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大尺度海洋结构上的冰力识别研究 董庆锋( 机械设计及理论) 指导老师：徐兴平教授 摘要 海冰是海洋平台最重要的设计载荷之一，各国学者提出了不同的静 冰力计算公式，其中最著名的是德国的s c h w a r d 公式和美国石油学会a p i r p2 n 中的公式。目前，海冰力的计算主要采用这两种方法。 s c h w a r d 公式和a p i 公式的应用范围有限，只适用于直径小于2 米 的结构冰力计算。虽然海洋石油平台单个桩柱的直径不会超过2 米，但 平台发生堵塞时，堵塞区的尺寸远远超过2 米。这时，s c h w a r d 公式和 a p i 公式已不再适用。 本文对国内外静冰载荷的研究作了归纳和总结。重点工作是根据对 我国渤海海域的现场观测资料，总结了冰载荷对潍海结构物的主要作用 力和计算方法，找出了适合于我国滩、浅海冰载荷的计算公式：根据胜 利9 号平台的特检测厚报告建立了该平台的有限元模型，围绕该模型运用 了不同的方法进行了平台的模态参数识别研究、动载荷的识别研究并分 析其动力特性；采用有限元软件模拟结构动力测试得到结构响应，分别 应用正交多项式算法，特征系统实现算法( e a a 法) 和改进的e r a 法对结构 模态参数进行识别，得到了与分析模型一致的频率和振型，验证了这两 种识别方法的模态参数识别能力。此外，利用传统的模态分析识别方法 和时域正演方法对所施加的载荷进行识别，并对这两种方法进行比较并 总结，证明了这两种方法在理论上的正确性和实用性。 关键词：冰载荷，海洋平台，模态识别，载荷识别 i c el o a di d e n t i f i c a t i o no nl a r g eo f f s h o r es t r u c t u r e d o n gq i n g f e n g ( m e c h a n i c a ld e s i g n & t h e o r y 、 d i r e c t e db yp r o f e s s o rx ux i n g p i n g a b s t r a c t t h ei c el o a di st h em o s ti m p o r t a n td e s i g n i n gl o a d o ft h ep l a t f o r m s c h o l a r si nm a n yc o u n t r i e sh a v ep r e s e n t e dd i f i e r e n ts t a t i cl o a df o r m u l a s t h e m o s tf a m o u so fw h i c ha r es c h w a r df o r m u l aa n da m e r i c a np e t r o l e u m i n s t i t u t i o n sf o r m u l ai na p ir p2 n t o d a y , p e o p l em a i n l yt a k eu s eo ft h e s e t w of o r m u l a st oc a l c u l a t ei c el o a d t h ea p p l i c a t i o nr a n g eo fs c h w a r df o r m u l ai sl i m i t e d ，i tc a no n l yf i tf o r c a l c u l a t i n gi c el o a do fs t r u c t u r e sw i t ht h eo u t e rd i a m e t e ro ft h es i n g l ep i l e s m a l l e rt h a n2 m a l t h o u g ht h es i n g l ep i l e so u t e rd i a m e t e ro fp l a t f o r mi s s m a l l e rt h a n2 m ，b u tw h e nt h ep l a t f o r mh a p p e n st ob eb l o c k e d ，t h es i z eo f b l o c k e da r e ai sf a rm o r et h a n2 m i nt h i sc o n d i t i o nt h et w of o r m u l a sa r en o t a p p l i c a b l e t h i sp a p e rm a k e sc o n c l u s i o na n ds u m m a r yt or e s e a r c ho fs t a t i ci c e1 0 a d a th o m ea n da b r o a d t h ee m p h a s i si sp u to ne s t a b l i s h i n gt h ef i n i t ee l e m e n t m o d e lo fo n ep l a t f o r mi nb o h a