（固体力学专业论文）锥体结构冰激振动与隔振锥体设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 海洋平台结构是海洋石油天然气资源开发的基础性设施，在生产作业中长期处于恶 劣的海洋环境中。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己经成为当 前急需解决的问题。降低平台的冰致振动响应大致有三个途径：一是提高平台结构的总体 刚度，这样做显然会使平台加重而不满足经济性要求；二是对平台结构的冰致振动进行主 动控制，但是此种方案在恶劣的海洋环境中很难实旖并且不会降低海洋平台的总体成本： 三是对平台结构进行减振和隔振控制，相对来说，此种方案是行之有效并且经济实用的。 本文的研究工作就是建立在隔振技术基础之上的。 本文首先简单对海洋平台加固定锥后冰激特点进行了概述，并引入冰力函数的概 念，从冰力函数的特点来看，它是窄带的随机过程，可以看成冲击载荷。结合冲击隔振 的理论，我们就可以把固定锥体设计具有隔离振源的隔振锥体了。隔振锥体的设计包括 刚度和阻尼两方面的问题。选择合理的刚度和阻尼就能使平台的响应明显的降低。通过 m a l l a b 对海洋平台锥体隔振的力学模型和用a n s y s 对d c p 平台进行数值仿真，得 到相同的结果，即：锥体的固有频率远离平台固有频率时，减振效果是最好的，但同时 还要考虑锥体允许的最大位移情况。在众多的隔振器中，我们选择了叠层橡胶支座作为 锥体隔振的隔振元件。因为叠层橡胶支座因其承载力大，水平刚度适中很适合用在锥体 隔振上面。同时橡胶经防腐处理其耐久性和防腐能力也很高。 美键词：冰力函数；隔振；锥体位移；平台响应；叠层橡胶支座；水平刚度 锥体结构冰激振动与隔振锥体设计 i c e i n “c e d b r a t i o no f c o n i c a ls 廿u c t l 聃a i l dd e s i 盟o f b r a t i o ni s o l a t e d c o n e a b s t r a c t o 丘h o r ep l a t f o n ns 虮l c t i l r e sa 陀t l l eb a s i ce s t a b l i s h m e n tf b fe x p l o i 诅t i o no i la i l dn a t i l r a l g a s t h c y a r ea l w a y si na d c i a u ss e ae n v i r o 啪e n t a sm a n yo i lp l a t f 0 皿sa r et ob e 盱。c t e da t t h eo c e a n sc o v e dw 啦i c e ，m o r e 锄dm o r ep r o b l e m sa p p e a r i no r d c rt or e d u c et h e ，r e s p o n s e o f m ep l a t f o mv i b r a t i o n ，s o m er n e m o d s 觚dd e v i c e sm u s tb ef o u n d f m mm ev i e wo f d e s i g n ， m e r ea r em a i l l l yt h r e es o l u t i o n st od e p r e s s 吐l i sv i b r a t i o n ：廿l ef i r 暑tw a yi st oe n h a n c em e c o l l e c t i v i t ys t i f 南e s so f p l a t f b 蛳，“w i i lm a k et h es 蚋l c t i l r e sh e a v e r ，m a ti st 0s a y ，i tc a n tm e e t 也ee c o n o m i cd e m a n 出出es e c o n dw a yi st 0i n i p l e m e n ta c t i v ec o n t r o i ，h o w e v e lhi sd i f 矗c m t t ob ec a r r yn t oe x e c u t i o n 如du n a b l et od e c r e a s e 廿l ee x p e n s i v ec o s t t h et l i r dw a yi st op u t n e g a t i v ei s o l a t i o nc o n 圩0 1i np r a c t i c e f o rt h ew h o l e ，廿1 el a s to n ei sf e 嬲i b l ea i l de c o n o m i c t h i sm e s i sr e s e a r c hi sb e do nt h ei s o l a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y