船级社指南 固定式海洋钢质结构冰激振动与冰激疲劳分析指南 GD06-2018

I 1 1 2 4 5 6 7 7 7 1析指南，基于现场监测数据和数值模拟方法给出了渤海海冰环境参数的长期分布规律，并给出了静冰载荷和动冰载荷的计算方法，在此基础上阐述了冰区海洋平台冰激振动分析的具体条件、方法和流程，考虑了静冰载荷和动冰载荷的作用，并提出构的冰荷载计算。旨在从渤海海冰的环境参数出发，对冰载荷产生的冰激振动影响12345678GuidefortheFatigueAssess9FatigueDesignofOffshorProbabilisticMethodsforPlFatigueCracksinOpipelinesforarcticconditions(thir机械振动与冲击-人体暴露于全身振动的评价(第12由海水冻结而成的冰。广义上的海冰是海洋中一切冰的总称，它包括由海水冻结而成的冰以及由江河入海带来的冰，也包括极地大陆冰川或山谷冰川崩裂滑落海中的冰山。中国的海冰都是一年冰，即冰龄不会超过一个冬季的冰。海冰通常分为沿着海岸形成并与海岸或海底固定冻结在一起或者随着潮位变化作垂直升降运在风、浪、流和潮汐的作用下会发生漂移、破碎、重叠、堆积、上下起伏和重整个冬季连续生长、相对未受扰动、平坦的一年平整冰，也包括断裂的平整冰未受变形作用影响，冰面平整或冰块边缘仅有少量冰瘤及其他挤压冻结痕迹的任何原因形成的、堆积在一起，表面凹凸不平，融化时，外观像光滑小丘的海1.2.10密集度(Concentrateddegreeofp31.2.14冰量(IceConcentrat海冰内各种杂质总体积与海冰总体积之比。当冰内气泡、固定盐的体积远远小45所考虑的疲劳交变应力循环数与在该应力水平的常幅交变载荷下的直到失效的结构中只考虑宏观几何效应而不考虑结构节点不连续以及焊缝引起的应力集中6人体对所暴露的振动环境主观感觉良好，在身体上和心理上无困扰和不安的因API：AmericanPetroleumInstitute,美国石油组织ABS：AmericanBureauofShDEM：DiscreteElementMethod,离散FEM：FiniteElementSACS：StructuralAnalys72.1.1在海洋结构冰激振动和疲劳分析中，需渤海的环流和水系大体上是由相对高盐的黄海暖流8.渤海中部近岸的深水区，重冰年时可能生成平等级，即：冰情最轻、冰情偏轻、冰情平常、冰情偏重、冰情严重。对应五种类型年为轻年、偏轻年、常年、偏重年和重年。各等级在结冰严重时期所对应的结冰范9考虑渤海地理位置、海冰环境条件和海上油气开发前景等因素，中海油生产研究中心提出了海冰区划的概念，其划分的原则是使每个区域的冰情基本一致。参照渤海及黄海北部各冰区不同重现期平整冰厚威布尔分布的冰厚(cm)135.90230.62330.274527.99629.18734.65834.709------------------------渤海JZ20-2海域冰区冰期统计渤海JZ9-3海域冰区冰期统计f(h)hμσ————————f(v)vσf(θ)θ海域冰向的分布参数，如表2.3.4所示。渤海典型多年双高斯函数分布参数值b1c2α400.55380.75渤海海冰压缩强度和弯曲强度均服从正态分布，适用温度为-22°C—-5°C，如式f(σi)iσμ————————渤海实测海冰压缩、弯曲强度均方差、均值FVCOM海冰数学模型涉及到海冰热力学方程、海冰动力学方程的求解。海冰热的组成框图。