is e aa n dr e s e a r c h i n go fm o d a lp a r a m e t e r i d e n t i f i c a t i o n ，d y n a m i cl o a di d e n t i f i c a t i o na c c o r d i n gt op l a t f o r mm o d e l a t f i r s t ，f i n i t ee l e m e n ts t r u c t u r em o d e lo ft h ep l a t f o r mi ss e tu pa n dt h ed y n a m i c c h a r a c t e ri sa n a l y z e d ；t h e na n s y ss o f t w a r ei su s e dt og e ts t r u c t u r er e s p o n s e t h r o u g hs i m u l a t i n g a n dd y n a m i c a lm e a s u r i n g ，i d e n t i f y i n gs t r u c t u r em o d a l p a r a m e t e r sw i t ht h et r a n d i t i o n a lm o d e li d e n t i f i c a t i o n e r aa n di m p r o v e d e r aa n dg e tt h ef r e q u e n c ya n dm o d eo fv i b r a t i o nc o n s i s t e n tt oa n a l y s i s s t r u c t u r e t h ec a p a b i l i t yo ft h r e em e t h o d st oi d e n t i f ym o d ep a r a m e t e r si s p r o v e d l o a d so nt h ep l a t f o r m a r ei d e n t i f i e du s i n gt h et r a n d i t i o n a lm o d e l i d e n t i f i c a t i o nm e t h o da n dt i m ed o m a i ns e q u e n c e dm e t h o d t w om e t h o d sa r e c o m p a r e da n ds u m m a r i z e d t h e i rp r a c t i c a b i l i t yi sv a l i d i l i z e d k e yw o r d s ：i c el o a d ，o f f s h o r ep l a t f o r m ，m o d el d e n t i f y ，l o a di d e n t i f y 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。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过的研究成果，也不包含为获得中国 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 签名缢函乱年k 月1 ) 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名 导师签名 4 1 卫6 年叶月l 曰 刀口6 年 乒月j 厂日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第1 章前言 近几年来在国内以及世界范围内出现了资源和能源供求关系紧张的局 面，国家也因此加大了能源开采的力度。我国的石油资源相对来说比较有 限。国内的几大油田如大庆油田、胜利油田等已进入开采的后期。尽管新 油田也在逐渐的被发现，但仍然不能满足国内的需要。目前我国石油产量 的增长点主要是在海上。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 a n a 海域建造第一 座钢质海洋石油开采平台以来，随着海洋油气资源开发的大规模发展，世 界上已建造近6 0 0 0 余座海洋石油开采平台。我国自2 0 世纪6 0 年代起开始 在渤海勘探和开发海上石油以来，目前已建成海洋平台1 0 0 余座。随着我 国渤海大油田的开发，近5 年还将建设i 0 0 余座海洋平台。 海洋平台用钢量巨大，结构复杂，施工困难。与陆地的大型钢结构相 比，它所处的海洋环境十分复杂和恶劣，风、海浪、海流、海冰和潮汐实 施作用于平台结构上，同时还受到地震的威胁。其中海冰对海洋工程结构 物的作用力是寒冷地区海域结构物设计的控制荷载之一。下面通过几个设 计实例中冰荷载与风、浪、地震荷载的比较，可以看出冰荷载在海洋工程 中的意义川。 ( 1 ) “海二井”的设计与倒塌 建于渤海湾的“海二井”，总共由1 5 根直径为8 5 0 毫米、壁厚2 2 毫 米的空一t l , 钢管桩支撑；每根桩长4 1 米，打入海底2 8 米，水上部分管桩 之间由导管架连结，设计波高k 为6 9 5 米，平均周期取为7 9 秒。