t h i sa r t i c l ei l l t r o d u c e st i l ei c e i n d u c e dv i b r a t i o no f 矗x a t i o nc o n ea n di c ef b r c e m c t i o n w bc 孤l 【l l o wt l l a ti c e i 1 1 d u c e dv i b r a t i o ni san 咖w b 卸d 啪d o mc o u 船e f r o mi c e i i l d u c e d f u n c t i o ng f 印h ，s o w ec a l lr e g a r d t l l e i c e f o r c ca s h p a 吐l o a d w j 仃y t 0d e s i g n 廿l ec 衄e t l l a t h a sm e 血n c t i o no fi s 0 1 a t e dv i b m t i o nb yi n l p a c ti s o l a t e dv i b r a t i o nm e o r y f r o mt h er e s u l to f s 皿u l a t i n 岛t h ee 彘c to fr e d u c ev i b r a t i o ni sv e f ye v i d e 鸣w h e n 也ei n h e r e n c e 丘e q m n c yo f c o n ei sf 打a w a y 丘o m 廿l ei n h 钉e n c e 矗q u e n c yo fo a 妯o r ep l a t f o m l i s o l a t e dv i b r a t i o nc o n e d e s i g t li n c l u d e ss t i 锄e s sd e s i g i la n dd 锄p i l l gd e s i g n r u b b e rb e a 血gi sa d a p tt oi s 0 1 a t e d v i b r a t i o no fc o n ef o ri t s 1 a 哈eb e a r i n gt h ew e i g h to fv e m c a la n dm o d e r a t eh o r i z o n t a l s t i 髓e s s m o r e o v e lr u b b e rh a sal o n gt i m eo f u s e8 1 1 d h i 曲d e s i s 锄c eo f e o d m g k e yw o r d s ：i c e f o r c ef u n c t i o n ：i s o l a t i o v i b r a t i o n ；d i s p l a e e m e n to f c o n e ；r u b b e rb e a r i n 群 h o r i z o n t a is t i f i e s s 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己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 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 导师签名 年月日 拦墼奎堂堡塑丝塑墼 1 绪论 1 ，1 研究背景 2 i 世纪是海洋的世纪。随着陆上资源的日益枯竭，海洋资源的开发利用已日趋重要。 各沿海国家对海上油、气、矿的开采进入了一个崭新的阶段。为了适于海上开采，适应 更深海域、更恶劣海况作业的需要，各国相继开发出各类海洋钻探、开采、生活等平台。 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。自 1 9 4 7 年墨西哥c o u i s s 锄a 海域建造第一座钢质海洋石油开采平台阻来。随着海洋油气资 源开发的大规模发展，世界上己建造了6 0 0 0 多座海洋石油开采平台。我国自上世纪6 0 年代在渤海勘探和开发海上石油以来，目前己建成海洋平台1 0 0 座。随着我国渤海大油 田的开发，近五年还将建设1 0 0 余座海洋平台，目前建造使用的海洋平台结构形式主要 有固定式( 包括铜质导管架式、顺应塔式和钢笳混凝土重力式) 、半潜式( 包括钻井船等浮 动采油系统) 和张力腿式。我国海洋平台结构的主要形式是固定式导管架结构，我国导 管架平台的最大水深已达到1 4 6 m 1 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。历史上由于对海洋环境的复杂性、随机性以 及平台结构的损伤积累等不利因素认识不充分，国内外都曾多次发生海洋平台事故。造 成了重大约经济损失和不良约社会影响。例如，1 9 6 4 年冬，美国阿拉斯刍玎库克湾两座新 建成的钻井平台被海冰推倒。1 9 6 5 年，英国北海的“海上钻石”号钻井平台支柱上的拉 杆发生脆性断裂，导致平台沉没。