结合准确的水动力模型、温盐模型，采用基于有限体积方法的FVCOM模型对渤海海冰进行数值模拟，可以对一个作业海域的海冰设计参数进行有效的推算QLH——潜热通量；QSw——冰面太阳辐射强度；m——单位面积海冰的质量；ax——x方向风作用而产生的拖曳应力；ay——y方向风作用而产生的拖曳应力；wx——x方向海流作用而产生的拖曳应力；wy——y方向海流作用而产生的拖曳应力；海冰热力学和动力学模型求解的基本问题就是计算冰厚度随空间和时间的演化分f——冰热力学增长率；散单元模型中，海冰单元设为诸多冰块的集合体，相互接触、碰撞作用受其平均厚度、密集度、单元尺寸等参数影响。当单元间的法向应力超过其压缩强度时，海冰发生塑性变形，并由此导致单元尺寸的变化。海冰单元的运动规律受控于风和流的拖曳力、海冰梯度力、海冰内力等因素。考虑冰块冻结时，还可以对断裂、重叠和海冰单元之间的作用力主要包括单元间在法向和切向上因相互重叠而引起的弹性力和因相对速度引起的粘性力。此外，切线方向上还需考虑基于Mohr-Coulomb准则的滑动摩擦。单元的法向刚度依据海冰力学性质与密集度的关系，具体公式如j(2.4.4)t海冰速度大小和速度方向，进一步计算出整个渤海海冰的漂移运动速度状态。针对渤海，依据海冰的分布状态将其离散成多个具有厚度、尺寸和速度的计算单元，具iσc——平整冰水平方向单轴压缩强度(过渡冰区和浮冰区的重叠冰单轴压缩强度设计值可按多层重叠冰(原生冰和次生堆积冰和冰脊水平方向单轴压缩强度设计值可按有关层叠冰和堆积冰的试验结σf——平整冰弯曲强度(MPa)；E——平整冰弹性模量(GPa)；3.1.2本章主要从静冰载荷以及动冰载荷两方面介绍直立结构和锥体结构的冰根据库克湾、波弗特海、波罗的海以及渤海的现场实测数据，一年冰或多年冰m——经验系数，取-0.16；f——海冰弯曲强度(kPa)；f——海冰弯曲强度(kPa)；FT——FA——ks——kn——FT=ksknkjFAkj——冰堆积的因素，对于平整冰kj=1.0。对于典型的四桩腿平台结构，遮蔽系数范围可Fi——作用于孤立隔水套管上的冰载荷，采用结构最大静冰载荷公式计算，对于阵列布置的隔水套管群，其遮蔽系数k可按以下两种情况进行确定：从对年度冬季辽东湾某平台冰激振动监测数据分析看，冰堆堵塞前后，平台冰激振动响应并没有显著变化，即冰堆积不会增大平台的冰振疲劳损伤。但由于冰与平台在冬季冰情严重时完全冻结成一个整体，平台主结构受力情况发生明显变化，受力将由四个主桩推承受最大静冰压力变化为平台桩推和冰堆形成的一堵墙承受静(a)冰载荷周期大于加卸载时间(b)冰载荷周期等于加卸载时间FjFj(f)——直立腿冰载荷自功率谱函数；f——频率(Hz)；第3.4节锥体结构动冰载荷锥体结构的确定性冰载荷函数为若干个脉冲函数，冰载荷从零达到峰值的时间非常短且冰上爬阶段的时程近似为线性化，如图3.4.2所示。Fo—冰载荷峰值lb——海冰破坏长度(m)，针对渤海锥体结构的随机冰载荷函数的脉冲形式为等腰三角形。冰与锥体作用时间取冰 f——频率(Hz)；对于一些非规则的海洋平台结构，如自升式平台、半潜式平台立管锥体等海洋为模拟平整冰的破碎特性，将具有粘接-破碎功能的等粒径球体单元成平整冰离散元模型，如图3.5.2所示。(a)平整冰离散元模型(b)颗粒间4.1.1在风与潮流的影响下，海冰会与海洋平台结构发生碰撞，并导致海洋平台4.1.2长时间的冰激振动对平台人员的舒适感、平台上部设施的正常使用、平台假定海洋平台的上部质量集中在甲板重心，桩腿简化为一个弹性杆，桩腿与甲板刚性连接，平台结构在水平荷载作用下只产生水平位移，不发生扭转。这样平台ξoe————————它从冰排以及结构的位移和弹性变形条件出发，考虑了两者之间的相互作用。冰与Fmax——最大冰载荷，根δmax——冰排最大弹性变δ(t)——t时刻结构与冰排的相对位负阻尼模型的提出是受到冰的压缩强度速率敏感性启发。冰的强度对应变速率非常敏感，当应变速率较低时，冰表现出韧性性质；当应变速率较高时，则表现出U=vice∙T-dstruct-dcrush(4.3.1)UviceT——————————当海冰与结构相互作用时，冰排就会发生断裂。