设 计中认为海冰的影响不大，故取波浪荷载为该平台的控制荷载，然而， 该平台虽然能经受住定风、浪的考验，但却于1 9 6 9 年3 月9 日被海冰 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 推倒。 ( 2 ) 阿拉斯加库克湾独柱式石油平台的设计 美国加利福尼亚石油公司1 9 6 4 1 9 6 6 年问在阿拉斯加库克湾设计 建造了一座独柱式采油平台，桩径8 7 米，设计波高取为8 米，周期8 5 秒，地震烈度8 5 度，冰的极限抗压强度2 1 m p a 。计算结果表明，若取 冰厚为l 米，则冰荷载约为1 5 m p a ，冰厚取为0 7 米，冰荷载约为9 m p a ， 而波浪最大荷载仅约为6 m p a 。该平台经受住了1 9 6 8 1 9 6 9 年冬季阿拉 斯加库克湾发生的严重冰封的考验。然而，1 9 6 2 年、1 9 6 3 年先后在库克 湾建造的两座海上钻井平台，因为设计时没有考虑冬季的冰压力。均于 1 9 6 4 年被海冰摧毁。 ( 3 ) 大沽灯塔的设计与建造 大沽灯塔为一总高j 6 4 5 米的海上圆筒形钢筋混凝土建筑物，海平 面以上部分高4 3 6 米，基础为低桩墩式结构，基础为5 4 根直径8 0 0 毫 米、长4 5 米的开1 3 钢管桩，墩台为截头圆锥形沉箱。设计波高为5 7 米，周期为8 7 秒，冰厚1 2 毫米，冰的极限抗压强度1 5 m p a ，风压7 0 0 p a ， 地震烈度8 度。据此计算所得之波浪力为2 5 9 8 k n ，极限冰压力为 9 3 1 0 k n ( 水位为+ 3 6 米时) 和1 4 9 7 0 k n ( 水位为一2 0 8 米时) ，风压力为2 2 5 k n ，地震力5 1 9 3 k n 。由此可见，在设计中，冰荷载远大于所有其它荷载 之总和。 由以上三个例子可以看出，在渤海近岸海域，海冰对海工建筑的作 用力必须予以充分注意，冰压力是渤海近岸海域海工建筑设计的重要控 制荷载。 近年来，海冰对工程结构物的影响、破坏作用和防护措施的研究有 了进展，但仍是今后一个长久性的研究课题。在国外，对河冰的研究于 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 本世纪上半叶就已开始，以破冰船为先导的海冰研究从五十年代也已经 开始，并且在最近二十年有了长足的进步；我国对海冰的认识和研究始 于1 9 6 9 年渤海冰毁事故之后，至今也有三十多年，所有工作都是围绕渤 海特别是辽东湾的冰而展开的 2 1 。研究成果为渤海油气开发作出了应有 的贡献。但是。由于海冰问题的复杂性和研究历史毕竟较短，以致许多 基础性问题仍没得到很好解决。其中，比较关键的问题有静冰力的作用 机理和冰荷载的计算方法，冰激振动的机制和结构动力响应的分析方法 等。由于在目前诸多的冰载荷计算公式当中，还没有种适用于大尺度 结构冰载荷的计算。所以针对大尺度结构物，本文主要采用问接的方法， 即载荷识别法对作用于其上的冰载荷进行确定，避免了直接测量法的诸 多不便，该方法的研究对海洋结构冰载荷的确定有着重要的意义。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外研究现状及进展 第2 章国内外研究现状及进展 2 1 冰载荷研究的现状及进展 随着寒冷地区海洋石油天然气的开采。世界各个国家对海冰载荷的 研究投入了大量的人力和物力。其中芬兰、德国、加拿大、美国等都在 该领域取得了众多的研究成果。加拿大还建立了专门的组织机构 a p o a ( t h e a r c t i cp e t r o l e u mo p e r a t o r sa s s o c i a t i o n ) ，他们首先对海冰的微 观结构，颗粒尺度，成核和运动，冰的物理、化学性能等等进行了深入 的分析和试验。他们对冰的抗压强度( 单轴、多轴和非轴向) 、剪切强度、 抗弯强度、断裂韧度等作了大量的工作【3 1 。他们发展了海冰结构微观观 测技术，很好的研究了极地冰的形成、生长、和运移，对冰的特性和特 征作了定量和定性的充分描述，尤其对不同类型冰和各种海洋结构的作 用进行了大量的模型试验、野外原型试验。美国科研人员的主要研究基 地是c r r e l c u sa r m yc o l dr e g i o nr e s e a r c ha n de n g i n e e rl a b o r a t o r y ) ，并 有专门的组织a o g a ( t h ea l a s k ao i la n dg a sa s s o c i a t i o n ) 实施工业部门的 研究计划。他们的工作是围绕钻井海洋平台在冰区的安全作业雨形成的， 这主要归因于1 9 6 4 年在a l a s k a 库克湾的两座钻井平台被冰摧毁。海冰 本构关系的研究主要来自c r r e l 、e p r ( e x x o np r o d u c t i o nr e s e a r c h c o m p a n y ) 和d a r t m o u t h 大学，进行了各种单轴试验和多轴试验，研究了 海冰的本构关系和屈服准则1 4 l 。 