（固体力学专业论文）海洋平台冰激振动控制.pdf

摘要 冰与柔性直立结构的相互作用对海上建筑结构产生不同程度的影响，甚至 造成危害。随着海上油气资源的开发，冰激振动对海洋平台的威胁越来越大。 合理的设计抗冰振的新型海洋平台和采取措施对海洋平台冰激振动进行控制 已经成为当前急需解决的问题。 本文首先结合多年来在渤海辽东湾j z 9 - 3 平台和j z 2 0 2 m s w 平台进行原 型冰力试验的结果分析了渤海海域动冰力的形式和冰力时程。为海洋平台进行 冰振计算打下基础。土木工程中的振动控制已经开展了很多年，通过对土木工 程中振动控制策略和装置的回顾和研究，找出适合于海洋平台冰激振动控制的 策略和装置。振动控制主要可以分为被动控制、主动控制和半主动控制等。针 对被动控制由于海洋平台的特殊性，本文选定了对海洋平台上部结构进行隔振 和在上层甲板安装t m d 的方法以减轻冰激振动的影响。t m d 对结构进行振动 控制的设计过程中，其最优参数的确定很重要，本文总结了前人对这方面的研 究成果，确定适合海洋平台冰荷载作用下其最优参数。选定正在筹建设计中的 北高点井口平台为原型，通过数值仿真表明，t m d 可以有效地降低海洋平台 上部结构的振动响应。主动控制和半主动控制现在已经成为土木工程中的研究 的热点，并已经有很多应用实例，其控制效果更佳。通过分别设计a m d 和 a p t m d 对北高点井口平台进行控制。数值仿真的结果表明，a p t m d 相对于 t m d 和a m d 都有更好的降低振动响应的效果。 国内外对结构在风振、地震作用下振动控制装置效果已经开展了大量模型 试验，但是针对海洋平台冰激振动控制的模型试验很少开展。由于这个问题的 特殊性和普遍性，结合相似理论和土木工程控制装置模型试验的应用。本文设 计了室内海洋平台振动控制模型试验的实验模型，并制定了试验计划。 关键词：动冰力；振动控制；质量调谐阻尼器；隔振；主动质量调谐阻尼器： 模型试验；相似理论 a b s t r a c t w h e na ni c es h e e tm o v e sa g a i n s taf l e x i b l e v e r t i c a ls t r u c t u r e i tm a vf a i l e i t h e rb yb u c k l i n go rb yc r u s h i n g t h e nt h es t r u c t u r em a yb ed e s t r o y e db yt h ei c e f o r c e a sm a n yo i lp l a t f o r m sa r et ob ee r e c t e da tt h eo c e a n sc o v e dw i t hi c e m o r e a n dm o r ep r o b l e m sa p p e a r s i n c el9 6 0 si c er e s e a r c h e rh a db e g u nt o s t u d yt h e p r o b l e m so fi c e - s t r u c t u r e si n t e r a c t i o n i no r d e rt or e d u c et h er e s p o n s eo ft h e p l a t f o r mv i b r a t i o n ，s o m em e t h o d sa n dd e v i c e sm u s tb ef o u n d t om i t i g a t i o nt h e i c c - i n d u c e dv i b r a t i o no fp l a t f o r mh a sb e e nt h ef i r s tp r o b l e mi nb o h a ib a y f i r s t l yt h i sp a p e rd i s c u s s e dt h ed y n a m i ci c ef o r c ew h e nt h ei c ei n t e r a c t e d w i t hv e r t i c a ls t r u c t u r e a f t e rt h a taf u l l - s c a l et e s ts y s t e mw a si n t r o d u c e da tj z 9 3 p l a t f o r ma n dj z 2 0 2m s wp l a t f o r mi nl i a o d o n gb a y t h e n t h em e t h o d sa n dd e v i c e su s e di nc i v i le n g i n e e r i n gh a v eb e e n d e v e l o p m e n tf o rm a n yy e a r s ，s o m eo f t h e ma r ci n t r o d u c i n gi nt h i sp a p e r i no r d e rt o f i n do u