在h i l d “1 9 鳓和b e t s y ( 1 9 6 5 ) m 风中，墨西哥湾总数约 l o o o 座的平台中，有2 2 座或者倒塌、或者损坏、或者不能使用。1 9 6 9 年春，我国自行 建造的渤海老二号平台被海冰推倒。1 9 8 0 年3 月，北海e k o f i s k 油田静a l e x a n d e rl f k i e i 胁d 号钻井平台由于一只腿疲劳裂纹而引起断裂，致使整座平台倾覆，导致1 2 2 人死亡。1 9 9 2 年的a n d r c w 飓风中，导致墨西哥湾海洋平台阻尼减振分析平台中的1 9 座不能使用，这 些平台大部分是1 9 6 5 年前设计建造的【”。这些惨痛的教训给海洋资源的开发以很大的警 示，同时也促使国内外一些国家政府和海洋石油部门加倍的投资，以促进科研与工程技 术人员致力于海洋平台安全与防护的研究。 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 载甚至超越其他荷载，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，也直接影响生产作业：同时长期大幅度振动引 锥体结构冰激振动与隔振锥体设计 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e 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。从莱州湾、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激振动，直接影响平台的正常生产 和安全 2 】。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，该平台的冰激振动非常严重，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 【”。除海冰外，地震也是种严重的自然灾 害。渤海湾地处地震多发区，历史上曾发生过多次破坏力很大的地震，给人类带来了巨 大的灾害。海洋平台结构造价昂贵、失效后果严重，其运行安全状况受到了人们的普遍 关注。海洋平台结构工程中涉及到土木工程科学中的关键科学问题最为突出，传统的单 纯增加刚度来提高安全性的方法在经济上是不可取的，这会使海洋平台的造价过于昂 贵，不符合经济的原则。结构振动控制方法可以为解决这一问题提供有效途径。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。 现有的渤海海域导管架采油平台在设计初期，为了避开其固有频率与冰力、风力等 的频率发生重叠而导致的共振，工程人员采取了极为保守的做法，通常把采油平台的刚 度设计得很高，使海洋平台的固有频率远远大于海洋环境下的外力的频率。这样一来会 浪费大量的原材料，导致平台的生产成本很高。为了降低平台造价，必须降低起刚度， 然而如果仅仅要求保证平台在最大极限冰载荷作用下不会发生倒塌的话，满足静力强度 的平台刚度会较低。因此，平台结构的固有频率会降低至1 左右，与动冰力激励的频 率接近，平台结构会产生共振而造成其自身的动力响应过大。为了避免共振的发生、减 少平台结构的振动响应，必须采取适当的控制方案对平台结构进行控制，以满足目前海 洋平台的需要。于是海洋环境的冰力作用模型以及冰激振动的控制技术是未来平台设计 建造有待解决的关键技术。 1 2 海洋平台的发展概况 第一座海洋平台于1 8 8 7 年建于美国加州海岸几英尺深的水域中，它由陆地延伸到 海上的油田，实际上是一座木质栈桥。木质平台桩基腐蚀严重，平台使用寿命短。限于 当时科技条件，平台的发展极为缓慢。钢质导管架平台与1 9 4 7 年在墨西哥湾6 米水深 的海域，结束了木质平台时代。到1 9 7 8 年，钢制导管架平台的工作水深已达到3 1 2 米， 而不久前高度为4 8 6 米的巨型导管架平台也已经安装在墨西哥湾4 1 1 米水深的海域。第 一座坐底式平台是1 9 4 9 年在墨西哥湾钻井的“环球4 0 号”。这种平台工作水深为3 - 3 0 m 。 1 9 6 3 年美国建成的“环球5 4 号”，工作水深达5 3 米。1 9 7 3 年到1 9 7 4 年间，由于原油 大连理工大学硕士研究生学位论文 价格暴涨，适用于水深小于3 0 米水域的坐底式平台需求大增，但到了8 0 年代，这种平 台建造较少。为了适应在不同水深范围内钻井，1 9 5 4 年第一座自升式钻井平台“加里副 尼亚1 号”建成。这种平台一般在5 9 0 米水深范围作业，最大工作水深达1 3 0 多米。 自升式平台在数量上增加较快，到1 9 8 5 年，自升式平台占移动钻井装置总数的比例已 达到6 0 。1 9 6 2 年出现的第一座半潜式平台一美国的“兰水1 号”是由一带有稳定立 柱的坐底式平台改建而成。这种平台适用于恶劣海况、更大工作水深及更大钻井深度。 8 0 年代，半潜式平台最大工作水深能力为3 0 4 8 米，开创了北海海域钻井的记录。1 9 8 4 年第一座张力腿平台正式安装在美国的h u 插。