美国，日本和欧g h 国家早已开展冰对海洋平台作用机理方面( 特别是 冰力) 的研究工作，本世纪七八十年代发表了大量有关冰力计算方面的研 究论文。美国、前苏联和丹麦等国也给出了类似的冰力计算的经验公式， 其中最著名的是s c h w a r z 公式和美国石油学会a p ir p2 n 中的公式。目 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外研究现状及进展 前，海冰力的计算主要采用这两种方法阁： ( 1 ) s c h w a r z 公式： f = 3 5 7 d c 式中，d 为结构物直径，i n ；f 为冰厚，m ；c 为冰的无侧限压缩强度， m p a 。 ( 2 ) 美国a p i r p 2 n 中的公式： f = i f c d t 式中，为嵌入系数；f 为接触系数。 s c h w a r z 公式的应用范围有限，只适用于直径小于2 米的结构冰力 计算。虽然海洋石油平台单个杆件的直径不会超过2 米，但平台发生堵 塞时，堵塞区的尺寸远远超过2 米。这时，s c h w a r z 公式已不再适用， 而a p i 公式中的系数，和难以确定。f 的取值范围是0 3 0 7 ，当结 构尺度很大时，是否还在此范围内就难说了。因此，冰力和结构尺度 之问的关系和系数，和厂的确定是冰区海洋平台设计中急需解决的问 题。 由于我国的海洋石油工业起步较晚，这方面的研究也很晚。从8 0 年 代起，渤海石油公司系统开展了渤海海冰的冰清调查研究工作，做了 些现场测试工作。受海洋石油总公司等单位的委托，石油大学、天津大 学等从8 0 年代起也开展了海冰的实验研究工作，进行了海洋平台冰激振 动等方面的研究。虽然在冰情、冰激振动等方面取得了一些成果，但这 些都是针对深海的，是否适合滩海还不得而知。由于各方面的原因，到 目前为止，还没解决对滩海平台的作用机理等问题。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外研究现状及进展 2 2 模态参数识别的研究现状 在国外，模态分析技术与检测技术已取得了很大的成果，应用模态 参数改进检测结构的完整性；刚度矩阵法检测l 型截面带裂纹及钢筋混凝 土的缺陷：利用车辆振动检测高速公路桥桥身的破损；用振型法检测近 海石油平台的完整性；飞机、火箭实时损伤诊断等等。在国内来说，无 论在理论上还是在实践中，这一领域刚刚起步，仅见初探性的工作。目 前由不同的研究者基于不同的用途提出了一些环境振动模态参数识别的 方法，如基于功率谱密度的峰值法1 6 1 ，基于离散时间数据的a r m a 模型 时间序列法l ”，自然激励技术( n e x t ) d 1 ，随机子空间法州等。 2 3 冰载荷识别的研究及应用现状 动载识别法，目前主要分为频域法和时域法两大类【1 0 1 。所谓载荷识 别的频域法，是指根据测得的响应，依据系统的传递函数矩阵与响应谱 的关系在频域内确定动态力谱，或经模态坐标转换后计算模态力在频域 内的特性，然后由快速f o u r i e r 逆变换得到动态力的时程：所谓时域法， 其基本思想是，首先，利用最小二乘法根据实测响应求出模态坐标系下 的广义坐标；其次，在模态坐标系下由广义坐标求出广义外荷载：最后 利用最小二乘法求得实际的外载荷。这两类方法各有特点，都有一定的 效果。 频域法发展得比较早和成熟，应用亦较广泛，己形成了比较完整的 理论和计算方法，见诸文献的主要有频响函数矩阵求逆法、频域模态坐 标变换法和逆虚拟激励法等；相对而言，时域法发展得较晚，不够深入， 见诸文献的主要有阶跃力假设下的时域模态坐标变换法和时域正演法。 总之，这些方法的发展和提出，为动冰力的识别研究和应用打下了必要 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外研究现状及进展 的基础。 通过文献查阅可知，对于动态载荷识别技术在海冰工程中的应用， 即动冰力的识别问题，国内外仅有为数不多的几位学者涉及，下面将对 他们的工作进行综述。 对于动态冰力的识别问题，最早见于文献的是2 0 世纪8 0 年代初 m o n t g o m e r y 等人的工作。他们在加拿大a 1 b e r t a 一座桥梁的桥墩上放置了 若干个加速度传感器，并将桥墩简化成一单自由度系统，进而通过所测 得的加速度响应估算了作用于桥墩上的动冰力1 1 1 | 。 随后，天津大学的史庆增、徐继祖等人，将渤海4 号生活平台简化成 一单自由度系统，依据随机强迫振动理论，利用实测的位移响应反求了 该海域海冰的作用力及冰力谱。针对海上导管架平台实际为复杂的多自 由度空间结构，他们又发展了用于多自由度体系的自由加速度响应和应 变响应反求冰力的模态坐标变换法和程序，但仅适用于单激励单输出问 题。 鉴于实际平台的多条桩腿是同时受到冰力激励的，刘建成和顾永宁 等人提出了一种通过传递函数在频域内解耦进行逆推多点冰力的计算方 法邮l 。然而，由于上述方法都适用于在所考虑周期内待识别载荷均值为 零的情况，对于普遍存在的载荷( 如冰载荷) 均值非零的情况并不适用， 于是初良成等人又对模态坐标变换法迸行了改进，考虑了多激励多输出 问题，并将之应用于渤海平台的冰载荷识别，具有一定的理论意义和实 用价值。 