tw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ep l a t f o r m v i b r a t i o ni s o l a t i o ni sc o n s i d e r i n gi n m 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 fp l a t f o r m ，t h ei s o l a t o rw h i c hu s e sb e t w e e nt h e u p s e ta n dj a c k e ti sl r b ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni su s e da n s y s t h er e s u l t s h o w st h a tt h ev i b r a t i o no fu p s e ti sr e d u c e da n dt h ev i b r a t i o no ft h ej a c k e ti sl i t t l e i n c r e a s ew i t hi s o l a t o r s a n e t h e rm e t h o di st oa d dt u n e dm a s sd a m p e ro nt h et o po ft h ep l a t f o n n t h e p l a t f o r mi ss i m p l ya sas i n g l e d e g r e e - o f - f r e e d o ms t r u c t u r e ，t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o ni sd o n ei nm a t l a b ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h er e s p o n s eo fv i b r a t i o ni s r e d u c e dw i t ht m d a sak i n do fa c t i v ec o n t r o lm e t h o d s ，a na c t i v et u n e dm a s s d a m p e ri su s e dt or e d u c et h ev i b r a t i o no f t h ep l a t f o r m m o r e a na c t i v ea n dp a s s i v e t u n e dm a s sd a m p e r ( a p t m d ) i sd e s i g n e df o rt h ep l a t f o r m ，t h er e s u l ts h o w st h a t t h ea p t m di sm o r eb e t t e rt h a nt m d i no r d e rt os t u d yt h ed e v i c e s am o d e lf o rv i b r a t i o nc o n t r o lt e s ti sd e s i g ni n l a b o r a t o r y t h em o d e ii sb a s e do nt h es c a l et h e o r y t h ed a t ec o l l e c t i o ns y s t e mi s a l s oi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：d y n a m i ci c ef o r c e ；v i b r a t i o nc o n t r o l ；t u n e dm a s sd a m p e r ； v i b r a t i o ni s o l a t i o n ；a c t i v em a s sd a m p e r ；m o d e lt e s t ；s c a l et h e o r y u 海洋平台球激振动控制 0 前言 海洋平台结构作为海洋油气资源开发的基础性设施，自1 9 4 7 年墨西哥c o u i s s a n a 海 域建造第一座钢质海洋石油开采平台以来，世界上已建造近6 0 0 0 座海洋石油开采平台。 我国自2 0 世纪6 0 年代起开始在渤海勘探和开发还上石油以来，耳前已建成海洋平台1 0 0 余座。随着我国渤海大油田的开发，还有大量海洋平台将要建造。 海洋平台与陆地结构相比，由于所处的海洋环境的复杂性，风、海浪、海流、海冰 和潮汐时时作用于结构，同时还受到地震的威胁。我国渤海海区，由于所处纬度较高， 每年冬季都会有海冰出现。经过大量的研究证明，海冰荷载是渤海地区海洋平台的控制 荷载，特别是冰激振动问题已成为渤海海洋平台设计建造过程中需要解决的首要问题。 