， ，

(1.青島理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山東 青島 266033； 2.中國金茂青島公司, 山東 青島266071)

0 引 言

海洋平臺(tái)體積龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，所處海洋環(huán)境也十分惡劣，傳統(tǒng)的減振方法如加強(qiáng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)剛度耗散振動(dòng)能量，不僅會(huì)增加結(jié)構(gòu)造價(jià)，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜性和外荷載不確定性，也難以達(dá)到預(yù)期的效果[1]。曲哲[2]通過研究搖擺墻-框架結(jié)構(gòu)的變形模式與搖擺墻剛度之間的關(guān)系，分析指出在不同的振動(dòng)作用下?lián)u擺墻-框架結(jié)構(gòu)變形模式能夠得到有效控制。張紀(jì)剛等[3]考慮到海冰作用將搖擺墻改為搖擺柱體系應(yīng)用于JZ 20-2海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)，提出一種新型海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式——基于搖擺柱的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系[4]。研究表明此結(jié)構(gòu)體系可以有效控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，降低造價(jià)。張紀(jì)剛等以JZ 20-2北高點(diǎn)井口海洋平臺(tái)為實(shí)例，提出一套適用于此海洋平臺(tái)的連接桿和搖擺柱的設(shè)計(jì)方法。本文在此設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，研究搖擺柱減振作用對(duì)不同剛度海洋平臺(tái)的適用性，并以JZ 20-2MUQ導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)為實(shí)例，根據(jù)此設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)附加于JZ 20-2MUQ海洋平臺(tái)搖擺柱結(jié)構(gòu)體系中的搖擺柱，分析并檢驗(yàn)JZ 20-2MUQ海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系在冰力荷載下的減振效果。

1 基于搖擺柱的JZ 20-2北高點(diǎn)井口海洋平臺(tái)概況

JZ 20-2北高點(diǎn)井口海洋平臺(tái)為導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)，該平臺(tái)由樁腿、導(dǎo)管架、導(dǎo)管架端帽、下層甲板、上層甲板和停機(jī)坪等6部分組成，如圖1所示，結(jié)構(gòu)總高24.8 m，設(shè)計(jì)水深15.5 m，平臺(tái)設(shè)計(jì)服役期20年。該平臺(tái)位于中國冬季結(jié)冰最嚴(yán)重的遼東灣，冰激振動(dòng)[5-6]是影響海洋平臺(tái)安全及正常使用的重要因素；對(duì)于導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)，極限冰力[7]是引起結(jié)構(gòu)破壞的最主要因素?？紤]該平臺(tái)上部結(jié)構(gòu)柔弱和海冰影響，張紀(jì)剛等提出基于搖擺柱的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系，具體形式如圖2所示，搖擺柱與基礎(chǔ)鉸接、海洋平臺(tái)和搖擺柱之間通過連接桿鉸接連接形成搖擺體系。

圖1 JZ 20-2北高點(diǎn)井口海洋平臺(tái)

2 海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方法的剛度適用性

圖2 搖擺柱的海洋平臺(tái)模型

利用有限元軟件ANSYS將JZ 20-2海洋平臺(tái)簡(jiǎn)化為三維空間框架， 計(jì)算其在冰力荷載下的動(dòng)力響應(yīng)，選取具有代表性的導(dǎo)管架端帽(124節(jié)點(diǎn))、下層甲板(185節(jié)點(diǎn))、上層甲板(290節(jié)點(diǎn))和停機(jī)坪(500節(jié)點(diǎn))等4個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗冰分析。所取冰力荷載為渤海石油公司在1990年海冰作用時(shí)實(shí)測(cè)得到的一條擠壓冰，擠壓冰力時(shí)程曲線如圖3所示。

JZ 20-2海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方法是在百年一遇冰荷載工況下，對(duì)代表性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最大位移和最大加速度的抗冰分析，總結(jié)出一套有關(guān)連接桿和搖擺柱與海洋平臺(tái)剛度比的設(shè)計(jì)方法?，F(xiàn)改變海洋平臺(tái)的剛度，增加或減小相應(yīng)倍數(shù)的冰力，進(jìn)行不同海洋平臺(tái)剛度冰力荷載下結(jié)構(gòu)體系的瞬態(tài)動(dòng)力計(jì)算，選取代表性節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最大加速度和最大位移的抗冰分析，并與原平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。在不同海洋平臺(tái)剛度下各點(diǎn)的最大位移、加速度見表1，各節(jié)點(diǎn)最大位移、最大加速度與剛度關(guān)系如圖4～圖6所示。