在地震工程中，林家浩对于给定激励谱矩阵而求解响应谱矩阵的问 题，给出了快速精确的虚拟激励法“】。该法的特点是将平稳随机振动响 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外研究现状及进展 应的计算化为稳态简谐振动的计算，将非平稳随机振动的计算转化为普 通的逐步积分计算，在学术界影响很大。然后，林家浩和智浩对此法进 行了逆向推广，成为逆虚拟激励法，从而实现了由响应谱矩阵来反求 激励谱矩阵。具体应用时将冰载荷看作是平稳随机荷载，用逆虚拟激励 法识别了冰力谱。 在时域内进行动态载荷识别的工作起步较晚【1 6 1 。1 9 8 5 年，o r y 等【1 7 1 首 先提出了离散系统的动载时域识别方法。这个方法采用模态坐标变换将 运动微分方程转化为非耦合的形式，并假定在微小时问间隔内动态载荷 为一阶跃函数，然后求解非耦合方程，从而分别获得了己知加速度、速 度及位移响应历程等条件下的动态载荷计算模式，并在文中采用刚度、 质量凝聚的方法，给出了已知模态不足的情况下，修正动载荷的时域识 别模式。唐秀近在o r y 等工作的基础上，于1 9 9 0 年系统地提出了离散系统 的动载识别方法，并探讨了识别过程的精度问题，给出解决这些问题的 途径p s , 1 9 1 。初良成等又在此基础上进行了改进，提出时域正演法1 2 0 0 1 1 ， 并将之应用于渤海平台所受的动冰力识别上。该法是针对比例阻尼离散 系统动态载荷识别的一种新的时域识别方法，克服了对模态数的限制， 只要响应测点数不小于待识别的外载荷数，则通过测量的位移、速度、 加速度响应和足够的结构模态数就可识别外载荷，具有一定的工程实用 价值。 2 0 0 2 年，文祥荣等先对比例粘性阻尼系统进行模态坐标变换得到无 耦合的运动方程，然后应用精细逐步积分构造一种载荷识别公式，再由 结构动态响应求出动态力的时问历程阱l 。然而，该文提出的精细积分载 荷识别法认为在实际计算的仿真时段内载荷初值是难以给定的，因而在 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外研究现状及进展 实际的识别计算中仍采用待识别载荷在微小时段内为一阶跃载荷的假 设，因此其积分步长不能取得太大，这样就增加了计算量。同时，该文 并没有给出仅仅由结构的一种响应( 位移、速度或加速度) 进行载荷识别 的公式，实际应用时并不方便；对于连续系统的动载荷识别问题，朱继 梅和吕忠达1 2 3 1 将之完全归结为求v o l t e r r a 型第一类积分方程问题，但应 用时必须对载荷引入一定的假设，即假定动载荷的空间分布形式为己知 函数，而它的蝠值为随时间变化的待识别函数；或假定幅值随时问变化 的规律为己知的，而载荷的空间分布为待识别的函数。该方法使用时受 到了限制，因为一般性的载荷事先无法知道其空间分布形式或幅值的变 化规律。 另外，除了频域法和时域法之外。动载识别领域中还存在有其它方 法，简单介绍如下： ( 1 ) 逆系统法1 2 4 1 ：将控制论中的逆系统理论应用于动载荷识别，使 这种逆问题转化为建立原系统的逆系统，并在该逆系统中求解输出，即 归结为正问题的处理，面得到离散系统的动载荷识别模式。由于逆系统 存在的条件较苛刻，应用受到极大的限制。 ( 2 ) 参数拟合法1 2 5 1 ：随机载荷的功率谱密度的形状是己知的，甚至 有规范可查，此时可采用参数拟合法。其缺点显而易见，必须事先知道 随机载荷功率谱密度的形状。 ( 3 ) 等效点动标定法”1 ：用解耦的应变桥作为响应传感器，对结构 上某几个能反映结构在所关心频带内各阶模态的特定点进行标定，用频 响函数矩阵求逆的方法识别出作用于各标定点处与外载荷在某种意义下 等效的伪载荷，然后利用应变桥的解耦性，将各标定点的伪载荷合成， 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章国内外研究现状及进展 从而识别出外载荷的合力大小和作用位置。 ( 4 ) 级数展开法1 2 6 1 ：采用正交函数基，描述集中力作用下梁的变形 曲线，推导基于粱的变形数值反演所受集中力的大小和位置的计算公式， 属静态载荷识别问题。级数展开法由于所选用的幕级数的收敛性、稳定 性差，具有明显的缺点。 ( 5 ) s w a t ( s u mo fw e i g h t e da c c e l e r a t i o nt e c h n o l o g y ) 方法：即对 测得的加速度响应用加权求和的方法进行识别。该方法适用于具有刚体 振型的实际结构，所求的又是载荷合力，其识别精度取决于加速度动响 应的测试部位与加权系数的选取。 ( 6 ) 复合反演法：李杰等针对悬臂结构在地震和风振作用下的响应， 提出了一种基于统计平均思想的结构物理参数和载荷识别的复合反演方 法，根据结构时域响应数据，利用地震作用于结构的力学特性，通过迭 代最小二乘的方法同时识别结构的物理参数和地震动时程c 2 ”。 最近几年来，还出现了若干其它类型的新方法p 印1 。如小波正交算 子变换法1 、时间有限元法”1 及神经网络法3 ”。 综上所述，在动载识别研究领域，频域法和时域法因积累有丰富的 经验仍在工程界居主导地位，其它方法成为了一种有效的补充，由此也 显示了动载识别技术还处于发展和待完善阶段。