冰激海洋结构振动的冰工程问题研究从2 0 世纪6 0 年代开始，由于在寒区海洋石油 资源的开发和利用过程中遇到了各种冰害问题，于是关于讨论冰问题的国际研究也不断 增加，海冰的研究已经形成- - f 独立的学科一冰力学。 渤海油田属于边际油田，海洋平台大多受油气的分布大多要求建造经济型的抗冰平 台，这样目前在我国渤海湾已建立的平台基本上全为柔性结构的导管架平台，在动冰力 的作用下引起振动非常严重，如在2 0 0 0 年观测到j z 2 0 2 中南平台由于冰激稳态振动问题 导致天然气管道断裂，法兰盘松动等严重的生产事故。同时由于平台连续不断的振动将 影响到平台上工作人员的身心健康等。 为了能够很好的控制海洋平台的冰激振动，设计制造出新型的抗冰振平台，国家8 6 3 计划确立了新型抗冰平台设计的项目。岳前进教授等人承担课题的研究，在结合以往的 原型结构实验的基础上，开展了对海洋平台冰荷载、结构优化和振动控制等几个方面的 研究。 本文在完成过程中参加了岳前进老师领导的多个海冰工程研究课题，连续三年冬季 到渤海j z 2 0 - 2 平台和j z 9 - 3 平台等多座平台上进行现场原型实验测量研究，获得了大量 的动冰力及结构振动响应数据。通过对土木工程中振动控制策略和装置的研究，力图找 出适合于海洋平台冰激振动控制的有效方法。在研究过程中，本文主要进行了一下几个 方面的工作： ( 1 ) 渤海海域动冰力的研究。 ( 2 ) 土木工程中振动控制得现状，应用的控制策略和装置。 ( 3 ) 隔振的原理和在海洋平台上的应用。 ( 4 ) t m d 的原理、最优参数的确定和进行冰激振动控制的效果。 ( 5 ) 根据相似理论和结合国内外对海洋结构及其它结构动力实验以及结构控制实验的 研究方法，设计室内冰激振动控制模型试验模型和制定试验计划。 ( 6 ) a m d 和a p t m d 控制机理的研究以及在海洋平台上的应用。 3 海洋平台冰激振动控制 1 振动控制概述 1 1 前言 海洋平台的冰激振动控制与土木结构的振动控制有很多相似之处。它们都属于大型 结构的振动控制，对控制装置的要求是需要能提供很大的控制力。同时需要考虑到在环 境作用下有很高的可靠性能。海洋平台进行振动控制是为了生产的安全性和工作人员的 舒适性，建筑结构的振动控制是为了生命财产的安全和居住以及办公人员的舒适性。两 者的目的也是一样的。为了找到适合于海洋平台的振动控制策略和振动控制装置，参照 土木工程结构的现有方法是很有必要的。所以本章就目前土木工程中的诸多策略和装置 加以研究，力图为海洋平台的研究做一个参考和铺垫。 1 2 控制的分类 图1 1 结构控制 f 适ls a u c t u m lc o n t r o l 主动控制 主动控制系统是外部能量控制作动器按照事先给定的形式提供力作用在结构上。这 些力既可以提供也可以消散结构的能量。在主动反馈系统中，提供给作动器的信号是通 过物理传感器( 光纤的，机械的，电的，化学的等等) 测量的结构的响应函数h l 。 被动控制 被动控制系统不需要外界的能量。被动控制装置提供的力是通过结构的运动产生的。 被动控制结构中的能量，包括被动装置，不能通过被动控制装置来增加。被动控制因其 构造简单、造价低、易于维护且无需外部能源支持等优点而引起了广泛的关注，并成为 目前应用开发的热点，许多被动控制技术已日趋成熟，并且在实际工程中得到应用。被 动控制从控制机理上可分为基础隔振和耗能吸能减振两大类【4 】。 混合控制 一般的用到“混合控制”这个术语是指混合使用被动控制和主动控制系统。例如， 4 一个结构装有多个粘弹性阻尼器和在结构顶部安装主动质量阻尼，或者一个基础隔振的 结构装有提高控制性能的作动器i s , 司。 半主动控制 半主动控制是主动控制中的一类，它同典型的主动控制系统相比只需要比较小的外 部能量。一般的，半主动控制装置不增加结构系统( 包括结构和控制作动器) 的机械能， 然而边界输入和边界输出需要保障。半主动控制装置通常被看作为可以控制的被动装置。 1 3 被动控制系统 所有的振动结构消耗能量都是通过内力、摩擦、裂纹和塑性变形等等来实现的：结 构消耗的能量越大结构的振动幅值就越小。被动控制装置通过一系列的材料和装置提高 阻尼，刚度和强度，既可以用来抵御自然灾害，也可以用来修复和加固历史的和危险的 结构。最近这些年，一系列的努力研究发展了能量耗散系统和在结构中增加阻尼的概念， 在世界范围内很多这样的装置已经应用到了结构当中去了( s o o n ga n dc o n s t a n t i n o u 1 9 9 4 ；s o o n ga n dd a r g u s h1 9 9 7 ) 【7 捌。总的来说，这些装置都能提高其所安装的结构的能量 消耗能力。通过将动能转化成热，或者改变振动模式来实现这样的能力。第一种方法包 括的规律有摩擦滑移，金属的屈服，金属的相变，粘弹性固体或液体的变形和液孑l 。后 一种方法包括提供振荡，例如通过动力吸振器来实现。 1 3 1 金属屈服阻尼器 j 蓦i 。