吴汶洁 ，刘文光 ，范道安

(1. 上海大学 土木工程系，上海 200072；2. 同济大学 经济与管理学院，上海 200092)

海洋平台基于隔振锥体装置的减振效应研究

吴汶洁1，刘文光1，范道安2

(1. 上海大学 土木工程系，上海 200072；2. 同济大学 经济与管理学院，上海 200092)

针对导管架式海洋平台结构型式与特点，利用冲击隔振理论，将冰锥体与隔振技术结合起来，提出一种能有效降低冰荷载激励的“两级柔性隔振锥体”设计方案。建立了两极隔振锥体简化计算模型，确定了系统振动传递系数参数之间的关系。通过建立海洋平台有限元模型，采用有限元程序,进行了模拟冰荷载激励下的振动响应分析，并对安装隔振装置的小比例模型结构进行了冲击荷载下的减振试验。结果表明采用“两级柔性隔振锥体”能有效降低传递给海洋平台的冰力极值，减小海洋平台冰激励的响应。

海洋平台；两级柔性隔振锥体；动力试验；动力分析

海洋平台是海洋石油天然气资源开发的基础性设施。许多海上采油平台建造于寒冷、结冰的海域，在结冰海域。海冰对海洋结构的作用远大于波浪和风的影响。随洋流而动的海冰与平台相互作用，结构在动冰力作用下产生冰致振动，直接影响平台的正常生产和安全，甚至可将平台推倒。

降低海洋平台的冰致振动响应主要有两个途径：一是对平台冰致振动进行主动控制；二是对平台进行被动减振和隔振控制。隔振锥体的设计主要从刚度和阻尼两方面考虑，选择合理的刚度和阻尼就能明显降低平台的响应。徐继祖、欧进萍等[1,6,7]系统分析了海洋平台稳态振动产生的机理,通过在平台结构导管架端帽和甲板之间设置柔性阻尼层的隔振方案来降低海洋平台冰致振动响应。岳前进[2]揭示了冰与直立结构作用机理主要是弯曲破坏和挤压破碎，并认为破冰锥体可以很好地抑制直立结构上的稳态振动现象。王树青[3]验证了海洋平台在冲击荷载下，TMD能有效进行能量耗散。并且对TMD的最优参数进行了分析。季顺迎[10]等运用平台结构的有限元分析、简化的结构动力分析和冰振响应幅值统计分析三种计算方法对渤海冰区锥体平台结构冰激振动响应进行了研究。马盛俊[11]将破冰锥体与橡胶支座结合起来设计了一种能实现冰荷载振源隔振的隔振锥体，并对隔振锥体效应和平台响应进行了分析。李华军[12- 13]等研究分析了导管架平台在AMD主动控制装置下的响应。

传统的单级隔振锥体虽然在很大程度上避免了直立结构发生的稳态振动问题，但是根据实测数据[1]，冰荷载作用频率体现出一种宽频率特性，使传统隔振锥体的减振效应产生了很大的限制。甚至当作用在锥体结构上的冰激力周期与平台的固有周期接近时，便会引起平台的共振。

本文根据海洋平台结构的动冰力特性和冰致振动机理以及冰致结构疲劳累积损伤分析研究，设计出一种将抗冰锥体与隔震支座、质量块和弹簧结合起来的隔振锥体装置，并通过建立海洋平台有限元模型，进行ANSYS有限元分析，考察其减振效应。最后进行了结构振动冲击试验。

1 两级隔振锥体装置设计

1.1两级隔振锥体装置设计分析

由实测冰压力时程统计分析出的冰的卓越频率[1]为：

式中：f为冰荷载基本频率(Hz)；v0为冰速(cm/s)，取20 cm/s。

单级隔振装置传递率[9]