断裂之后冰形成了冲击载荷，进行冰激振动计算，输入格式列于表4.3.1，计算过程如图4.3.2。冰载荷(kN)4.3.3离散元-有限元耦合模型的冰激结构对于非规则海洋结构的冰激振动，本指南建议采用第三章的离散元方法计算冰荷载，同时采用有限元方法计算平台结构的动力响应。考虑上述方法，本指南给出直立结构的冰激振动存在多种形式，冰速、冰厚及其它参数的不同会给冰激振压破坏，也有可能发生间歇性的弯曲、屈曲破坏，不会引起稳态振动。随机振动一冰速、冰厚的关系，如图4.4.4所示。从图中可以看出冰期平台的冰激振动与冰速、γ—比例系数，与平台结构相关海洋平台安装破冰锥，海冰与平台作用的破坏模式主要以弯曲破坏为主。锥体5.1.3本章通过构造海冰疲劳工况并分别采用时域和频域方法对海洋平台进行首先，需要确定产生冰荷载的环境要素，并研究其分布规律；然后，确定海冰作用于结构的时间及方位，划分疲劳工况，并统计各工况出现的概率。此外，结合多年的海冰实测数据及历史冰情资料，统计得到平均冰期、冰厚、冰速及冰流向等根据渤海固定式导管架平台结构冰荷载研究成果，影响冰载荷的大小主要因素有冰厚、冰速和冰破碎强度，而冰破碎强度在相同的海域变化不大，因此这里只选择冰速和冰厚来描述冰况。因此，基于海冰冰厚以及冰速的分布统计，可构造海冰f(hi)——冰厚的概率密度函数，JZ20-2海域，见式2.3.1。f(vi)——冰速的概率密度函数，JZ20-2海域，见式2.3.2。假定冰速和冰厚的分布是相互独立的随机过程,因此各种冰况iji)——各工况对应冰厚的概率，见式5.2.1；为对海洋平台结构进行疲劳分析，首先要对结构进行必要的简化，建立力学计算模型，主要包括结构的几何性质和物理性质，如：结构尺寸、杆件厚度、结构的刚度、阻尼等。力学模型简化的标准是能使力学计算模型正确的反映真实结构的频构造不同冰况下的冰荷载时程，输入到导管架海洋平台有限元模型中进行动力计算。可以得到该冰况下热点位置的应力时程结果，通过雨流计数法确定不同应力频域疲劳分析是一种考虑荷载随机特性，并用统计方法描述工况，在频域内求解动力方程的方法。假定冰载荷在短时间内是各态历经、窄带平稳得正态过程，且应力分布为窄带随机正态过程。因此，依据各冰况上应力分布情况可以求得应力循将确定的冰载荷谱，输入结构进行动力计算可得到各工况的结构热点的应力谱并计算其应力方差。假设导管架平台的应力峰值满足瑞利分布，则结构应力峰值的jjj——j工况每年出现的应力循环数；j——j工况冰情出现概率；f——结构自振频率(Hz)。jiji)njinjΔσi——————第j个冰况，第injinjΔσi——————————导管架平台结构的总累积损伤，如式5.3.7所示。通过式5.3.3可得到冰激导管架DΔσijii)i)————————j冰况下第i个应力幅值的循环次数，见式5.3.6。疲劳分析方法的对比计算过程不涉及任何疲劳寿命时需处理的具有适用的冰载荷函计算结构疲劳寿命过针对长期交变载荷的复杂结构根据国际/国家标准对人体全身振动暴露的舒适性降低界限和评价准则。人体在人体在各个不同振动量值下所能承受的最大界限值(m/s2)ⅠⅡⅢ固定式导管架海洋平台在冰激作用下振动方向主要为水平方向的振动。对冰激振动下平台人员感受的评估仅需要考虑振动加速度幅值、振动时长及振动频率三方面要素。通过长期监测发现，平台冰激振动响应主要集中在结构的基频。因此，仅iT,——等效总暴露时间；通过上述评估方法，针对冬季监测得的渤海JZ20法兰是导管架平台结构上重要的管道连接装置，其兰螺栓和螺母组成。法兰依靠螺栓的预紧力、法兰内部工动下引起法兰连接螺栓预紧力降低，因此螺栓出现松退。螺栓自松的栓和螺栓连接件之间因为振动引起的相互冲击，这也是自松的必要条是螺纹牙面和它对应的禁锢接触面发生相对运动。