然而，就时域法而言， 它在工程界的应用没有频域法那么广泛，尤其在动冰力的识别研究和应 用上显得更少。为什么会出现这种情况呢? 经过比较和归纳，我们认为， 相对于频域法而言。时域法能够直接依据结构的响应时程来识别未知载 荷的时间历程，不需经过f o u r i e r 变换在时域和频域间转化，避免了变换 计算误差，在工程界的应用前景广阔，这些优点是频域法所不具备的。 1 0 ! 里互鎏查堂! 望查! 堡主丝壅 笙! 童里堕之 堡窒翌鉴墨垄垦 但是，现有的各种时域识别方法，假定不尽合理，求解过程一般过于繁 琐，计算量大而且费时，稳定性和抗噪能力都比较弱，从而使其应用受 到了很大的限制。因此，对现有的时域识别方法进行改进，使之便于工 程应用，便成了我们努力的一个目标a 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章滩、浅海固定设施冰载荷的研究 第3 章滩、浅海固定设施冰载荷的研究 3 1 海冰对滩、浅海结构的作用形式 海冰对结构物的作用方式实际上是多种多样的 3 4 3 5 。根据对我国渤 海海域的现场观测，它们对滩海建筑物的作用主要有以下几种： ( 1 ) 冻融损坏作用 渗入混凝土海工建筑物表面附近毛细管孔道的海水，成冰时产生膨 胀压力，导致混凝土内部呈现应力状态。随着气温的剧烈变化，海冰的 冻融交变过程频繁发生，使得混凝土表皮脱落，产生“冻损”。 ( 2 ) 膨胀挤压作用 整体冰盖层由于温度巨变引起膨胀所产生的对结构的挤压力。 ( 3 ) 静力推压作用 大面积冰原在风和流的驱动下整体移动产生的对结构的挤压力。 ( 4 ) 撞击磨损作用 自由漂流的浮冰对结构产生的直接冲击力；当流冰从建筑物侧面滑 过时，对建筑物产生切割、磨损作用。 ( 5 ) 附着冰引起的竖向力 结构周围的海冰因气温下降而与结构结成一体，当水位涨落时对结 构产生垂直上拨力或向下作用力。 对于海洋钢结构如石油钴采平台，作用最大的是其中的所谓静力推 压i ，是指大面积的冰原在风、流的带动下与所遇结构相互作用而产生 的力，它的大小取决于结构的几何形状、冰的物理力学性质与冰类型、 以及冰的破坏形式。其中冰的破坏是冰与结构相互作用的直接结果，其 破坏形式对结构的作用和结构响应都有直接和显著的影响。渤海的冰主 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第3 章滩、浅海固定设施冰载荷的研究 要有三种破坏形式，即挤压破坏、弯曲破坏和屈曲破坏，其中以挤压冰 最为常见j 。一般来说，当冰排与窄细的刚性垂直结构( 如灯塔、固定 平台桩腿和管节点主、支管) 作用时冰的失效方式即为挤压破碎。这是最 常见和普遍的一种失效方式，也是冰对结构作用最严重的一种，其冰力 达2 6 m p a ( 对】米厚的冰) 。对纵横比( 结构直径与冰厚度的比值) 小于5 的结构，不管多厚的冰，都会以挤压的方式破碎。当冰排与窄细的斜面 结构作用时，冰排沿着斜面上移而发生弯曲，冰的失效方式呈现弯曲破 坏，其对结构的作用比挤压冰要小得多，对1 米厚的冰，冰力一般在0 5 1 o m p a 的范围。对于纵横比大于2 0 的结构，海冰作用于结构破碎后会在 结构前形成碎冰堆积，这种情况下冰的失效方式为屈曲破坏，冰的作用 力大约在0 2 1 o m p a 的范围( 指l 米厚的冰) 。此外，对于具有一定柔性 的结构，冰与结构的耦合作用最为明显，这时的冰般也都以屈曲的方 式破碎。现场实测和冰激振动响应分析均表明，这种冰最容易使结构发 生共振绑i 。此外，还有剪切冰和冰塞等对结构的作用，也有混合冰的作 用。不管是什么样的冰，也不管它以什么方式作用，平台结构所接受的 冰力都是十分巨大的，所激起的平台振动也是相当严重的。例如，大沽 灯塔( 一总高5 6 ，4 5 米的海上圆柱形钢筋混凝土建筑) 如按设计波高5 7 米、周期8 1 7 秒，设计冰厚1 2 米，风压7 0 0 p a 以及地震烈度8 级计算，其 极限冰力达1 4 9 7 0 k n 。而波浪力、风载和地震力分别只有2 5 9 8 k n 、2 2 5 k n 和5 1 9 3 k n ，冰载荷远远大于其它所有可能载荷的总和，且随着每天4 次涨 潮和退潮，海冰施加给平台的实际上是一种循环的近乎对称的载荷，这 种作用给结构造成的损伤更大。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章滩、浅海固定设施冰载荷的研究 3 2 海冰对结构物作用力的计算方法 冰对结构的作用是目前海冰工程研究中开展得最多的一个领域，主 要集中在冰力的测量和确定，研究手段包括模型试验、现场试验和检测、 物理和数学模型、有限元和边界元分析、冰力识别等等【3 9 】，研究的范围 和影响因素包括冰的类型、冰的失效方式、结构的几何形状与尺寸、冰 与结构的相互作用等等【”1 。综上所述，海冰对结构物作用方式实际上是 多种多样的，将它们大致归为五类，实际上还有其它的作用方式。这些 作用有时是单一的，有时是某几种的联合作用，而工程上所关心的是结 构所接受的总的冰力，而不管冰的作用方式。冰对结构作用力的大小受 很多因素的影响，如冰本身的固有特性、冰与结构相互作用的形式、冰 与结构之间的摩擦力、冰的破碎方式、冰厚、冰速、结构的几何形状与 尺寸、结构材料与表面粗糙度、结构的刚度等等4 2 ”】。