： e a r l ym e t a l l i ch y s t e r e t i cd a m p e r s ( k e l l yc ia l1 9 7 2 s k i n n e r e ta 1 1 9 7 5 ) 翟“裟心8( b e 盏篙嚣 i n s t a l l a t i o nd etailsai 1 9 9 3 ) m dg o e l1 9 8 7 )f te l m ( b m 图1 2 金属阻尼 f i g l - 2m e t a l l i cd a m p e r s 海洋平台冰激振动控制 种有效的机械方法是通过金属的非弹性变形来消散由于地震产生的结构能量。最 早的提出这种概念的进行实验工作的是k e l l y 唧以及s k i n n e r 【1 0 l 等人。考虑的几种装置包 括：扭转梁，弯曲梁，u 型耗能器。金属屈服阻尼器最早被应用于结构控制是在新西兰。 随后，在意大利n a p l e s 的一栋2 9 层的钢框架结构，美国s a nf r a n c i s c o 的一栋2 9 层的非 延性钢筋混凝土结构和墨西哥城的三栋钢筋混凝土结构上均安装了金属屈服阻尼器。最 近几年，大量的装置被使用。一个典型的x 型碟式阻尼和增加阻尼和刚度装型i i 】，p a l l 装置l “j ，三角阻尼在图1 2 中给出。 1 3 2 摩擦阻尼器 摩擦阻尼器的基本组成是金属( 或其它固体材料) 元件，这些元件之间能够相互滑动 并且产生摩擦力。它对结构进行振动控制的机理是将结构振动的部分能量通过阻尼器中 元件之间的摩擦耗能耗散掉，从而达到减小结构反应的目的。 1 3 3 粘弹性阻尼器 图1 3 p a l l 摩擦阻尼器 f i g l 一3p a l lf r i c t i o nd a m p e r 粘弹性阻尼器由粘弹性材料和约束钢板组成。它对结构进行振动控制的机理是将结构 振动的部分能量通过阻尼器中粘弹性材料的剪切变形耗能耗散掉，从而达到减小结构反 应的目的。 霆 图1 4 粘弹性阻尼器 f i g l - 4v i s c o e l a s t i cd a m p e r 6 海洋平台冰激振动控制 粘弹性材料用于振动控制可追溯到2 0 世纪5 0 年代，当时它们被用于控制飞机因振动 而引起的疲劳破坏。而被应用于土木工程结构则是始于1 9 6 9 年建造的纽约世界贸易大厦， 为了减小结构的风振，共安装了近l 万个粘弹性阻尼器 1 3 l 。 1 3 4 粘性液体阻尼器 粘性液体阻尼器一般由缸体、活塞和液体所组成。缸体筒内盛满液体，液体常为硅油 或其它粘性流体，活塞上开有小孔。当活塞在缸体筒内作往复运动时，液体从活塞上的 小孔通过，对活塞和缸体的相对运动产生阻尼。因此它对结构进行振动控制的机理是将 结构振动的部分能量通过阻尼器中流体的粘滞耗能耗散掉。从而达到减小结构反应的目 的。 在意大利的一座长1 0 0 0 m ，重2 5 0 0 0 t 的桥梁的每一个桥台下都安装了粘性硅胶阻尼 器，每个阻尼器重2 t ，长2 m ，活塞杆的行程最大o 5 m ，能抵抗5 0 0 t 的力，同时耗散2 0 0 0 k j 的能量【1 4 1 。 v i s c o u sf l u i dd a m p e ri n s t a l l e di ns t r u c t w 图1 - 5 粘性液体阻尼器 f i g l 一5v i s c o u sf l u i dd a m p e r 1 3 5 调谐质量阻尼器( t g d ) 调谐质量阻尼器是一个小的振动系统，由质量块、弹簧和阻尼器组成。它对结构进行 振动控制的机理是：原结构体系由于加入了t 肋，其动力特性发生了交化，原结构承受动 力作用而剧烈振动时，由于t m d 质量块的惯性而向原结构施加反方向作用力，其阻尼也 发挥耗能作用，从而使原结构的振动反应明显衰减。 t m d 是f r a h m 在1 9 0 2 年发明的，当时是为了防止德国大型邮船的水箱摆动而设计的。 t m d 在土木工程中也有着较早的应用历史。前苏联于2 0 世纪5 0 年代初就在钢电视塔 及烟囱上安装了撞击式摆锤，使得风荷载作用下的振动得到较大的衰减。2 0 世纪7 0 年代， 美国波士顿6 0 层的j o h nh a n c o c k 大楼和纽约2 7 4 m 高的世界贸易中心大楼也分别安装了 数百吨重的t m d 装置，有效的控制了结构的风振反应。1 9 8 0 年，澳大利亚的悉尼电视塔 也成功安装了t m d 风振控制装置。在日本，1 9 8 0 年第一个，r 安装于c h i b ap o r t 塔上， 随后，大阪f u n a d e 桥的桥塔也安装了t m d 。 7 海洋平台冰激振动控制 1 3 6 调谐液体阻尼器( t l d ) 调谐液体阻尼器是一种固定在结构上的具有一定形状的盛水容器。它对结构进行振动 控制的机理是：在结构振动的过程中，容器中水的惯性力和波浪对容器壁产生的动压力 构成为对结构的控制力，同时结构振动的部分能量也将由于水的粘性而耗散掉，从而达 到减小结构反应的目的【1 5 】。 t l d 具有造价低、简单易行、适合于短期与长期使用等优点。 1 4 主动控制 主动控制是基于某种控制算法由采集的输入或( 和) 输出信息来确定控制力，并由驱 动器借助外界能源将控制力施加予结构上以达到减振的目的。主动控制主要特点是需要 外部能源，控制效果理论上可以根据人们的需要达到最佳的控制水平，但是技术复杂、 造价高、可靠性差。