n 油田，工作水深1 5 7 米。张力腿平台属于 柔性支撑平台，其定位靠柔性的张力腿，目前在深海海域使用和建造的张力腿平台近2 0 座，其工作水深已接近1 0 0 0 米。 海洋石油工业在我国起步较晚。从1 9 6 6 年在渤海海湾水深6 5 米处建造的第一座钢 质固定式平台到现在，有几十座海洋平台先后建成在渤海湾进行钻井和采油工作，其中 只要是钢质导管架固定式平台，也有锥体沉箱式和浮式生产储油系统。除了早期曾有一 个平台被冰推倒以外，这些平台都经受了风浪、地震以及特大冰情的考验。 目前我国已探明的油气储量主要在浅海海域，其中近一半属于边际油田。在当今国 际石油市场竞争日益激烈的情况下，如何降低平台造价以取得较好的经济效益是一个值 得认真研究的问题，而这一问题的解决需要多种综合手段的运用。 1 3 冰载模型及冰激振动机理 加拿大是世界上对冰问题研究最广泛的国家。g w t i c ，s k n j j d n 等在冰的微观结构观 测技术、冰晶结构对冰的物理力学性能的影响冰的损伤本构模型、冰与结构相互作用及 冰模型的制作等方面进行了系统的理论和试验研究。【4 ，5 1 在加拿大北部的b e a u f o r t 海建造 的“m a l n 【p a q 人工岛的冰激振动问题为冰工程研究提供了重要的工程背景，m e j o l l i l s t 等通过现场测量和室内模型试验等手段，研究和发现了冰对宽体结构作用的新特点 6 ，”， 推动了海冰工程的研究。 芬兰是世界上开始海冰研究最早的国家之一。芬兰学者自1 9 8 1 年起对海上固定式灯 塔进行长达十多年的测量和分析【8 】并对灯塔设计进行了多次改进以提高灯塔抵抗冰激振 动的性能。m p 畦孰施u e i l 和m m d j t t i i 如e n 等研究了冰力作用下结构的振动并提出了冰 的自激振动模型唧 此外，美国、日本等国也在海冰研究以及海上抗冰结构设计方面取得一定成果。 z t p 。b a z a n 躇集中研究了冰的非线性断裂及断裂破坏的尺寸效应，d b l a n 。h 武等进行了较 大规模的现场冰力调查和观测探索设计出抗冰海洋平台结构【1 0 1 1 】m 拈a k i 等从研究冰的 锥体结构冰激振动与隔振锥体设计 基本物理力学性能等基础研究做起开展现场冰试验、室内冰池试验和数值分析研究 【1 2 】b 1 e 1 1 k a m 在1 9 7 0 年曾对全尺度的钢结构稳定振动进行了系统的测量。e n g c l b r e k t s 叽 在1 9 7 7 年也进行了类似的研究1 1 t ”j 。 我国大规模地开展海冰的研究始于8 0 年代中期。国内主要有渤海石油公司、国家 海洋环保局大连环保所、大连理工大学、天津大学、中科院力学所和哈尔滨建筑大学等 几家单位进行海冰问题研究。近十多年来渤海石油公司在渤海辽东湾对四腿导管架平台 进行了长期的现场冰力测量和结构响应测量，积累了丰富的第一手资料口”。欧进萍、王 翎羽等分别研究了调谐液体阻尼器和磁流变阻尼器的减振原理及其在海洋平台结构上 的减振应用0 1 6 - 1 t 1 8 ，柳春图、段梦兰等讨论了海洋工程中的结构力学问题以及冰与结 构的动力相互作用问题【2 0 ，2 ”，刘玉标、申仲翰等对海上导管架平台结构的冰激振动问题 提出整体隔振方案并对其进行数值仿真分析【2 2 ，“。到目前为止关于冰激引起结构的振动 的力学模型问题，国内外的研究主要形成了两种振动理论：s o d h i 的强迫振动模型和 m m t a a t 啪l l n 的自激振动模型。此外，天津大学的徐继祖、王翎羽等还提出了冰力振子 模型口4 筇2 6 1 ，其将冰力看作是结构与冰力振子的相互作用。这几个模型都是基于冰和结 构的不同作用机理而提出的它们都只能解决某己知冰力能够对它进行确定性描述所引 起的结构振动。由于海冰对结构的作用一般是一种非确定性的随机载荷确定性的分析方 法有时并不能反映海冰对结构的真实作用，为此在此基础上又有人提出了冰激随机模 型，并采用随机过程理论方法和随机振动理论推导出相应的计算公式和各响应函数。冰 的自激振动是在一定的外部条件下由于冰与结构系统内部的机制导致系统内能量不断 累积使系统振幅不断增大的现象。研究表明冰自激振动发生是有一定条件的： 1 ) 冰速是影响产生自激冰力的重要因素冰白激振动的发生条件对冰速十分敏感。冰对结 构作用的自激振动一般发生在较低的冰速，而且在较窄的冰速范围内。 2 ) 自激振动与结构的变形密切相关。柔性结构较刚性结构更易发生自激振动：冰作用处较 柔的结构比冰作用处较刚的结构更易发生自激振动。 3 ) 结构与冰接触面越窄越容易发生自激振动；冰越厚发生自激振动的可能性越大。 1 4 振动控制方法概述 自从美籍华人i o j t p 【2 7 】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，目前己成为结构工程和 振动工程领域最具前沿性的发展方向之一。在土木工程领域中，由于高层建筑与大跨度 桥梁的出现，为保证结构的完整性与其它要求如建筑中人的舒适性等1 ，往往要对由环 境外载如风、地震等) 引起的响应进行控制。