式中：ω为荷载频率；ωn为隔振元件频率；ξ为隔振锥体橡胶支座阻尼比，取0.5。

1.2两级隔振锥体装置特点

两级隔振锥体的结构特点是:连接隔振锥面体的叠层橡胶支座并不直接固定于支承平台上，而是首先连接在一个钢质量块上，钢质量块通过弹簧连接在海洋平台桩柱上，钢质量块和支承平台间设置一层滑移层，如图1、图2所示。当冰排接触隔振锥体时，隔振锥体的锥面体将冰排输入的能量传递给支承平台上的16个叠层橡胶支座和钢质量块，如图3所示。

图1 两级隔振锥体设计Fig. 1 Configuration of two- stage isolation vibration cone

图2 两级隔振锥体细部设计Fig. 2 Detailed configuration of two- stage isolation vibration cone

图3 隔振锥体布置示意Fig. 3 Layout of vibration isolation cone

1.3两级隔振锥减振机理

二级隔振锥体通过在锥面体与平台之间安装“弹簧- 阻尼器组合”来增加整体结构的阻尼和质量参数，从而实现装置的宽频带和高隔振系数特性。当冰排接触隔振锥体，冰排被不断向上挑起，形成受弯板。挡冰锥面体受到冰排挤压产生偏移变形。冰力在冰排破坏之前逐渐增大，隔振锥体的锥面结构和叠层橡胶支座位移随之增大，冰排因达到抗弯刚度极限而脆断，冰排破坏时隔振锥体、叠层橡胶支座和水平弹簧的位移达到最大。叠层橡胶支座具有良好的弹塑性滞回特性，起到阻尼耗能作用。水平弹簧增加装置的水平刚度，连接叠层橡胶支座与水平弹簧的可移动连接板类似于质量块。通过在支承平台与连接板之间设置聚四氟乙烯滑移层近似实现可移动支架零阻尼。冰排弯曲破坏后，冰激励突然卸载，在水平弹簧和叠层橡胶支座弹性恢复力作用下，整个装置开始做回摆运动。当回摆至平衡位置时，冰力的第一次卸载过程完成。叠层橡胶支座和其固定的连接钢板一同运动，同时由于弹簧自身产生的变形，将部分冲击能量传递给海洋平台桩柱，另一部分能量被叠层橡胶支座所吸收耗散。

2 简化模型参数分析

冰荷载加载位置集中在导管架桩腿水线处，振动冲击能量以某一阶固有频率为主，根据被动控制的隔振和动力吸振原理，在冰排和海洋平台之间插入弹性元件来进行冰荷载的振动隔离。为了合理选择隔振锥体的参数，本文将两级隔振锥体简化为一个通过粘弹性阻尼器和导管架平台连接在一起的两自由度线性振动系统，将平台看成一个固定的基础，如图4所示。系统的微分方程为[8]

为了简化讨论，引入参数：质量比μ=m2/m1，频率比λ=ω2/ω1。

式为：m1为隔振锥体可移动连接板质量；m2为隔振锥体锥面壳体和叠层橡胶支座的的质量；k1为隔振可移动连接板和水平弹簧的等效刚度；k2为叠层橡胶支座的水平刚度；ω1为可移动连接板与水平弹簧的等效固有频率(二级隔振)；ω2为锥面壳体与叠层橡胶支座的等效固有频率(一级隔振)；c1为隔振可移动连接板的结构阻尼系数，取零，(聚四氟乙烯滑移层作用)；c2为叠层橡胶支座的阻尼系数。

冰荷载传递给平台桩腿的力为

式中：b1为可移动隔振支架的振幅，记

其中:c1=0,ξ1=0。

冰力荷载P0:

振动幅值传递系数:

取定ξ2=0.5[8]，则：

式中：ξ1为隔振锥体可移动连接板及弹簧支承的阻尼比，ξ2为隔振锥体及叠层橡胶支座的阻尼比，μ为m2与m1质量比。

不同频率比情况下质量比与传递系数的关系如表1所示。各频率比λ下，质量比μ越大，隔振效果越好。从隔振效果上看应尽量减小m1(隔振锥体可移动连接板)增大m2(隔振锥体锥面壳体和叠层橡胶支座)质量，但是考虑到造价、安装与桩腿附加结构的竖向荷载力要求，锥面壳体的质量不可能无限大。

