刘玉玺

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300461)

0 引言

高纬度地区的海洋油气资源开发必须考虑海冰的影响，这是寒区海洋工程结构物设计、建造中需要首先考虑的环境因素。海冰可能对海洋工程结构物造成多方面的影响，如静冰力极值引起的强度问题和动冰力作用下引起的结构冰激振动问题，其中：结构诱发剧烈、稳定的冰激振动是结构特征与冰条件相互匹配的结果。我国渤海海域的海洋平台结构型式和冰情特征具有一定的特殊性，导致渤海的冰激振动问题比极区国家更为突出。例如：1999年—2000年冬季，渤海锦州20-2中南平台因发生冰激振动导致管线断裂，造成高压天然气大量喷出。在国外，平台结构因发生冰激振动最终导致破坏性结果的事故也是屡见不鲜，例如：1973年波兰在波兹尼亚湾建造的Kemi-I钢质灯塔，于当年冬季在风驱动的漂移冰排作用下产生剧烈振动而倒塌。基于这些冰灾害引发的工程事故，如何对冰区导管架平台的冰激振动[1]情况进行分析引起了国内外学者的共同关注。

国内外科研工作者和工程技术人员采用不同的方法对海洋工程结构的冰激振动问题开展了大量研究工作。张伟等[2]通过低温拖曳冰水池模型试验方法对渤海某八桩腿大跨度导管架平台的冰激振动响应情况进行了研究，校核了动冰力作用下结构的强度，并对不同冰条件下结构的响应规律进行了分析与讨论。张纪刚等[3]使用作动器模拟动冰载荷作用，对一新型不锈钢管中管钢管混凝土组合平台开展模型试验，并将模型试验数据与数值模拟结果进行比较，得到新型平台有更强的承载能力和结构稳性。更多的学者通过理论分析和数值模拟的手段对冰激振动问题的现象和机理进行了大量研究。梁瑞等[4]使用ANSYS有限元软件对某六腿导管架平台的冰激振动响应进行模拟分析，讨论了冰力遮蔽效应对结构动力响应的影响。赵玉良等[5]同样利用ANSYS有限元软件对渤海某导管架平台进行了冰激振动分析，主要考虑海冰撞击作用下结构的冰振响应情况，并讨论了不同冰厚、冰速等冰参数变化时导管架响应的变化规律。吴奇兵等[6]使用ABAQUS有限元软件对导管架平台的冰激振动特征进行了模拟分析，并将计算结果与现场监测数据进行比较，发现结构基频与冰力频率相近时会产生明显的共振现象，进而提出了改善冰激振动问题的几项抗冰措施。除了针对导管架平台结构的冰激振动进行数值模拟分析，一些学者还对如海上风电结构等构造物进行了研究。张大勇等[7]针对海上风电基础这一柔性结构在海冰作用下的情况进行研究，分别从静冰力极值和动冰载荷的角度进行分析，结合多年现场实测数据，对渤海某典型风电基础结构的抗冰性能进行了评估。

通过对已有研究工作的整理和分析可知，目前对冰区海洋平台冰激振动问题的研究中，仍主要以平台整体结构为对象，对平台火炬臂等子结构在动冰力作用下产生动力响应的研究工作仍较为匮乏。海洋平台火炬臂属于上部组块的附属结构，主要由钢制圆管组成，是平台火炬系统的组成部分之一。火炬臂主要为火炬系统的其他组成部分提供支撑，一般属于细长结构[8-9]。本文以锦州9-3区域中心平台上的火炬臂子结构为研究对象，分析火炬臂的冰激振动现象，从而探究其振动响应与主平台结构响应之间的关系。

1 计算原理

对于本文所研究的导管架平台火炬臂结构，其与平台整体结构共同构成了结构动力学中典型的主从系统。在系统中，主结构与子结构的动力响应会相互影响。因此，为避免在进行主结构动力分析时，出现从属结构动力响应影响主结构响应特征的现象，本文在研究中将对火炬臂结构进行独立的动力分析计算。由此可知，计算中的关键性技术原理在于把握火炬臂子结构相对于导管架平台主结构动力响应的继承关系[10-12]。