近3 0 年来，结构振动控制在土木工程领域 已得到很多应用。结构振动控制发展至今，已经成为结构设计的一个有力辅助工具，使 结构设计思想从仅仅靠增加结构刚度，发展成为追求结构质量、刚度和阻尼的合理分布， 为工程设计与建设开辟了一条新的途径。在同样的造价下，采用结构振动控制设计可以 得到性能更优的设计方案，而在同样的性能要求下，结构振动控制设计往往能够得到造 价更低的设计方案。土木工程结构振动控制的研究与应用已有3 0 余年的历史，其研究 和应用大体上可分为被动控制、主动控制和半主动控制。因本文主要涉及被动控制所以 将详细介绍被动控制的内容，而对其他控制方法只做简要介绍。 被动控制是无外加能源的控制，其对受控结构的控制力是被动控制装置随结构一起 振动变形，因装置自身的运动而被动产生的，实质上是对结构自身的某些构造作些处理 以改变结构的动力特性，通过采用隔振、吸振和耗能等技术来减小结构吸收的能量，达 到减振的目的。被动控制因其构造简单，造价低，易于维护且无需外界能源支持等优点 而引起了广泛的关注，并成为当前应用开发的热点。许多被动控制技术已日趋成熟，并 已在实际工程中应用。一般被动控制技术分为隔振、吸振和耗能技术 1 隔振技术是在上部结构与基础之间安置适当的抑制振动的装置，一定程度的隔阻激励 向结构的传递，限制输入结构的能量，增大结构的自振周期，避开结构的卓越频率，同 时增加结构的阻尼，降低结构响应。基础隔振技术是国内外研究和应用最早的被动控制 方法。6 0 年代初我国的李力提出了用砂层和橡胶层隔振的思想和方法口8 】，其后于7 0 年 代美国的k e l l y 提出了叠层橡胶支座隔振的方法和技术【2 9 】，此后结构的隔振技术进入了 蓬勃发展的阶段。随着隔振的方法和技术的广泛应用，隔振的形式和装置也日趋多种多 样，出现了橡胶隔振、滑动隔振、摆动隔振、弹簧隔振等多种形式。由于结构隔振体系 的理论和实验研究已经比较成熟，工程应用正在逐步展开。日本是采用隔振技术最多的 国家，己应用于几百幢房屋，我国也有3 0 多幢房屋和桥梁采用了这种技术。1 9 9 5 年日 本k o b e 地震中有两栋采用橡胶垫隔振的房屋丝毫未损，这表明橡胶垫隔振技术己经经受 住了实践的考验，并表现出优良的效果p o 】同时由于采用隔振手段技术简单，造价低、 性能可靠，因而是一种很有效的振动控制技术但它主要适用于自振周期短的中低层建筑 和刚性结构，而且橡胶隔振垫的老化和耐久性问题还有待于进一步的研究。 2 动力吸振技术是在主结构上附加一子系统，在荷载作用下，大量吸收保护主体结构。 动力吸振减振通过子系统对能量的阻尼器( 地) ，装置常见主要有调谐质量阻尼器 ( r n 皿) 、调谐液体液压一质量控制系统( h m s ) 等口”：几种形式。 并配以弹簧和阻 尼器与主结构相连，应用共振原理，调谐液体阻尼振动控制系统f r l d ) 同样采用共振原 理，n 仍系统是在结构上加惯性质对结构的某一振型加以控制。依靠液体的振荡来吸收 和消耗主结构的振动能量，减小结构的动力响应。液压质量振动控制系统( m 讧s ) 系统由 锥体结构冰激振动与隔振锥体设计 液压系统和质量块组成，当结构振动时，液体和质量块随之振动，从而耗散和吸收振动 能量，实现对结构的减振作用。吸能减振系统具有结构简单、造价低廉和易于应用等特 点阁。目前己有较多的结构安装有动力吸振控制装置，包括美国波士顿6 0 层j o l l i lh a i l l ( o k 大楼、澳大利亚悉尼电视塔、日本大阪f u n a d e 大桥在内的多座高层建筑采用了孙d 技术， 日本横冰1 4 9 层的王子饭店等安装有t i 工、。由于啪和t i j d 只能对结构的某一振型 加以控制，因此，适用范围较窄。 3 i 耗能技术是将结构的某些部件设计成耗能构件或安装一些耗能器来消耗振动能量。如 安装粘弹性阻尼器( 利用材料的粘弹性改变结构的能量储备与耗散) 、摩擦阻尼器( 通过摩 擦装置滑动做功) 等。7 0 年代初美国k e l l y 提出了在结构中设置耗能元件一金属软刚屈 服耗能器，来耗散本来由结构耗散的能量，这种思想是对结构抗振设计的一个重要发展， 并形成了结构耗能减振的一个重要方向。之后迅速出现了粘滞、摩擦、粘弹性等阻 尼器。耗能阻尼器是利用结构振动产生的位移反馈到耗能阻尼器中，使所设计的结构在 运动时，产生摩擦材料之间的摩擦耗能、材料弹塑性滞变耗能、粘弹性剪切变形耗能和 流体的粘滞耗能等，以达到减小结构的振动响应。目前耗能减振技术是受到人们青睐的 一种有效的被动控制方法。前美国纽约世贸大厦就设置了一万多个粘弹性阻尼器，有效 的控制了结构的风振响应。不同的结构耗能技术具有广泛的适用性，同时耗能装置成本 低廉、性能可靠。但是需要装设较多数量耗能装置才能起到有效的减振效果。虽然被动 控制系统不需要外部能源，但是被动控制一般只对某种设定的荷载动特征进行控制，缺 乏跟踪和调节的能力。其效果明显依赖于输入激励的频谱特性和结构的动态特性，适用 范围较窄。 主动控制是通过安装在结构上的传感器测得结构的响应或外加荷载，由控制计算机 行处理分析并按照某种控制算法计算出控制力，由电液伺服系统或其他伺服系统将控制 力施加到受控结构上，从而减小结构动力响应。