当摩擦力矩小于在…冰激管线系统的振动属于无限自由度体系的随机振动统的振动问题简化为线性多自由度系统的振根据国家标准对人体全身振动暴露的舒适性降低界限虑平台人员舒适性以及平台上部设备的安全性能，建议设ⅠⅡⅢⅣ渤海导管架平台大多属于质量小、刚度较低的经济型结构，冰激振动对平台甲运动的影响，海冰挤压破坏稳定在韧脆转变区间，形成与结构固有频率“锁定”的锯齿形(SawTeeth)冰载荷，引发结构实验，锥体平台结构会发生显著的随机振动。锥体的冰振响应曲线如图7.2.2所示。图7.2.4为渤海JZ20-2MSW平台加锥前后结构图，通过对其振动数据的对比分07-08冬：加锥前加锥前：A加锥前：A=0.115h加锥后：A=0.034h日平均冰厚(cm)基于现场观测结果，可以将较厚的平整冰与正倒锥交界呈现向上向下随机的弯曲破坏，如图7.2.6(b)。所示。从得出的曲线来看，锥角对锥体静冰载荷有着显著的影响，此外，本指南给出通过海冰离散元模型计算得到的冰冰载荷冰载荷(kN)上锥体锥角α(°)所示。这会导致结构受到的冰载荷增大，并且严重时会产生结构共振的现象。通过对海冰-结构挤压破坏机理的分析研究，提出了在高压区位置安装凹凸型破冰装置的破冰装置减小了海冰破坏的尺寸，使得结构循环载荷的峰值大幅度减低，详见附录状的凹凸型面板。关于凸起的形状、方向以及排布方式还需要根据实际海洋结构进行优化。该结构目前处于室内试验阶段，实际的工程应用效果，还图7.2.10安装凹凸型破冰装置的海冰-结构挤压破坏示意图装在结构上的储液箱的自由液面会产生晃动，晃动产生作用于箱壁和箱底的正压力具有构造简单，易安装；自动激活性能好；在剧烈振动下TLD储液箱内自由液面破碎后可再度生成；可调性好；投资省和减振频带宽等特点。缺点是：质量太小，效调谐质量阻尼器(TMD)，由于装置构造简单、安装方便,不需要外界能量输入，其基本应用方法是在结构振动响应比较大的位置上安装附加弹簧-质量系统，将系统图7.3.3辽东湾JZ20-2MUQ平台结构的粘弹性耗能斜撑设置方式参考文献onStructures,AstateoftheArtReport,CRRELSpecialReport,1980.[4]DNVGL-RP-C203.FatigueDesignofOffshoreSteelStructuresSymposiumofAppliedGlaciolo[6]FrederkingR.DynamicIceForcesofStructures.23rdIAHRInternationalSymposiumonI[9]GuidelinesfortheEvaluationofHumanExposuretoWhole-bodStandard.ISO2631.[10]GuidelinesforthemeasurementandtheAssessmentofHumanEvibration，InternationalStandard[11]HiblerWD.Ady[13]ISO19906.PetroleumandExperiment.J.Geophys.[17]Lozano-MinguezE,BrennanFP.Reanalyscompleteweldprofilemodel.RenewableEne[18]MaattanenMP.Numericalmodelforice-inducedvibrationload[19]MatlockH,DawkinsWP,PanakJJ.Analyticalmodelforice-structureinterac[20]RalstonTD.PlasticlimitanalysisofsheeticeloadsonconicalofIce.InternationalUnionofTheoreticalandAppliedMechanics.Springer,Berlin,Heidelberg.1980:289-308.