表1 不同频率比λ和质量比μ的情况下隔振系数Tf的取值Tab. 1 Coefficients of vibration isolation under different frequency ratio and mass ratio values

图4 两级减振锥体隔振的力学模型Fig. 4 The mechanics model of the two- stage vibration isolation cone

现取隔振锥体可移动连接板的质量m1为2.0 t，根据表1，Tf取值24.8%的质量比1.24。得隔振锥体壳体和橡胶支座质量为2.48 t。则在不同刚度下的固有频率见表2。

表2 隔振锥体减振装置不同刚度下的固有频率Tab. 2 Natural frequency of the vibration isolation cone under different stiffnesses

3 隔振装置振动冲击试验

3.1试验模型

试验模型为一钢框架结构，模型总重约为26 kg,由四个角柱下的固结支座承担。钢结构共六层，层高200 mm,跨度为600 mm。传感器布置在结构第2层和第4层及结构顶部。试验采取重力冲击力加载方式，且每次工况的加载方式相同。激振位置位于钢框架结构的第6层，激振力的方向和加速度方向均为水平向。试验模型结构如图5、图6所示。

图5 振动冲击试验模型示意Fig. 5 The model for vibration impact test

图6 模型试验Fig. 6 Model test

3.2试验工况与试验结果分析

减振装置采用四种工况：

(1)工况1(SRC1)：减振装置下方设置聚四氟乙烯板滑移层，上下层钢板通过2条橡胶条连接，下层钢板通过弹簧连接到钢框架上。

(2)工况2(SRC2)：减振装置下方设置聚四氟乙烯滑移层，上下层钢板通过螺栓固定连接，下层钢板通过弹簧连接到钢框架上。

(3)工况3(SRC3)：上下层钢板通过2条橡胶条连接，减振装置下方不设置聚四氟乙烯滑移层和弹簧缓冲装置。

(4)工况4(SRC4)：上下层钢板通过螺栓固定连接，下层钢板也通过螺栓固定在钢框架上，不设置弹簧缓冲装置。

图7 不同工况下加速度时程曲线Fig. 7 Acceleration time history curve under different conditions

通过四种工况的试验效果对比，采用不同隔振模型的试验工况1、2、3与未进行隔振设计的工况4对比，具有明显减轻结构振动响应的效果。如图7和表3所示，在减振装置下端设置弹簧滑移层的减振效果是减振装置下端固定于钢框架上的3～7倍。

表3 不同工况下框架结构各层最大加速度Tab. 3 Maximum acceleration of each layer under different working conditions

4 海洋平台减振效应分析

4.1海洋平台模型及特征参数

导管架平台属于固定式平台，由上层平台结构和下部导管架结构组成，底端通过桩基础固定。上部平台结构主要提供生产和生活场地，下部导管架主要由6根主导管组成空间塔架结构。由于桩基础在海底土层不可能实现完全固支，故结构模型在海底土层以下2 m采用铰接约束。整个模型采用同一种钢材，弹性模量EX=2.0×1011Pa，泊松比PRXY=0.3，密度DENS=7 800 kg/m3。模型主要采用杆系单元、梁单元、壳单元三种单元类型，海洋平台有限元模型见图8。海洋平台前六阶固有频率如表4所示。

表4 海洋平台前六阶固有频率Tab. 4 The first six natural frequencies of offshore platform

由表2和表4知，总质量为4.48 t的隔振锥体在不同刚度条件下的的固有频率范围在2.9～3.8 Hz左右，远离海洋平台的前两阶固有频率，隔振装置可以有效抑制共振效应的产生。