国外结构主动控制典型试验是1 9 8 9 年在美国国家b u f f a l o 地震工程 中心由t t s o o n g 等人完成的【l q ，而主动控制应用方面还很不成熟。 它的特点是采用能检测结构及外干扰振动的传感器，将传感器获得的信号作为控制振 动的控制信号，通过作动器随时向结构施加控制力，以便及时控制结构的动力反应。控 制装置大体上由仪器测量系统( 传感器) 、控制系统( 计算机) 、动力驱动系统( 作动器) 等组成。 目前研究开发的主动控制装置主要有；主动质量阻尼系统、主动拉索系统、主动支撑 系统、主动空气动力挡风板系统等。 a ) 主动质量阻尼系统( a 粕) 主动质量阻尼系统( a m d ) 是由被动控制中的调谐质量阻尼器( t m d ) 演变而来的，它 通过安装在结构上的传感器，连续监测结构反应的状态向量。根据利卡提闭环控制理论， 计算机将由时变的状态向量和反馈向量得出控制力，然后利用电液伺服装置，借助于附 加质量，将控制力施加于结构。1 9 8 9 年日本鹿岛公司建成了世界上第一栋采用主动质量 阻尼系统的大楼。该楼为坐落于东京都的1 1 层京桥成和大厦，内部装有2 套a m d 装置， 附加质量块分别为4 t 和l t ，占结构总重的千分之一i i ”。 b ) 主动拉索系统( a t s ) 主动拉索系统是在拉索上安装电液伺服系统，并在结构中设置传感器，传感器把测到 的结构反应传给控制器，控制器则按预先设定的控制算法得出控制力，再通过电液伺服 系统施加给拉索。 c ) 主动支撑系统 主动支撑系统是在抗侧力构件上设置斜撑，并利用电液伺服系统来控制斜撑的收缩运 动。该装置可利用结构上已有的支撵构件，适用于高层、高耸和大跨结构。 d ) 主动空气动力挡风板控制系统 主动空气动力挡风板系统是通过改变挡风板的受风面积来调整挡风板所受的风压力， 从而抑制结构的风振反应。控制系统只需提供改变挡风板受风面积的操纵支杆滑动的能 s 海洋平台冰激振动控制 量，因而该装置成本较低，而且节能。 1 5 结构性能可变性( 半主动控制) 它是利用控制机构来主动调节结构内部的参数，使结构参数处于最优状态，所需的外 部能量比控制力型小得多。比起主动控制，结构性能可变性主动控制更容易实施而且也 更为经济，而控制效果又与前者相近，因此结构性能可变性主动控制目前具有更大的研 究和应用价值。 目前，较为典型的结构性能可变型主动控制装置有：可变刚度系统、可变阻尼系统、 主动调谐参数质量阻尼系统、可控( 电流变或磁流变) 液体阻尼器、可控摩擦式隔振系 统等。 a ) 可变刚度系统( a v s ) 可变刚度系统是通过可变刚度装景使受控结构的刚度在每一采样周期内根据特定的 控制规律而不同刚度值之间实时进行切换，从而使得受控结构在每一采样周期内都尽可 能远离共振状态，达到减振的目的。可变刚度装置一般由支撑和设置于支撑和设置于支 撑于受控结构间的电液伺服系统所组成。 b ) 可变阻尼系统( a d s ) 可变阻尼系统实质上是一种节流孔的大小可以调节的粘性液体阻尼器，在每一采样周 期内根据特定的控制律实时调节节流的大小，使得受控结构在每一采样周期内都尽可能 远离共振状态，从而达到减振的目的。 c ) 可控t ( 或t l d ) 系统 可控t m d ( 或t l d ) 系统与t m d ( 或t l d ) 系统的不同之处在于前者在系统内安装了一 套控制装置可以对t m d ( 或t l d ) 的参数( 刚度、阻尼) 进行实时调整。美国m t s 公司在 6 3 层的c i t i c o r p 大厦顶层安装了可控t m d 系统，其中采用了双向t m d 。t m d 的质量块是 一个4 0 0 t 的混凝土块，下设1 2 个液压平衡装置。弹簧剐度由压缩空气弹簧提供，并可 实时的调整t m d 的振动参数。 d ) 可控( 电流变或磁流变) 液体阻尼器 电流变和磁流变液体被称为智能材料，因为这两种材料分别在电场和磁场作用下会在 极短时间内由液态转变为具有可以控制的屈服强度的半固态，利用它们可以制成快速响 应的半主动控制装置【垌 e ) 可控摩擦式隔振系统 可控摩擦式隔振系统是在传统摩擦式隔振系统基础上，安装了一个与压力控制系统相 连的液压腔，液压腔的作用是调整摩擦面的正压力。由于摩擦面的正压力是可控的，因 此可使系统的隔振性能达到最优。 1 6 混合控制 混合控制是主动控制和被动控制的联合应用，使其协调起来共同工作。这种控制系统 充分利用了被动控制与主动控制各自的优点，它既可以通过被动控制系统大量耗散振动 9 海洋平台冰激振动控制 能量，又可以利用主动控制系统来保证控制效果，比单纯的主动控制能节省大量的能量， 因此有着良好的工程应用价值。世界上第一个安装混合质量阻尼器( 删d ) 控制系统的建 筑是日本东京清水公司技术研究所的七层建筑。我国南京电视塔采用了主动质量阻尼器 系统( a m ) 与调谐液体阻尼系统( t l d ) 相结合的混合控制体系来控制结构的风振反应。 目前混合控制装置主要有以下几种： a ) 主动质量阻尼系统( a m d ) 与调谐质量阻尼系统( t m d ) 或调谐液体阻尼系统( t l d ) 相 结合的混合控$ 1 h b ) 主动控制与阻尼耗能相结合的混合控制； c ) 主动控制与基础隔振相结合的混合控制等。 