传感器、计算机控制技术和可控主动加 力装鬓是结构主动控制的三个重要组成部分。结构主动控制的研究涉及控制理论、随机 振动、结构工程、材料科学、生物科学、机械工程、计算机科学、振动测量、数据处理 和自动控制技术，是一门交叉学科。主动控制通常包括两类基本控制方式：开环控制和闭 环控制。开环控制方法是直接对系统扰动输入( 荷载) 进行量测，根据系统扰动输入的情 况综合出控制律。开环控制的在线计算量较小，对系统元件的精度要求较高，抗干扰力 差。主动闭环控制法是通过适当的系统状态反馈或输出反馈，产生一定的控制作用，从 而控制结构的振动。闭环控制的在线计算量较大，但具有较高的扰干扰的能力，对控制 元件的要求也不高，而且能保持连续地对较高控制效果进行监测。由于主动控制克服被 大连理工大学硕士研究生学位论文 动控制系统在控制力输入方面的局限性，主动控制技术一般可以取得比被动控制更好的 控制效果。 半主动控制一般以被动控制为主体，控制力虽也由控制装置自身的运动而被动地产 生，但它需少量能量用于改变控制系统的参数或工作状态，进而起到调节控制力的作用， 以此适应系统对最优状态的跟踪，从而减小结构的动力响应，实现对结构的可调控制。 半主动控制方法由传统的力控制发展为参数控制，这是对结构振动控制理论的一个巨大 的推进。由于具有参数控制的特性，半主动控制比主动控制更容易实施、更经济。半主 动控制的可调性使其具有不错的控制效果。 1 5 海洋平台振动控制研究现状 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。因此结构强度问题是首先需要考虑的，随着研究的深入和设计 标准的提高，振动控制问题越来越受到重视。结构受到外界激励，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。因此，海洋平台结构的振动控制一直是工程界十 分关注的课题。 为了减小环境动力荷载对海洋平台和上部组块的作用，国内外研究学者们对应用于 海洋平台结构中的振动控制技术进行了广泛的研究。l e e 【3 2 】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 t l z o 和r 0 9 e r 口3 1 贝0 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【3 4 】等采用 海洋平台阻尼减振分析粘弹性耗能器对海洋平台结构进行冰致响应控制。陆建辉等阅针 对单自由度海洋石油平台模型进行了n 皿i 振动控制分析。王翎羽等【3 6 】将n d 用于海洋平 台进行了减冰振的研究和实验，并取得了较好的效果。李宏男等【3 7 】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震研究。欧进萍等【3 8 】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分析。管友海等【3 9 采用单自 由度的海洋平台模型使用最优b g - b a n g 控制策略对基于磁流变阻尼器的海洋平台结构 半主动控制进行进行了研究。欧进萍【4 0 等使用两个自由度模型进行了导管架式海洋平台 结构的磁流变阻尼隔振控制分析。李宏男等采用神经网络半主动调液柱型阻尼器( t l c d ) 对海洋固定式平台进行振动控制研究。张春巍等 4 1 】采用单自由度海洋平台模型对在海洋 平台结构上使用a m d 主动控制进行了分析。 锥体结构冰激振动与隔振锥体设计 虽然众多学者对海洋平台结构振动控制已进行了一些研究，但是实际工程意义上的 海洋平台减振技术还未出现，很多研究只是具体工程运用的前期探索。本文认为要使结 构振动控制与海洋平台结构工程运用相结合，在研究中还需注意以下几个方面。第一， 虽然很多学者对被动阻尼技术在海洋平台上趵运用进行了研究，但是这些研究都是针对 具体的某种阻尼器和某种减振方案进行的，未能对阻尼器件的阻尼与刚度参数等主要参 数对结构减振影响进行分析，而只有通过这样的分析才能找到在海洋平台结构上运用阻 尼减振的规律，为具体阻尼器和减振方案的选取提供参考。第二，很多学者在对导管架 海洋平台进行结构振动控制分析时将平台结构简化成两个自由度甚至单自由度模型，我 国海洋平台以导管架平台为主，导管架海洋平台是一个框架结构，对海洋平台的如此简 化应该会引起较大的误差。因为平台模型的创建将直接影响到减振分析的效果和具体减 振装置参数的确定，所以应做好海洋平台结构的建模。第三，在振动控制装置的选取上 不应有随意性，海洋平台虽是一个巨大的水工结构，但是海洋平台不能提供过多的空间 用于安装减振装置，因为一半的海洋平台结构在海面以下，从海面到甲板部分空间相对 狭小而且还要安装诸如破冰锥体、采油和测冰等装置，因此海洋平台结构不能安装大型 和大量的减振装置，所以在平台上安装何种控制装置还需斟酌。第四，海洋平台结构振 动控制方式的选择上还需注意，海洋平台形体粗大，如果采用主动控制方法，虽然控制 效果好，对环境适应性强，但完全依赖外部能源，如此巨大的能量完全依靠外部输入在 实现上有一定的难度，因此，在目前的情况下，海洋平台结构的振动控制采用主动控制 方法似乎不太理想，采用被动、半主动控制或混合控制方法应该比较可取。