圖3 冰力時(shí)程曲線

剛度系數(shù)平臺(tái)124節(jié)點(diǎn)最大位移/cm 最大加速度/(cm·s-2)185節(jié)點(diǎn)最大位移/cm 最大加速度/(cm·s-2)500節(jié)點(diǎn)最大位移/cm 最大加速度/(cm·s-2)0.7倍剛度0.9倍剛度1.5倍剛度2.0倍剛度2.5倍剛度3.0倍剛度5.0倍剛度7.0倍剛度10.0倍剛度原平臺(tái)11 264 17 370 28 368 加搖擺柱11(0%)294(-11%)14(18%)431(-16%)22(21%)544(-48%)原平臺(tái)11 308 18 429 37 567 加搖擺柱11(0%)278(10%)15(17%)401(7%)25(32%)423(25%)原平臺(tái)11 465 18 730 34 1 230 加搖擺柱10(9%)356(23%)15(17%)467(36%)28(18%)714(42%)原平臺(tái)12 528 20 783 36 1 240 加搖擺柱10(17%)478(9%)16(20%)683(13%)28(22%)1 035(17%)原平臺(tái)13 430 24 605 41 1 725 加搖擺柱10(23%)480(-12%)16(33%)750(-24%)26(37%)1 565(9%)原平臺(tái)12 444 22 664 39 1 714 加搖擺柱9(25%)458(-3%)15(32%)712(-7%)25(36%)1 520(11%)原平臺(tái)11.9 417 21 874 35 1 811 加搖擺柱9.3(22%)470(-13%)13.8(34%)828(5%)19.5(44%)1 559(14%)原平臺(tái)10.5 445 17.2 919 30 1 866 加搖擺柱8.6(18%)550(-24%)13.1(24%)975(-6%)21(30%)1 660(11%)原平臺(tái)9.9 416 16.7 884 28.5 1 963 加搖擺柱8(19%)597(-44%)12(28%)997(-13%)19.4(32%)1 705(13%)

圖4 124節(jié)點(diǎn)最大位移、最大加速度與剛度的關(guān)系

圖5 185節(jié)點(diǎn)最大位移、最大加速度與剛度的關(guān)系

圖6 500節(jié)點(diǎn)最大位移、最大加速度與剛度的關(guān)系

由表1可以看出：海洋平臺(tái)剛度減小到0.7倍時(shí)，與原平臺(tái)結(jié)構(gòu)相比，海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系中各節(jié)點(diǎn)最大加速度增大，即若平臺(tái)剛度過小，搖擺柱會(huì)對(duì)原平臺(tái)結(jié)構(gòu)造成拖曳，形成一定負(fù)作用。海洋平臺(tái)剛度增大到2.5倍時(shí)，海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系中124節(jié)點(diǎn)和185節(jié)點(diǎn)最大加速度小幅度增加，隨著海洋平臺(tái)剛度增大，位移無明顯變化，但是海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系中節(jié)點(diǎn)最大加速度會(huì)增大，影響結(jié)構(gòu)安全及正常使用。由此可知，海洋平臺(tái)剛度越大，搖擺柱無明顯作用或者反而出現(xiàn)負(fù)作用，還在一定程度上增大了造價(jià)。如圖4～圖6所示，最大位移隨剛度變化有規(guī)律可循，大于5倍平臺(tái)剛度下，位移反應(yīng)大幅減小但又大幅增加了造價(jià)，故剛度在0.9～1.5倍剛度范圍內(nèi)，位移反應(yīng)最平穩(wěn)，減振效果最佳。最大加速度隨剛度增大不斷增加，但是可以看出剛度越小，加速度反應(yīng)越小。由于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)上部比較柔弱，由表1可知在海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系中，施加搖擺柱對(duì)500節(jié)點(diǎn)最大加速度和位移有一定減小作用，故綜合考慮，海洋平臺(tái)剛度在0.9～1.5倍原平臺(tái)剛度范圍內(nèi)，搖擺柱減振效果最明顯。

3 海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方法驗(yàn)證

3.1 基于搖擺柱的JZ 20-2MUQ海洋平臺(tái)

JZ 20-2MUQ平臺(tái)為導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)，它位于遼東灣北部，處在中國冬季冰情最嚴(yán)重的海域。設(shè)計(jì)水深15.5 m，平臺(tái)概貌如圖7所示。該平臺(tái)主要由導(dǎo)管架、設(shè)備層(甲板)和生活區(qū)3大模塊組成，4條樁腿水面位置都安裝了抗冰錐體，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及標(biāo)高如圖8所示。

圖7 JZ 20-2MUQ平臺(tái) 圖8 JZ 20-2MUQ平臺(tái)標(biāo)高圖

圖9 JZ 20-2MUQ海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)模型

為減小作用在結(jié)構(gòu)上的冰荷載，在標(biāo)高EL.-3.500 m～EL.+5.850 m之間部位未設(shè)斜撐，故該部位相對(duì)比較薄弱。經(jīng)ANSYS計(jì)算分析可知，該部位加速度和位移值較大，影響平臺(tái)的正常使用?，F(xiàn)根據(jù)JZ 20-2北高點(diǎn)海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)適用于JZ 20-2MUQ平臺(tái)的搖擺柱和連接桿的剛度，并將其附加在平臺(tái)上形成JZ 20-2MUQ海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系，模型如圖9所示。搖擺柱與基礎(chǔ)鉸接，海洋平臺(tái)與搖擺柱之間通過連接桿鉸接連接形成搖擺體系。