为准确把握子结构对主结构振动响应的继承关系，关键在于：

(1)在主结构振动分析中采用恰当的方法，准确获取子结构与主结构连接位置的振动响应时程。

(2)在动力响应分析中，对局部关键位置动力响应的准确把握主要取决于两方面因素：局部刚度矩阵和局部质量矩阵的准确建立。

在分析过程中，通过构建有限元模型对火炬臂与中心平台上部模块间的连接构件及火炬臂结构质量均进行了准确模拟，见图1。由图可见，在平台设计中火炬臂与中心平台上部模块的两层甲板形成了连接，在有限元模型中完整模拟了火炬臂与这两层甲板连接的一系列构件。同时，为了在平台整体模型中考虑火炬臂结构的质量，将火炬臂结构质量附加在模型的上述连接构件所组成的局部框架上。

这样，在进行中心平台的整体冰激振动分析计算中，就可以准确提取与每种海冰作用工况相对应的火炬臂连接点上的结构动力响应时程，而这些动力响应时程正是本文对火炬臂结构进行分析时的外部激励输入条件。

根据原型结构中火炬臂的结构型式建立有限元模型。在原型结构中，火炬臂通过4根弦杆分别与中心平台上甲板(高程+29 m)和中层甲板(高程+21 m)相连。4根弦杆逐渐收拢并合并为3根弦杆，构成火炬臂结构框架。火炬臂结构的阻尼比为5%。为准确掌握火炬臂结构的动力特征，首先对火炬臂模型进行模态分析，通过计算得到结构前3阶自振频率，见表1。通过与原型结构的动力特征进行对比，可知该火炬臂模型的模态分析结果是合理的。前3阶振型见图2～图4。

表1 中心平台火炬臂模型前3阶自振频率

图4 中心平台火炬臂3阶振型

2 计算及结果分析

2.1 激励输入

火炬臂振动是在平台整体结构振动的带动下产生的，因此本文对火炬臂模型的分析是以导管架平台的整体动力计算为基础的。计算结果表明：在最高天文潮水位，冰厚49.2 cm、冰速1.4 m/s(即百年遇冰厚和极端冰速)、冰向SSW工况下，平台整体结构的动力响应达到最大值。在火炬臂动力分析中即以该工况为例，对火炬臂的激励输入条件进行介绍。

如上所述，火炬臂的激励输入项是通过提取平台整体计算输入点上的振动响应结果实现的。本文仅给出4个振动输入点的其中一个，该点为火炬臂与中心平台高程+29 m甲板靠西侧连接点。提取该输入点X、Y、Z3个方向的位移响应时程，其结果见图5～图7。其他连接点的输入激励按此种方法提取即可。进而可以进行火炬臂结构相应工况的动力计算。

图5 火炬臂振动输入点：X向位移时程

图6 火炬臂振动输入点：Y向位移时程

2.2 计算结果分析

本文首先对平台极端工况进行分析，即最高天文潮水位下冰厚49.2 cm、冰速1.4 m/s(即百年遇冰厚和极端冰速)、冰向SSW工况。经过计算，图8～图13为火炬臂在该工况下沿X、Y、Z3个方向的位移和加速度响应，以及中心平台高程+29 m甲板上的动力响应，其中：甲板响应结果源自平台整体冰激振动分析，火炬臂响应由其顶端节点结果描述。