第五，目前 海洋平台结构振动控制的主要局限在理论研究，要使理论与工程实际相结合，还需通过 广泛有效的实验来验证理论的可行性。 1 6 本文的主要研究工作 本文主要探讨在海洋平台上应用隔振技术。建立了两个自由度的力学模型，并对其 解进行探讨，在忽略阻尼的情况下可以得到解析解。确定隔振装置的最优阻尼和刚度， 同时对现有的平台进行模拟仿真得到与结果相同的结论。在具体隔振装置的选择上，我 对比了不同的隔振装置，最终选择了橡胶支座，同时对它的力学性能和设计进行了较详 细的分析。 大趣工大学硕士研究生学位论文 2 固定锥体的冰激振动和锥体冰荷载 2 1 直立结构冰激特点 我国渤海多以导管架平台为主，导管架平台可分直立结构和加锥结构。 直立结构上海冰破坏模式主要是挤压破坏，冰力高且周期短。频率变化范围大，规 律性差。其宏观表现是结构在按其固有频率振动中受到外冰力影响较大，各种频率成分 对结构振动都有贡献，其振动曲线中夹杂着高频成分。分析其振动频率，发现高阶频率 很多，有时里白噪声状。而这些高频成分往往对结构上部建筑和管线造成很大的影响和 破坏。换句话说，平台可以呈现连续的高阶振动模式，这些高阶微幅振动虽然对平台结 构本身的危害不大，但对于平台井口等上部设施，却可以被选择性地吸收。从而造成上 部设施的剧烈低周微幅振动。图2 1 为直立结构一般随机振动。 j z 9 3 平台振动位移曲线 1 0 5 唇 话 。 掣 一o 5 1 l o o1 0 51 1 01 1 5 时间( s ) 图2 1j z 9 3 平台振动时程曲线 f i 9 2 1t y p i c a lc u r v eo fr e s p o n s eo fj z 9 3 除此以外，直立结构在某些条件下发生稳态振动时，结构强烈振动持续时间较长， 频率非常之高，可以导致导管架结构短时间内出现疲劳裂纹，造成低周疲劳破坏，而这 种破坏模式恰恰是工程中最危险的模式。图2 2 为直立结构发生稳态振动的结构位移响 应时程曲线。 4 06 08 01 0 01 2 0 t i m e ( s e c o n d ) 图2 2m s 平台稳态振动结构位移响应时程曲线 f i 9 2 2t y p i c a lc u r v eo fr e s p o n s eo fm sp l a t f o r m 2 2 固定锥体的冰激特点 锥体结构由于海冰破坏模式是以弯曲破坏为主，其冰激振动响应有其独有的特征， 冰力时程较有规律，具有明显的周期性，其宏观表现就是结构在外冰力作用下基本按其 固有频率发生振动，高频成分几乎没有，在结构上就呈现一种非常光滑的正弦振动曲线， 其振动频率基本等于结构固有频率。当冰速与冰厚达到某种特定值，冰力周期接近甚至 符合结构固有周期时，结构发生共振。最近几年，课题组成员在j z 2 0 - 2 m u q 平台甲板 上安装了拾振器，记录了结构振动响应时程曲线。得到的典型的 锥体振动曲线如下图所示： 6i 1 j jl 0 | l 1 1i1 | f 、j协 圳， f v v uv l 洲f川i yov v t y | f y 1i 。 f l | | | | |； 哪 删删 一e)lcmemoidia 大连理工大学硕士研究生学位论文 对其进行了谱分析曲线如下图4 ：从图中我们可以看出，锥体结构振动，有明显的 动力放大和衰减过程。冰力时程具有明显的周期性，而频率分析又发现其频率主要集中 在0 8 9 8 ，超过了结构的固有频率0 8 7 5 ，这样就完全可能在冰力频率接近甚至符合结 构固有频率时引起平台的共振发生，这对于结构的安全是非常不利的，在工程上也应该 尽量避免。 图2 4m u q 振动曲线频域分析 f i 9 2 4t y p i c a lc u r v eo ff r e q u e n c ya n a l y s i so fm u q 但实际情况是，锥体结构在冰激振动下达到共振的情况很少见，或者即使发生共振 也不会持续多长时间，一般来讲，动力放大次数均不超过1 0 次，都在3 至7 之间，因 而对结构破坏，特别是疲劳破坏不会造成很大的影响。分析其原因是因为海冰与锥体作 用的随机性导致了破碎的不规则与冰力周期的随机性，从而使得结构振动放大与衰减交 替进行。 综上所述，我们的观点是，冰区平台结构在加装抗冰锥体后，对平台的安全保护来 讲，效果是明显的。但如果能打乱平台锥体的破坏周期性，使冰的破碎周期远离结构固 有周期，表现为一种无规律的振动形式，那么其抗冰效果将会更好。 2 3 锥体冰荷载 经过岳前进教授 4 2 】等多名科研人员的长期研究，通过对锥体结构振动响应与冰速， 冰厚的关系、冰一锥相互作用的动冰力机理分析、冰力模型的简化及冰的弯曲破坏过程 等的研究，基本确立了加锥结构的冰力函数： 锥体结构冰激振动与隔振锥体设计 ff 剑r 、 图2 5 简化的冰力函数 f i 9 2 5s i m p l i f i e di c el o a df u n c t i o n 根据图5 我们可以得出如下三参数的冰力函数。 