本章通过对土木工程控制策略和装置的研究，掌握了日前的研究现状和可供参考使 用的方法与装置。为近一步研究海洋平台的振动控制做了很好的铺垫a 海洋平台冰激振动控制 2 海洋平台冰激振动 2 1 前言 研究海洋平台冰激振动控制，首先要搞清楚受控对象海洋平台以及外部荷载一 动冰力，同时进行振动控制，特别是主动控制的时候，需要有一套先进的测量系统， 可以实时的反映被控结构的响应。本章研究了海洋平台动冰力以及海洋平台冰激振动的 形式，同时介绍了我们这几年在渤海上进行的原形试验以及开发研制的实时观测系统。 2 2 海冰测量原型结构 海冰的冰激振动研究在世界范围内已经展开，其中包括室内模型试验和现场的原形 试验。最近几年，在渤海石油公司的资助下，我们每年冬季在渤海冰期的时候都在渤海 的石油平台上进行原形测量。 分布在辽东湾的j z 2 0 - 2 平台，s 7 - 3 6 。1 平台等都属于四腿导管架平台，其中j z 2 0 - 2 中南平台( m s w ) 为典型的三腿导管架平台，如图2 1 。j z 9 3 平台主平台为沉箱结构， 在主平台的南北两侧各分布有一个单腿系缆小平台，2 0 0 3 年为了将天然气输给j z 2 0 2 ， 建造了海底管线和压缩机平台。图2 2 所示，单腿系缆平台与主平台之间相距4 0 m 。 这两个平台位于辽东湾的最北部，距离陆海岸越近冰情越重，该海域属于海冰最为 严重区域，常年冰厚在2 0 一4 0 c m ，重冰年单层冰最厚可达i m 。尤其是j z 9 - 3 平台距离辽 东湾东北岸仅有2 0 多海里，并且位于辽河的入海口附近( 如图2 - 3 所示) ，河水较海水更 容易结冰，所以该平台受岸冰影响最为严重。海冰在潮流及风力拖曳下随潮流在该海域 来回的飘动导致海冰对石油平台的作用主要以动冰力为主。海冰挤压结构引起结构振动 问题已经是冰区海洋平台建设的首要问题。这两个平台给我们提供了很好的原形试验结 构。 图2 1j z 2 0 2 中南三腿平台 f i 9 2 1j z 2 0 - 2 m s wp l a t f o r mw i t ht h r e el e g s 海洋平台冰激振动控制 a 平台全貌b 系缆单腿平台 图2 2j z 9 - 3 系缆平台 f i g2 - 2j z 9 - 3t i e db o a tp l a t f o r m 我们已经连续在其中的几座典型的直立桩腿结构平台上完成t d , 区域大规模的海冰 现场观测和实验研究。最早于1 9 9 9 - - 2 0 0 0 年年在j z 2 0 - 2 中南平台，2 0 0 0 年根据国际上 对破冰锥体的研究，在中南平台上安装了破冰锥，因此，2 0 0 0 年冬季的冰与直立结构相 互作用动冰力测量改在j z g - 3 平台上的单腿系缆平台上继续测量。由于j z 2 0 - 2 中南平台 和j z 9 - 3 单腿系缆平台都是典型的柔性直立腿结构，所以通过在两个平台上所获得的动冰 力测量数据和冰激结构振动数据为我们的研究提供了非常宝贵的第一手资料。 图2 3j z 2 0 2 和j z 9 - 3 平台位置 f i g2 - 3t h e l o c a t i o no f j z 2 0 - 2a n dj z 9 - 3p l a t f o r m 2 3 海冰测量系统设计研究 通过多年的研究，目前已在渤海的多个平台上建立了完善的区域海冰观测系统。目前 对于冰与海洋石油平台柔性直立桩腿结构相互作用的冰力测量包括以下几项：结构振动 海洋平台冰激振动控制 响应测量、结构应变响应测量、冰力变化测量、冰厚测量、冰速测量、冰破碎频率测量 以及区域冰情观测。目前的渤海原型海冰测量已实现连续性、同步性、实时性、完备性 和数字化，在国际上已达到领先水平。 2 3 1 结构振动响应测量 通过对平台响应的测量，可以研究平台在海冰作用下的振动响应特性，同时根据结 构响应的振幅大小可以了解与结构相互作用的冰力大小，动冰力周期特性等。结构振动 响应测量主要包括平台振动幅值变化、频率特性以及阻尼特性等。根据平台结构固有频 率特性，在平台振动响应测量时选用了低频特性好的8 9 1 一i i 型拾振器。在j z 9 3 系缆 平台上同步测量结构位移响应的目的是为确定作用在单桩腿上的冰力变化提供信息，在 系缆平台和栈桥中部总共布置了6 个8 9 1 一i i 型拾振器，其位置如图2 4 所示。在中心 柱内部海水平面以下0 5 m 处确置了两个拾振器，用于测量冰作用位置的结构加速度响应， 在中心柱内部水平面下0 7 m 处布置了四个应变计，如图1 5 a 所示，用于测量冰作用位 置处的结构应变响应。通过以上测试仪器的分点布置我们获得了冰作用下j z 9 3 平台的 全部振动响应数据，为我们全面分析冰与结构相互作用提供了依据。 图2 4 系缆结构响应测量系统平面图 f i g 2 - 4t h et e s ts y s t e mf o rs 吐u d 船a c t i o n 2 3 2 动冰力直接测量设计研究 受现场测试条件的限制，要设计能长久经受海水浸泡和冰力作用的压力测量设备是 非常困难的，同时现场动冰力的测量还受到结构形状尺寸等以及安装等条件限制，因此， 动冰力的直接测量一直是一个难题，到目前为止能够实现动冰力直接测量( 包括室内和 现场) 的国家非常少，主要是在波罗的海的部分灯塔上完成了现场冰力测量【”l ”，但由于 受结构的限制，处在波罗的海的灯塔主要以刚性结构为主，在灯塔上原型冰力测量实验 没有获得理想的动冰力时程曲线，也很难测到同步的结构响应情况。