对于给定冰条 件，冰力主要与结构迎冰面的几何形状有关。通过各种模型试验、现场 测试、物理数学模型的理论分析和各种数值计算，目前国际上比较流行 且工程上可采用的冰力计算方法可简述如下。 3 2 1海冰对结构作用力计算的参数公式法 ( 1 ) kop 撤ab mh 公式( 1 9 6 2 ) f = i ( v v o ) “3 m k d h r ( 3 - 1 ) 式中，f 为冰力，k n ；d 、h 分别为桩径及冰厚，c m ：v 为冰速，m s ； ，为局部挤压系数，当冰排宽度大于桩径的1 5 倍时，= 2 5 ：是参比 冰速，可取k = 1 0 m s ；m 是桩柱形状系数，对圆柱，取0 8 6 ：对方柱， 取1 0 ；k 为接触条件系数，取0 4 0 7 ，高冰速时取小值：r ，是冰的 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章滩、浅海固定设施冰载荷的研究 单轴抗压强度。 当不必考虑冰速( 或应变速率) 对冰强度的影响，只计冰强度的峰值 时，上式变为： f = i m k d h r i ( 3 - 2 ) ( 2 ) af a n a s e v 公式( 1 9 7 1 ) f = i m k d h r i ( 3 3 ) 式中，局部挤压系数，按下式取值： 当l d i h 6 时，：撕了爵再五；d h = i 时，j = 2 5 ；d i h = o 1 时，= 4 0 ；0 1 d h lo 时，在2 5 4 0 2 间线性插值。 ( 3 ) 我国石油天然气行业标准讨论稿建议的公式 f=imkdhr，(3-4) 它的形式和式( 3 2 ) 完全相同，只是系数取值有些差别，即结合我国实况 分别取为j = l ，2 ；k ：o 4 5 1m = 1 0 ( 对方截面) 或0 9 ( 对圆截面) 。 ( 4 ) 加拿大标准协会c s a 公式( 1 9 7 4 ) f = d 磁 ( 3 - 5 ) 式中。只为冰的有效应力，取0 7 0 3 2 8 1 2 m p a 。 ( 5 ) 加拿大灯塔规范公式( 1 9 7 5 ) f = m d h r f ( 3 6 ) 式中，册为考虑形状、接触条件的综合系数，取0 4 d ，7 ；冰的单轴抗 压强度只，取1 。4 0 6 1 7 5 3 m p a 。 ( 6 ) 苏联规范ch h n 2 1 0 6 1 0 4 8 2 ( 1 9 8 3 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章滩、浅海固定设施冰载荷的研究 f = i m k d h r 式中，j 为局部挤压系数：1 1 l 是形状系数，圆柱取0 9 ， ( 7 ) 中国船级社固定平台规范公式( 1 9 9 4 ) f = i m k d h r 式中，取2 5 ：所取0 9 ( x t 圆柱) ；七取0 4 5 。 ( 3 7 ) 方桩取1 0 。 ( 3 - 8 ) ( 8 ) 美国a p ir p2 n 公式( 1 9 8 4 ) f = c d h r ： ( 3 - 9 ) 式中，c 为综合影响系数，取决于结构形状、冰速等，取0 3 0 7 ；r 取 1 4 0 6 3 5 1 6 m p a 。 ( 9 ) 美国a p ir p2 n 公式( 1 9 8 8 ) f = i k d h r ( 3 - 1 0 ) 式中，称嵌入系数，实为局部挤压系数，但也包括结构形状影响；k 为 接触系数，它也包括形状的影响，规范建议美国阿拉斯加库克湾海区取 0 4 5 。 ( 1 0 ) 德国s c h w a r z 公式( 1 9 7 6 ，1 9 9 1 ) 1 9 7 6 年，s c h w a r z 根据在河流桥墩o 6 米直径立柱上的现场测试及在 美国d w a 的模型试验数值，提出了冰温0 时的冰力公式为： f = 3 6 5 d o15日”。r，(3-1 1 ) 1 9 9 1 年，根据渤海辽东湾冰力现场量测结果，s c h w a r z 又提出了一个 适用于全渤海的冰力公式 f = 0 1 5 d 0 1 5 h 川r ，( 3 - 1 2 ) ( 11 ) 日本h a m a y a k a 公式( 1 9 7 4 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章滩、浅海固定设施冰载荷的研究 f：cdo”hr，(3-13) 式中，系数c 对圆弧形截面取5 0 ，对矩形截面取6 8 。 3 2 2 各计算公式的比较 量纲的比较： 前述计算公式( 3 - 1 ) 至公式( 3 - 1 0 ) ：它们的特点是量纲协调，物理概 念明确。计算公式( 3 - 1 1 ) 、( 3 - 1 2 ) 、( 3 - 1 3 ) ：这类公式的最大特点是量纲 不协调，其原因是由试验实测数据进行拟合时造成的，其计算公式的通 用性差，离开试验或实测条件后，计算公式难以适用。 公式中系数的比较： ( 1 ) 冰排与桩柱接触面上应力状态的修正。 冰的抗压强度r ，是由单轴受压试验得到的，此时冰处于单向受力状 态，但实际上，桩柱接触面上的冰微元体受力状态比较复杂。