3.2 平臺(tái)剛度分析

假定海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)為理想彈性結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件在海洋平臺(tái)冰荷載作用位置對(duì)平臺(tái)施加1 mm的水平位移，提取基底反力，即可得到平臺(tái)結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度為K=9.80×107N/m。

JZ 20-2北高點(diǎn)井口海洋平臺(tái)側(cè)向剛度為K=8.35×107N/m，可知兩個(gè)平臺(tái)剛度比為1.174，屬于上述搖擺柱減振效果較明顯的海洋平臺(tái)剛度范圍。

JZ 20-2北高點(diǎn)海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方法提出了最優(yōu)剛度比：連接桿與海洋平臺(tái)側(cè)向剛度比為70∶1，搖擺柱剛度比為5%。依據(jù)此剛度比設(shè)計(jì)JZ 20-2MUQ海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系，可知連接桿剛度為6.86×109N/m，擺柱剛度為4.90×106N/m。

3.3 平臺(tái)冰激振動(dòng)分析

由于JZ 20-2MUQ海洋平臺(tái)剛度較大，本身可以抵御百年一遇工況下的渤海冰力，為體現(xiàn)搖擺柱的減振效果，將上述最大靜冰力增大1.5倍，依然采用3個(gè)擠壓冰力時(shí)程，計(jì)算結(jié)構(gòu)在冰荷載下的振動(dòng)響應(yīng)，選取具有代表性的節(jié)點(diǎn)下部水平層(175節(jié)點(diǎn))、底層甲板(241節(jié)點(diǎn))、頂層甲板(650節(jié)點(diǎn))和生活區(qū)頂部(1 200節(jié)點(diǎn))等4個(gè)節(jié)點(diǎn)，提取4個(gè)節(jié)點(diǎn)最大位移和最大加速度進(jìn)行抗冰分析。175節(jié)點(diǎn)位于平臺(tái)下部水平層，響應(yīng)值較小，為減小篇幅只列出了上部3個(gè)節(jié)點(diǎn)的最大位移和最大加速度，如表2所示。

表2 不同擠壓冰下各節(jié)點(diǎn)最大位移和最大加速度

由表2可以看出：JZ 20-2MUQ海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系減振效果非常明顯，其中：在push 1作用下，1 200節(jié)點(diǎn)最大加速度減小了31%，最大位移減小了43%；在push 2作用下，650節(jié)點(diǎn)最大加速度減小了49%，最大位移減小了34%；在push 3作用下，650節(jié)點(diǎn)最大加速度減小了44%，最大位移減小了27%。生活區(qū)頂部是結(jié)構(gòu)薄弱部位，施加搖擺柱后最大位移和最大加速度普遍大幅度降低，更利于結(jié)構(gòu)安全以及提高工作人員的舒適度。依據(jù)JZ 20-2北高點(diǎn)海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方法確定的搖擺柱和連接桿的剛度對(duì)JZ 20-2MUQ海洋平臺(tái)是有利的，減振效果非常明顯，證明上述設(shè)計(jì)方法有效。

4 結(jié) 論

以JZ 20-2北高點(diǎn)海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，通過計(jì)算分析不同海洋平臺(tái)剛度下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，并與原平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，得出剛度范圍。依據(jù)此設(shè)計(jì)方法，對(duì)JZ 20-2MUQ海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行設(shè)計(jì)，計(jì)算該結(jié)構(gòu)體系在冰荷載下的動(dòng)力響應(yīng),得出以下結(jié)論：

(1) 海洋平臺(tái)剛度過小，在冰力作用下?lián)u擺柱反而會(huì)對(duì)海洋平臺(tái)形成拖曳，造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)甚至破壞；海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)剛度過大，在冰力荷載作用下平臺(tái)結(jié)構(gòu)本身足夠抵抗冰力，施加搖擺柱對(duì)于減小結(jié)構(gòu)位移有微小的影響，但卻增加了節(jié)點(diǎn)最大加速度。因此，海洋平臺(tái)剛度在0.9～1.5倍原平臺(tái)剛度范圍內(nèi)，搖擺柱能充分發(fā)揮作用，結(jié)構(gòu)體系減振效果最明顯。

(2) 選取同處遼東灣的JZ 20-2MUQ導(dǎo)管架海洋平臺(tái)，依據(jù)JZ 20-2北高點(diǎn)海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)適用于JZ 20-2MUQ海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系的搖擺柱和連接桿剛度，計(jì)算分析在同等冰力工況下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，JZ 20-2MUQ海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系減振效果非常明顯，各節(jié)點(diǎn)最大加速度和最大位移均降低，最大加速度減小了49%，最大位移減小了43%。

(3) 基于搖擺柱的海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系減振效果良好，研究發(fā)現(xiàn)，JZ 20-2北高點(diǎn)海洋平臺(tái)-搖擺柱結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方法有效，同樣適用于剛度與JZ 20-2平臺(tái)剛度相近或在0.9～1.5倍剛度范圍內(nèi)的導(dǎo)管架式海洋平臺(tái)的抗冰分析，對(duì)提高海洋平臺(tái)的安全性以及保證平臺(tái)正常使用具有實(shí)際意義。