r，、 刑； e l 卜刊 ( 0 引“) ( 2 1 ) 【o0 茎f r ) 式中。为冰力幅值；丁为冰力周期；f 为冰与锥体的作用时间。 1 ) 冰力幅值的确定 由于冰与锥体作用后完全卸载，动冰力幅值就是锥体的最大静冰力。因此，可借 鉴关于已有的关予锥体静冰力研究。关于锥体静冰力计算公式一般采用二维模型与三维 模型，通过室内实验建立，于永海，岳前进( 2 0 0 0 ) 对锥体的冰力模型进行了总结。 研究结果表明：锥体水平静冰力主要由冰弯曲强度与上爬力两部分决定，基本表达 式为： f = a 。f t 2 + b p l 舀分 ( 2 2 ) 式中盯，f ，一，d 分别为冰的弯曲强度，冰厚，冰的密度及与冰作用部位锥体直径。a 、b 分别为与结构和冰有关的综合系数。 因为对于窄锥体，不必考虑克服坡前堆积的力，我们取h i r a y a i 玎a o b a r a ( 1 9 8 6 ) 静 冰力计算公式弯曲破坏引起的水平作用力： n f = k 町2 0 3 4( 2 3 ) c 占 式中表示冰的破碎长度，k 为待定系数，可以通过实验确定。 除此以外，我们通过压力盒的实测数据，运用统计方法得到真实的冰力。这里我们 注意到，压力盒测量所得到的e 并非作用在平台结构上的总冰力，而仅仅是一个压力盒 大连理工大学硕士研究生学位论文 上的冰力，那么如何得到总冰力昵? 我们假设环锥体放置的压力盒上其冰力是均匀分 布，那么作用在一个桩腿锥体上的冰压力可由下式计算： f 。= ( ) 叩e 2 4 其中，d 锥体作用直径； 4 压力盒作用宽度； 州形状系数，对于圆形结构取0 9 。 由此我们可以推断，作用在平台结构上的总冰力大小为 ，n = r e 。 ( 2 5 ) 式中，是迎冰面作用桩腿数。 以上我们仅仅推算了平台结构的冰力计算，而实际的导管架平台结构其受力情况极 其复杂，其中涉及到冰与结构锥体作用面上的非均匀施力；冰在多桩腿的非同时破坏以 及冰在结构前的堆积造成的影响等。因此，真实的冰力其值要小于我们所得到的冰力值。 印 ，j = 七，n ( 2 6 ) 式中，i 是修正系数。 为了求得上述公式中的女值，我们将由单一压力盒测得的冰力时程，输入计算机运 算得到的结构响应，与真实实测的结构响应进行对比，其值必然要小，这个比值我们定 义为口。则平台所受总冰力即为此单一压力盒冰力值f 与口的乘积。也就是说： 眨= 口e 可以求出修正系数t 的值来： t ：黑 ( 2 7 ) - d 2 ) 冰力周期的确定 为了研究锥体的动冰力，冰力周期的确定具有十分重要的意义。如果冰排与锥体作 用产生弯曲，则冰力周期由破碎长度与冰速决定，即： 7 1 = 兰( 2 8 ) 一 其中，v 为冰速，主要是风与流的拖曳力控制，在短时间内可以认为是常速。因此， 破碎长度是决定破碎周期的关键因素。它应当是锥体形状与冰厚、冰速等参数的函数。 锥体结构冰激振动与隔振锥体设计 比如，锥角、锥径、锥表面磨擦系数等都是影响破碎长度的重要因素。李锋，岳前进( 2 0 0 0 ) 研究了冰的破碎长度与锥体尺寸的关系。对渤海的导管架结构，由于桩腿直径与潮位的 限制，安装锥体的几何尺寸变化空间很小。实验中发现，在结构形状尺寸一定的情况下， 冰的破碎长度受冰厚的影响最大，冰速的影响可以忽略不计。图班为现场测量的破碎长 度与冰厚关系。结果表明，冰的破碎长度与冰厚基本成正比且在7 倍左右。 宿 。 能 蚶 世 崔 l27 2 t 轳 z 2 0304 o5o 冰厚( c m ) 图2 6 窄锥结构海冰破碎长度与冰厚的关系 f i 9 2 6 t h er e l a t i o nb e t w e e nb r e a k i n g1 e n g t ha n di c et h i c k n e s so fn a r r o wc o n e 3 ) 冰力作用时间的研究 影响冰与锥体作用时间的因素比较多。冰在弯曲断裂后，在后续冰排的作用下，沿 锥体一面上爬过程，对锥体仍然存在的水平推力，直到发生二次断裂或清除，使冰力全 部卸载。首先需要回答的是在冰沿锥面上爬时楔形梁是否会发生二次断裂。分析结果表 明，产生二次断裂的原因主要是由锥径与锥角决定，对于较陡的窄锥一般都会发生二次 断裂，并被迅速清除。同样，因为导管架结构通常只能安装陡的窄锥，我们只讨论这种 情况。 目前，理论上的分析还在进行，各因素的影响机理仍不清楚，加之现场条件的极端 复杂，我们只有简单的通过压力盒数据直接测量冰与锥体的作用时间。在没有做出彻底 的分析前，我们先采用压力盒测量的结果，给出经验系数。 图2 7 为某一工况下的测量结果统计图及其回归曲线。 大连理工大学硕士研究生学位论文 踩 匿 旺 世 蜒 姆 竹 * 冰爬作用时间与作用周期关系 0o 20 40 6o 8l1 z1 41 61 8 冰爬作用时间 图幻窄锥结构冰力作用周期与作用时间的相互关系 f i 9 2 7 t h ec o r r e l a t i o nb e t w e e np e r i o da n dd u r a t i o 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