[21]ShirasawaKandIngramGR.CurrentsandturbulenofOceanMechanicsandEngturbinesupportstructures.InternationalJournalofFatigue,2016(87):71-80.[27]YueQJ,ZhangL,ZhangWS,K[28]狄少丞,季顺迎.海冰与自升式海洋平台相互作用GPU离散元模拟.力学学报,2014,46(4):561-571.[29]段忠东,杨冀东,欧进萍,陆钦年,王俊勤,刘育丰.渤海[31]龚顺风,何勇,金伟良.海洋平台结构随机动力响应谱疲劳寿命可靠性分析.浙江大学学报(工学版),2007,41(1):12-17.[32]胡毓仁,李庆典,陈伯真.船舶与海洋工程结构疲劳可靠性分析.哈尔滨:哈尔滨工程大学[33]季顺迎,陈晓东,刘煜,等.基于油气平台的海冰雷达监测图像处理及冰速测量.海洋学报,[34]季顺迎,王安良,苏洁,岳前进.环渤海海冰弯曲强度的试验测试及特性分析.水科学进展,2011,22(2):266-272.[35]季顺迎,岳前进,毕祥军.辽东湾JZ20-2海域海冰参数的概率分布.海洋工程，2002,20(3):39-43-48.[36]季顺迎,岳前进.工程海冰数值模型及应用.北京:科学[37]季顺迎,岳前进.辽东湾锥体平台结构疲劳冰荷载的蒙特卡洛模拟.海洋学报,2003,25(2):[38]金伟良,宋志刚,波浪作用下海洋平台结构的振动舒适度验算.建筑科学.2002,[39]李刚,张大勇,岳前进.冰区海洋平台的时变疲劳可靠性分析.计算力学学报,2006,23(5):[40]李辉辉,王华,姜静,等.辽东湾某平台冰堆积成因及安全问题分析.数学的实践与认识,2015,45(6):148-153.[41]李志军,隋吉学,董须瑜,等.辽东湾海冰设计要素的初步统计.海洋工程,1992,10(2):[42]刘德辅,李桐魁,张涛,王进忠.渤海辽东湾海冰条件的概率分析.天津大学学报,1987,20(4):48-56.[43]刘圆,岳前进,屈衍,张力,李红涛.抗冰导管架平台结构动力安全评估.应用基础与[44]欧进萍,段忠东,肖仪清.海洋平台结构安全评定(理论、方法与应用).北京:科学出版社.[45]欧进萍,龙旭,肖仪清,等.导管架式海洋平台结构阻尼隔振体系及其减振效果分析.地震[46]屈衍.基于现场实验的海洋结构随机冰荷载分析.大连理工大学，2006.[47]邵帅,周国丰,王帅霖，等.基于离散元-有限元模型的冰激锥体海洋平台构振动分析.计算力学学报，2015,32(5):662-667.[48]苏洁,吴辉碇,刘钦政等.渤海冰-海洋耦合模式[49]隋吉学,孟广琳,李志军,张明元,高树刚.环渤海海冰弯曲强度影响因素分析.海洋[51]王安良,许宁,毕祥军,季顺迎.卤水体积和应力速率影响下海冰强度的统一表征.海洋学[52]王安良,许宁,季顺迎.渤海沿岸海冰单轴压缩强度的基本特性分析.海[54]吴辉碇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)) ))JZ20-2、JZ9-3海域的冰厚模拟值与实测值的对比如图S1.2所示。根据JZ9-3与JZ20-2海域实测冰厚数据与模拟值的对比来看，初冰日、终冰日吻合较好，从模拟结果可以发现，海冰单元位置分布规律与卫星遥感资料基本一致。对于由该油气平台上的海冰现场监测及数字图像处理系统获得。可以发现梁柱板和斜支撑构成的空间析架，甲板面积12.5m×12.5m，甲板高程16.5m。其中平图S3.1渤海JZ20-2MUQ导管架平台原型结构及有限元模型0对导管架平台进行动力响应分析，在导管架上取一个节点，该节点可以代表结可通过构造第三章给出的锥体随机冰荷载函数，并按表4.