图8 海洋平台有限元模型Fig. 8 Finite element model of offshore platform

图9 结构总位移云图Fig. 9 Total displacement nephogram of the structure

4.2冰荷载的选取

取渤海比较常见的一种冰荷载作为分析类型：破碎冰长度150 mm,冰速200 mm/s。取表1中频率比0.5，质量比1.24情况下的冰荷载传递系数24.8%。冰与锥体作用的冰力时程实际上是若干个脉冲函数，冰力函数如下所示[1]。选取冰荷载任意一个周期峰值进行最不利条件下的有限元分析，现取冰力最大值Fmax= 800 kN，通过减振锥体减振后，冰力最大值取200 kN，加载位置作用在60 m处。

式中:Fmax为最大冰排荷载，τ为冰排破坏时间，T为一个冰力周期。

图10 动冰荷载Fig.10 Dynamic ice force

4.3海洋平台动力响应分析

现以最大值800 kN的冰荷载作为讨论对象，部分杆系的减振前后轴力和剪力对比分析见表5。

表5 锯齿型冰力最大值800 kN时杆系单元的轴力和剪力对比Tab. 5 Maximum axial force and shear force of the element system under 800 kN zigzag ice force

由表5可得，减振前后节点的最大轴力和剪力均有大幅降低，其中杆系减振后的轴力比减振前轴力减少了75.2%，剪力最大减少了75.8%。

4.4海洋平台位移响应

从结构的总位移云图9可以看到，在动冰荷载作用下平台上部总位移较大。总趋势是自上而下平台总位移由大变小。海洋平台总位移最大的区域位于顶部。

从减振前后，平台位移比较分析可知，减振锥体具有良好的减振效果，表现出位移响应减小。其中减振前后海洋平台最大位移分别为50.7和12.6 mm，平台顶层的最大位移减振效果达到74.9%，如图11所示。

图11 隔振锥体减振前后平台顶部位移- 时间变化曲线Fig. 11 The top displacement- time curves

5 结 语

通过实验数据和理论分析表明，“两级柔性隔振锥体”可以降低冰激力幅值，设计的隔振锥体其固有频率大致范围在2.8～3.9 Hz,与海洋平台的主频率范围1～2 Hz相差较大，可以有效抑制共振效应的产生。

基于渤海湾动冰力荷载作用下的动态响应分析得到，冰力极值通过隔振锥体衰减为原值的24.8%，设置前后海洋平台最大位移减振效果达到74.9%，轴力减振效果最大达到75.2%，剪力减振效果最大达到75.8%。采用两级隔振锥体能明显降低海洋平台的冰激励振动效应。

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Effectiveness analysis of vibration suppression for offshore structures with vibration isolation cone

WU Wenjie1,LIU Wenguang1, FAN Daoan2

(1. Department of Civil Engineering, Shanghai University, Shanghai 200072,China; 2. School of Economics & Management, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Considering the style and characteristics of offshore platform and using the ice conical and the vibration isolation technique,the ice- induced- double- stage vibration resistant cone for offshore Platform is designed based on impact isolated vibration theory. The simplified model shows that selecting appropriate parameters of the vibration isolation cone can obviously reduce the response of the platform. Based on the finite element model of the offshore platform, the modal analysis is performed to investigate the vibration effect of the offshore platform subjected to ice load. Besides, a small scale structure model test with vibration isolation device is conducted under impact loading. The results show that the ice- induced- double- stage vibration resistant cone can effectively lower the maximum ice force, thus reducing the response of the offshore platform.

offshore platform; ice- induced- double- stage vibration resistant cone; vibration impact test; dynamic analysis

TE952

A

10.16483/j.issn.1005- 9865.2015.05.012

1005- 9865(2015)05- 089- 08

2014- 07- 07

上海市自然科学基金资助项目(15ZR1416200)；国家基金资助项目(51478257)

吴汶洁 (1988- )，女，河南信阳人，硕士研究生，主要从事结构防震减灾研究。