图7 火炬臂振动输入点：Z向位移时程

图8 沿X方向的位移响应

图9 沿Y方向的位移响应

图10 沿Z方向的位移响应

通过上面对极端冰况下火炬臂与平台甲板响应的对比可以看到，火炬臂在吸收了平台甲板传递过来的振动能量后，已将其转化为自身特有的振动形态。具体表现为：

(1)X向：振动形态基本与平台甲板保持一致，位移响应水平较平台甲板放大了2.5倍。

(2)Y向：振动形态与平台甲板类似，但呈现出大比例的高频成分，位移响应水平较平台甲板放大了1.5倍。

(3)Z向：振动形态与平台甲板完全不同。甲板在该向的振动水平十分微弱，但火炬臂已将其转化为自身的1阶模态共振，振动水平较平台甲板放大了近100倍。

图11 沿X方向的加速度响应

图12 沿Y方向的加速度响应

图13 沿Z方向的加速度响应

由上述分析可知，火炬臂在相同冰条件下体现出与平台结构完全不同的振动响应特征。上述分析是在极端冰况下进行的，此时冰力中包含很大比例的高频激励成分[13-14]。查阅之前模态计算结果可知，火炬臂的前3阶固有频率均高出中心平台整体固有频率数倍，因此形成了火炬臂对高频振动能量集中吸收的响应模式。

随后对低冰速条件下的冰激振动情况进行对比分析，分别提取该工况下火炬臂和中心平台高程+29 m甲板上的响应计算结果，本文只列出Z向响应结果见图14、图15。低冰速条件下，火炬臂在吸收了平台甲板传递过来的低频振动能量后，将其转化为另一种特有的振动形态。具体表现为：

(1)X向：振动形态与平台甲板保持几乎相反的相位，同时呈现出大比例的高频成分，位移响应水平较平台甲板放大了近7倍。

(2)Y向：低频振动形态与平台甲板类似，但较之甲板呈现出更大比例的高频成分，位移响应水平较平台甲板放大了近2倍。

(3)Z向：振动形态与平台甲板完全不同。甲板在该向的振动水平十分微弱，但火炬臂已将其转化为类似于自身1阶振型的衰减振动形态，位移响应水平较平台甲板放大了近100倍。

由此可见，即便在低冰速下，火炬臂在继承了平台较为稳定的振动特征后，也将演化为以垂向振荡为主的运动形态。

图14 低冰速下中心平台火炬臂和

图15 低冰速下中心平台火炬臂和

鉴于以上分析可知，火炬臂Z向运动与X、Y向的运动规律有明显不同，且其在垂向(Z向)的振动响应占据主导地位。据此，为了更详细地研究Z向冰激振动响应规律，对冰向西南偏南方向(SSW)工况下火炬臂Z向响应随冰速与冰厚的变化情况进行统计，得到图16～图18所示的三维分布图。

由前面数值模拟计算结果可知，中心平台在动冰力作用下的响应规律主要体现在以下几个方面：

(1)最高天文潮水位

低冰速下：振动水平较低的超谐波共振；

中冰速下：振动水平较高的超谐波共振；

高冰速下：振动水平较低的次谐波共振。

图17 火炬臂在平均水位工况下Z向加速度波动范围随冰速变化情况

图18 火炬臂在最低天文潮水位工况下Z向加速度波动范围随冰速变化情况

(2)平均水位

低冰速下：准静态响应；

中冰速下：开始进入非线性共振区；

高冰速下：振动水平随冰速逐渐增长的非线性共振。

(3)最低天文潮水位

低冰速下：振动水平较高的超谐波共振；

中冰速下：非线性共振区向随机波动区的过渡；

高冰速下：振动水平较低的随机响应。

观察图16～图18可知，上述规律可同样在火炬臂的振动响应中得到集中体现。由此可见，火炬臂的振动响应对于平台主结构的振动具备重要的“继承”特征，这也同时验证了火炬臂冰激振动计算分析结果的合理性。

3 结论

本文为渤海浅水重冰区平台的火炬臂冰激振动分析提供了一种数值模拟方法，通过对平台整体结构和火炬臂结构的有限元分析可以得到以下结论：

(1) 主从结构系统拆分建立力学模型经过检验是可行的方法，为以后此类问题的解决提供了参考与借鉴。

(2) 计算结果显示，渤海浅水重冰区平台火炬臂的冰激振动相对于主结构有一定的放大，且垂直方向上的变化相对其他两个方向更为显著。

(3) 对极端工况分析可以发现，火炬臂的运动与平台主结构的受力特性有着密切的关系。不同冰速下有着不同的破坏特性，对火炬臂结构有着不同的影响。

(4) 通过对计算结果的详细分析可以发现，子结构的运动响应对主结构有着良好的“继承”关系，在结果中得到了很好的验证。