因此国际上直接测 量的动冰力数据并不多，绝大多数冰力数据是间接测量数据。我们经过多年的实验积累， 海洋平台冰澈振动控制 研制设计出安装在直立结构和破冰锥体上的测冰压力盒。其中安装在j z 9 3 单腿系缆平台 上的设计压力盒如图2 - 5 所示，在我国渤海首次实现了冰与结构相互作用动冰力直接测 量。 测冰压力盒设计原理是在每个压力盒中有两个测力传感器，传感器是由弹性元件做 成，上面贴有四个应变片，并按全桥接法组成应变一电阻转换电路。当冰作用于压力盒时， 压力盒将冰力传给测力传感器，传感器在力作用下产生应变，引起应变片电阻的微小变 化并使桥路失去平衡，通过动态应变仪可以检测到这种变化，经过动态应变仪的放大可 以使这种微小的变化能够被记录下来。由于整个系统在测量范围内是线形的，因此压力 的大小与动态应变仪的输出也成线性关系，经过系统标定之后就可以从动态应变仪的输 出计算出冰压力的大小。压力盒测量的最大优点是可以测量冰力的时程变化，连续记录 冰力大小，实现冰力的动态分析。 一h 剧斟u 睦 _ 罔冈冈罔f a 测量系统图b 测冰压力盒分布图 图2 5j z 9 3 现场原型结构测量系统 f i g 2 - 5f u l ls c a l et e s ts y s t e ma tj z 9 3p l a t f o r m 2 3 3 冰速、冰厚及其它参数的测量 在冰力和平台结构响应测量的同时，还要对海冰参数进行同步观测，其中包括冰厚、 冰速、冰类型和海冰分布范围等。为了全面的获得这些参数，我们在平台上安装了观测 摄像头对作用在压力盒上的海冰进行实时图象采集，如图1 5 a 所示。通过开发程序对实 时冰情图像进行处理从而获得准确冰速、冰厚等数据。通过实时图像记录也可以了解作 用于压力盒上的冰类型。在平台上部安装雷达，通过该雷达对大范围海冰进行观测，从 而了解平台周围的冰类型，海冰的漂移方向等。所有这些参数将为用于建立规范的海冰 冰力数学模型。 1 4 海洋平台冰激振动控制 2 4 冰力和振动的测量结果分析 2 4 1 海冰压曲破坏动冰力分析 实验发现，冰与直立结构作用可以出现挤压和压曲两种破坏形式，压曲破坏通常发生 在冰厚较薄，冰结构不均匀的情况，压曲破坏时海冰破坏情况如图2 - 6 a 所示。海冰压曲 破坏的破碎长度非常大，一般产生环向裂纹，冰力周期要远大与结构的振动周期，其中 冰力时程和结构响应的耦合曲线下图2 - 6 b 所示。由前所述，发生压曲破坏时海冰一般较 薄，并且海冰弯曲强度远小于海冰的压缩强度，因此海冰与结构相互作用的冰力较小， 对平台产生的危害也不大。在海冰研究和平台设计中一般不作重点考虑。 a 冰的压曲破坏b 冰力和结构响应曲线 图2 - 6 海冰弯曲破坏和动冰力时程曲线 f i g2 - 6b u c k l i n g f a i l u r eo fi c es h e e ta n dd y n a m i ci c ef o r c e 2 4 2 冰与结构挤压破坏动冰力研究 虽然冰与直立结构相互作用时产生压曲破坏和挤压破坏，但冰与结构相互作用通常 的情况是挤压破坏( 图2 7 ) ，并且挤压破坏对结构的作用力和和引起结构的振动情况要 比压曲破坏严重的多，情况也非常复杂 实验数据分析表明，当不同速度海冰与结构作用挤压破坏时可以形成三种不同的冰 力形式。在冰速很慢时，出现准静态冰力；随着冰速增加又会出现导致结构稳态振动的 冰力；冰速继续加快，则产生导致结构随机振动的冰力。而在我国的渤海海域大部分被 陆地所包围，只有狭窄的渤海海峡与太平洋相同，受潮汐影响潮流飘动特别快，每年冬 季渤海海冰在潮流，和风拖曳下在辽东湾海域往复的飘动形成流动冰，根据我们多年的 海洋平f i 冰激振动控制 观测结果得出渤海海冰的速率统计直方图如2 8 图所示。由图我们可以看出海冰冰速从0 到l m s 之问分布，这就说明，在我国的渤海冰与结构相互作用存在上述三种冰速情况。 每一种挤压破坏形式都有其特殊的冰力破坏形式，并且在相同冰厚条件下引起结构的振 动激烈程度并不相同，因此引起的危害也不同。 图2 - 7 冰的挤压破坏 f i 9 2 - 7c r u s h i n gf a i l u r eo f i c es h e e t 渤海j z 9 3 海域2 0 一2 0 0 l 冬季海冰冰速分布 f萤置量置置叠置量i置。置国置。墨圜l 2 5 冰与结构挤压的三种冰力形式分析 2 5 1 准静态振动的冰力 准静态冰力是指冰力周期远大于结构自振周期。当冰块由静止开始运动，冰速很慢 1 6 。o，o妁数o。o 海洋平台冰激振动控制 的情况下可以观测到这种现象。在低冰速时，在现场准确的测量冰速比较困难，我们测 量的冰速大约在每秒2 厘米以下。图2 - 9 显示了在准静态阶段的一段典型的冰力与结构响 应曲线，从中我们可以发现冰力周期大约是结构振动周期的2 0 倍。每个冰力周期比较接 近，压力盒数据还显示，发生准静态冰力时，冰力变化与结构响应是同步的，即冰发生 同时破坏。 