海洋平台的设计大致可以分为三个阶段：1 9 6 9 年以前；1 9 7 0 1 9 8 6 年；1 9 8 7 年至今，在第一阶段标志事件是老2 号平台建成于1 9 6 8 年底投产被1 9 6 9 年3 月大冰封时推倒于冰水之中 3 】。这一阶段人们对海冰的认识很不够，实际经验也很 欠缺，在设计中采用铁路规范，没有进行冰力核算，从而造成设计的平台很不合理。 图2 1 渤海老二号平台被冰推倒 f i g 2 1 o l dn o 2p l a t f o r mi nb o h a is e ap u s h e do v e rb yi c e 第二阶段的标志事件是埕北油田的开发，见图2 2 。埕北油田是由中日合作开发的， 照搬了库克湾抗冰平台的设计，将设计条件大大的提高了，从而导致仅导管架重量就达 到了1 8 0 0 t ，造成了不必要的浪费，降低了油田开发的利润。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 图2 2 渤海埕北抗冰导管架平台 f i g 2 2i c e r e s i s t a n t j a c k e t p l a t f o r m s i n c h e n g b e i o i l f i e l d o f b o h a is e a 第三阶段的标志事件j z 2 0 2 气矿的开发，见图2 3 。这是我国独立自主设计建造的 抗冰平台，平台的设计比较合理经济，保证了平台在极值冰力下的安全，但是在平台的 运行过程中发现平台的冰激振动十分强烈，影响到平台的安全和生产。为了降低冰激振 动，在世界上首次将破冰锥体安装在桩腿上，破冰锥体的安装降低了静冰力的作用，但 现场监测发现，由于渤海抗冰导管架设计的比较柔，在冰荷载的作用下结构冰激振动问 题仍然很剧烈，冰激振动问题已经成为类似平台的“瓶颈”问题。 图2 3 我国渤海j z 2 0 一2 抗冰导管架平台 f i g 2 3i c e - r e s i s t a n t j a c k e t p l a t f o r m s i nj z 2 0 - 2r e g i o n o f b o h a i s e a 2 1 2 渤海湾抗冰导管架平台的结构特点 静刚度和动刚度是平台结构的重要参数。这罩静刚度指的是使平台甲板发生单位位 移所需要施加的力，动刚度指的是结构的第一阶自振频率。静刚度和动刚度分别表征结 构的静力和动力特性矧。与库克湾平台相比，渤海的抗冰导管架平台属于典型的柔性抗 海洋平台冰激振动控制装置d 的研究 冰结构，其动刚度大约为i h z ，而这个频率刚好是冰破碎的频率范围，因此冰致共振的 可能性始终存在着，强烈的冰振也是不可避免的。 表2 1 渤海典型抗冰平台动力抗冰性能比较 t a b 2 1 c o m p a r i s o no fd y n a m i ci c e r e s i s t a n tp e r f o r m a n c e sb e t w e e nt y p i c a lp l a t f o r m s 抗冰平台 j z 2 0 2 m u 0 j z 2 0 2 n wj z 2 0 2 m s wj z 9 3 c , c p 基频( h z )0 8 711 | 3 7 2 0 6 振动加速度比值 1282 加速度失效人员不适性管线失效管线失效管线失敛 冰激疲劳寿命( 年) 6 43 0 通过连续多年的现场冰振响应监测试验，我们得到了一个重要结论，在冰载荷作用 下，渤海的抗冰导管架平台的冰激振动能量绝大部分是集中在结构的基频上的，在高频 上能量分布较少。通过对渤海湾四座抗冰平台的动力评估，发现即使安装了破冰锥，平 台仍存在不同程度的加速度失效，影响人员健康和平台的安全生产【3 3 1 。 2 2t l d 抗冰振方案的提出 冰振是一个冰与结构之间动力相互作用的过程，因此可以分别从冰或结构方面设法 解决防冰振和减冰振的问题。可以通过改变冰的作用和改变冰力的频率特性，使之远离 锁定区，改变破碎频率减小冰力。也