当h d 相 对较小、且冰排较窄时，接触面上冰微元体接近于单向受力状态；当h d 较大、且冰排较宽时，接触面上冰微元体在前后、左右两个方向的变形 均受限制，呈现双向应力状态：当h d 很大时，在冰层中部局部区域上 的冰微元体还接近三向应力状态。由于局部挤压状态下的冰强度高于单 轴抗压强度，所以对足，进行修正是很必要的，公式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 、( 3 3 ) 、 ( 3 7 ) 、( 3 8 ) 、( 3 1 0 ) 都明确地用局部挤压系数进行了修正，但，的取 值方法各不相同。 ( 2 ) 对桩柱截面形状的修正。 由弹塑性力学可知，不同形状的压头在冰排中引起的应力分布、应 力集中情况各不相同，因而各公式几乎都明确地或隐含地进行了形状修 正。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章滩、浅海固定设施冰载荷的研究 ( 3 ) 冰排与结构物接触面积的修正。 冰力公式中，h d 是冰和结构物接触的投影面积。由于冰在许多情 况下呈现出明显的脆性性质，在接触面上冰排产生脆性破坏，出现许多 不整齐的“缺口”，使实际接触面积减小。冰速越高，这种情况越明显。 另一方面，即使在冰和结构物实际接触的面积上，冰排也不可能全部同 时达到极限强度而破碎。基于此，公式( 3 - 1 ) 、( 3 - 2 ) 、( 3 - 8 ) 、( 3 - 1 0 ) 用接触条件系数k 对冰力进行了修正，公式( 3 - 6 ) 中的m 和公式( 3 9 ) 中 的c 也都包含了接触条件的因素。 ( 4 ) 冰强度的修正。 冰的单轴抗压强度尺，与应变速率e 有十分敏感的关系1 4 4 1 ，而e 又 和冰速具有e = v 4 d 的关系，所以每种冰速都对应一个r ，值，因此k 0p 擐abhh 用( v v o ) - 1 n 对r ，进行了修正。但在多数情况下，海冰 在结构物前的速度可在相当大的范围( 包括出现峰值时对应的冰速) 内变 动，这时对尺，的修正没有实际意义。因此，除公式( 3 一1 ) 外，其他公式 都没有这项修正。公式( 3 1 1 ) ( 3 一1 3 ) 中，尽管也包含了上述各因素的 影响，但难以适应环境和结构条件的变化。 3 3 适合我国滩、浅海常用的冰力计算公式 通过对国内外冰力计算公式的分析、实例计算和比较，对我国滩、 浅海设施冰力计算提出采用如下公式： f = l m k d h r ，( 3 1 4 ) 式中，f 为水平冰载荷，k n ；，为局部挤压系数，按下式取值，当 l d i h 6 时，i = 1 + 5 日d ：d i h = l 时，= 2 5 ；d h = o 1 时， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章滩浅海固定设施冰载荷的研究 ，= 4 0 ：o 1 计算值要高，而很接近于a p ir p 2 n ( 1 9 8 4 ) 的推荐公式。但上述诸公式均未能同时具备前述式( 3 1 ) 、 ( 3 - 2 ) 、( 3 - 3 ) 三大特点： ( j ) 德国s c h g , a r z 根据渤海辽东湾冰力现场测量结果，提出了一个适 用于渤海的冰力公式 f = 0 5 d 0 5 h 置 ( 3 1 5 ) 从这个公式的物理概念、量纲协调上看，不如上述推荐的公式。但从后 述各经验公式计算结果的比较来看，s c h w a r z 为渤海提出的公式也比较切 合渤海的实际情况； 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章滩、浅海固定设施冰载荷的研究 ( 6 ) 与c c s 固定平台规范公式具有相同的形式。 3 3 2 各使用系数 ( i ) 局部挤压系数， 局部挤压系数是对冰样在单轴抗压强度试验时的单向应力状态和冰 排实际受力时多向应力状态之间的修正。理论分析和实验、实测都说明， 是冰排和结构参数的函数，故将，值取为固定值显然欠合理，( c c s 固定 平台规范取，= 2 j ) ，推荐用af a n a w o v 公式的取值。 在前苏联规范chmf i 中，也给出了不同d i h 时的，值，将 a f a n a s e v 取值与其比较发现： 两种方法得到的i 值，虽在一定情况下很接近，但a f a n a s e v 的方 法给出了任意d h ( 小于6 的范围内) 时的，值，苏联规范仅给出了个别 d h 时的川直。 a f a n a s e v 方法限定d ，h 的上限是6 ，这大致接近纯挤压破坏的界 限。苏联规范虽然给出了d i h 从l 直至无限大的，值，但当d h 太大时， 压屈和挤压两种破坏已兼而有之，甚至主要表现为压屈破坏，这已属于 大体积结构上的冰力问题。这一问题不但至今尚未很好解决，而且也不 属于小尺度桩柱的范围。考虑到上述两个因素，推荐公式中选取了 a f a n a s e v 自o 取值方法。 ( 2 ) 形状系数月2 按大多数冰力公式的取值，桩柱断面为方形时，形状系数为1 o ，圆 形( 包括正多边形) 时为o 9 。本文推荐公式采用了具有普遍意义的m 取值 方式，它可以计算非规则体( 非圆柱或方形) 的冰载荷。 (