j 西刁i l l d p 2i 口2 1 1 ti 1 1 5 5 叩 时间( s e c ) 圈2 - 9 准静态冰力和结构响应 f i 9 2 9q u a s i - s t a t i ci c el o a d s a n d r e s p o n s e s 2 5 2 稳态振动的冰力 随着冰速增加到大约2 4 e m s ，可以发生稳态振动现象( 图2 1 0 ) 。稳态振动是指结 构振幅基本保持恒定。同时我们在试验记录数据中发现发生稳态振动时，冰速发生改变 稳态振动仍然维持。冰力的破碎频率与结构的振动频率一致，相位相同( 图2 一l o b ) ，出 现频率锁定现象。从不同通道记录的数据，我们能够发现环绕结构的冰同时破坏，在图2 一l o a 中显示为各压力盒上冰力同时达到最大，从图2 一l o b 中我们也能够看出冰力和结 构响应保持同步。 结构的稳态振动可以保持较长一段时间，我们曾经在j z 2 0 一2 的m s w 平台上连续记 录大约l o 分钟的稳态振动，附上详细图( 图2 1 i ) 。观测还发现，在一定的冰速范围内， 如果冰速有轻微的变化( 增加) 。结构可以依然保持稳态振动状态，只是振幅逐渐降低。 长时间的稳态振动会给结构造成很大的破坏力，j z 2 0 - 2 m s w 平台上部管线被振断均发生 在冰致稳态振动过程。从图2 1 1 我们可以观察到冰力沿环向的同时破坏现象。图2 - 1 i 的 上部两条曲线分别代表同一时刻沿环向不同位置的压力数据。 1 7 (us茕为雪昌一簿捌 海洋平台冰激振动控制 时间( s e c ) a 不同压力盒上冰力和结构振动响应 诛力与结构响应藕合曲线 b 冰力周期与结构响应周期同步现象 图2 - 1 0 结构稳态振动和冰力 f i 9 2 1 0s t e a d y - s t a t ev i b 枷。惦a n d i c ef o r 七e s omn i 时洒【s e e ) 图2 1 1 冰引起的稳态振动与频率锁定现象 f i 9 2 - l li c ei n d u c es t e a d y - s t a t e v i b r a t i o l 玛a n dp h e n o m e n o n o f f r e q u e n tl o c k e d i n 1 8 ( u s r 董 (u邑天薏言螽一 ， 言置潍牲 海洋平台冰激振动控制 2 5 3 随机振动 当冰速进一步加快时，结构由稳态振动转变为随机振动。图2 - 1 2 显示压力盒实测的 随机冰力与加速度计测量的随机振动响应。关于随机冰力引起的随机振动本文不做更为 详细的数学描述。只是对发生随机冰力时冰的破碎机理进行分析。测量数据还显示，当 发生随机振动时，冰力沿环向是非同时破坏的。 2 6 小结 嘶m 1 1 51 2 0 垅1 i * 瑚1 4 5 l 1 埘 叶拇( ，) 誓 j 。： 0 1 ： ( a ) 随机冰力时程 0 5 i ia1 i5l2 0 i2 51 知i3 sl i 口h 61 5 0l 矸i5 0 时阿t t l ( b ) 冰力引起结构的随机响应 图2 1 2 冰与结构快速挤压冰力与随机振动响应 f i g 2 - 1 2i c ei n d u c e ds t r u c t u r er a n d o mv i b r a t i o n s 本章通过对海冰原型观测实验的介绍和对动冰力形式的分析，说明了冰激振动是渤 海地区海洋平台的主要危害。为了生产的安全，需要对海洋平台冰激振动情况进行更深 入的研究，并且要加以控制。 1 9 i一“：。 海洋平台冰激振动控制 3 海洋平台隔振 3 1 前言 为了降低上部质量的振动响应，考虑在上部质量和导管架之间安装隔振装置，进行 振动隔离。参考建筑结构的隔振方法，选定适合海洋平台的隔振垫，同时在这一章对海 洋平台隔振进行了数值计算仿真。 3 2 海洋平台隔振分析 3 2 1 隔振的概念、机理及一些实用装置 基础隔振是在上部结构与基础之间设置某种隔振消能装置，以减小振源能量向上部的 传输，从而达到减小上部结构振动的目的。 隔振是在两个结构之间增加柔性环节，从而使一个结构传至另一结构的力激振或运动 激振得以降低的措施。 减小力激振的传递，常称为第一类隔振，简称为隔力。 减小运动激振传递的措旌，常称为第二类隔振，简称作隔幅。振幅可以是隔振对象的 绝对振幅或隔振对象相对于基础( 运动激振源) 的振幅，振幅可取位移、速度或加速度 ( 甚至加速度) 。 隔振尚有其它几种不同的分类。根据振源特性的不同，可分单频隔振，多频隔振以及 随机激励隔振；依隔振对象的自由度不同，可分单自由度系统隔振、多自由度系统隔振 以及无限自由度系统隔振；依隔振对象的特性不同，可分线性系统隔振与非线性隔振。 图3 - i 多自由度隔振 f i 9 3 - im u l t i - d e g r e e - o f - f r e e d o m ( m d o f ) m o d e l s 隔振的本质和目的就是将结构与可能引起破坏的振源尽可能的分离开来在土木工 程中，许多建筑物为了安全起见，进行隔振。为了隔离地震作用，可以通过延长结构