大型海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)研究

大型海洋石油平臺(tái)結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)研究

0基于大家庭結(jié)構(gòu)全風(fēng)向角的風(fēng)荷載探索近年來(lái)，臺(tái)風(fēng)頻繁發(fā)生，帶來(lái)強(qiáng)降大趨勢(shì)、多種影響和嚴(yán)重災(zāi)害。目前工程上結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)研究主要采用直接測(cè)量響應(yīng)法因此,本文以南中國(guó)海某大型高聳導(dǎo)管架平臺(tái)為研究對(duì)象,系統(tǒng)開(kāi)展0~360°全風(fēng)向角下高頻底座測(cè)力天平風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)。基于風(fēng)洞測(cè)力實(shí)驗(yàn)結(jié)果和脈動(dòng)風(fēng)載荷準(zhǔn)定常假設(shè),估算平臺(tái)結(jié)構(gòu)全風(fēng)向角下脈動(dòng)風(fēng)載荷空間分布,建立平臺(tái)結(jié)構(gòu)精細(xì)化有限元模型。充分考慮樁土非線性及海水等影響,對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)振響應(yīng)分析,獲得平臺(tái)結(jié)構(gòu)順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)致振動(dòng)特性以及陣風(fēng)載荷因子隨高度和風(fēng)向角的變化規(guī)律。1廣義脈動(dòng)風(fēng)載荷為充分研究海洋石油平臺(tái)風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng),將主要承風(fēng)的上部組塊劃分為不同的層段(見(jiàn)圖1),其中剛度較大的主體部分劃分為1—3層,高聳井架部分劃分為4—11層。將各層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為多自由度結(jié)構(gòu)體系,各層風(fēng)載荷作用下的動(dòng)力平衡方程為:只考慮風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用而忽略結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)的反作用,基于準(zhǔn)定常假設(shè)對(duì)(1)式進(jìn)行解耦可獲得平臺(tái)結(jié)構(gòu)n階振型下廣義脈動(dòng)風(fēng)載荷:(2)式中,第i層平均風(fēng)速u(mài)對(duì)(2)式進(jìn)行傅里葉變換即可求得各層廣義脈動(dòng)風(fēng)載荷互譜密度:文獻(xiàn)基于高頻動(dòng)態(tài)天平測(cè)力實(shí)驗(yàn)獲得結(jié)構(gòu)基底彎矩功率譜密度與結(jié)構(gòu)不同高度處風(fēng)載荷互功率譜密度關(guān)系:將(5)式代入(6)式可得:將(7)式代入(5)式即可得到風(fēng)載荷功率譜密度空間估計(jì):目前風(fēng)載荷時(shí)程模擬方法主要有線性濾波法、諧波疊加法和小波分析法等,其中諧波疊加法是基于三角級(jí)數(shù)求和的頻譜表示方法,該方法簡(jiǎn)單直觀、數(shù)學(xué)基礎(chǔ)嚴(yán)密,適用性強(qiáng)脈動(dòng)風(fēng)載荷可由下式模擬:2動(dòng)脈風(fēng)負(fù)荷空間分布2.1實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃湍M方法以南中國(guó)海某大型固定鉆井平臺(tái)為研究對(duì)象,分別進(jìn)行不同風(fēng)向角下高頻動(dòng)態(tài)天平測(cè)力實(shí)驗(yàn)。該平臺(tái)上部組塊主要由火炬塔、鉆井設(shè)備模塊、鉆井支持模塊、錄井模塊、固井模塊、測(cè)井模塊、散料罐/灰罐、生活樓、飛機(jī)甲板及吊機(jī)等組成,總長(zhǎng)66.45m,高91.74m,寬34.00m。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)裝置為全鋼結(jié)構(gòu)的串置雙實(shí)驗(yàn)段閉口式矩形截面風(fēng)洞,主實(shí)驗(yàn)段寬3m、高2m、長(zhǎng)20m,風(fēng)速連續(xù)可調(diào),最大風(fēng)速可達(dá)45m/s?？紤]平臺(tái)原型結(jié)構(gòu)尺寸與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)尺寸的限制,取實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂s尺比為1︰100,計(jì)算其風(fēng)洞阻塞比最大值為3.63%,滿足風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)要求。充分考慮上部組塊剛?cè)岵⒋嫣攸c(diǎn),實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?見(jiàn)圖2a)主體部分采用泡沫制作,甲板腿采用有機(jī)玻璃制造,井架采用有機(jī)塑料制作,以保證實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ途哂凶銐虻膹?qiáng)度并滿足輕質(zhì)要求。實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭糜陲L(fēng)洞實(shí)驗(yàn)段中部底轉(zhuǎn)盤(pán)上的高頻天平上,通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)向角下測(cè)力實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用如圖2b所示的坐標(biāo)系統(tǒng),即坐標(biāo)原點(diǎn)位于平臺(tái)中心處,導(dǎo)管架平臺(tái)橫向中部方向?yàn)?°方向,x軸指向平臺(tái)外側(cè),z軸向上,y軸根據(jù)右手法則定義。采用被動(dòng)模擬方法,即均勻風(fēng)場(chǎng)通過(guò)擋板、二元尖塔和粗糙元陣列,可獲得模擬臺(tái)風(fēng)梯度風(fēng)場(chǎng),風(fēng)速剖面和湍流強(qiáng)度剖面如圖2c所示。實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)還包括:模型參考高度79m,參考點(diǎn)處風(fēng)壓1.27kPa、風(fēng)速11m/s,地面粗糙度指數(shù)0.2,采樣頻率500Hz,采樣時(shí)間180s。2.2基底彎矩功率譜對(duì)于高頻動(dòng)態(tài)天平測(cè)力實(shí)驗(yàn),為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性,實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ托铦M足質(zhì)量盡量小、頻率足夠高(剛性模型)等要求圖3為處理前后基底彎矩功率譜比較圖,可以看出:由于風(fēng)洞測(cè)力模型頻率不夠高,沿x軸、y軸、z軸的基底彎矩功率譜均存在兩個(gè)峰值,模型共振現(xiàn)象明顯,對(duì)基底彎矩功率譜影響不可忽略,而修正后該影響得到了有效消除。2.3風(fēng)荷載基于修正后的風(fēng)洞測(cè)力實(shí)驗(yàn)基底彎矩功率譜,按照(8)式求取平臺(tái)結(jié)構(gòu)各層風(fēng)載荷空間分布。圖4、圖5分別為0°方向第1、6和11層風(fēng)載荷功率密度自譜和互譜。由圖4a、4b可知:各層風(fēng)載荷自譜形狀大體相似,低頻段幅值較大,高頻段幅值較小,振動(dòng)主要集中于低頻段;隨著高度的增加,風(fēng)載荷自譜密度幅值呈增大趨勢(shì);低頻段順風(fēng)向(在0°風(fēng)向角下即為x方向)自譜密度幅值遠(yuǎn)大于橫風(fēng)向(在0°風(fēng)向角下即為y方向)自譜密度幅值,此時(shí)結(jié)構(gòu)以順風(fēng)向振動(dòng)為主,而在高頻段,順風(fēng)向自譜密度幅值衰減較快,以至于橫風(fēng)向自譜密度幅值大于順風(fēng)向自譜密度幅值,結(jié)構(gòu)以橫風(fēng)向振動(dòng)為主。由圖5a、5b可知:與自譜密度類似,低頻段順風(fēng)向各層互譜密度幅值大于橫風(fēng)向互譜密度幅值,而在高頻段順風(fēng)向互譜密度幅值小于橫風(fēng)向互譜密度幅值;各層風(fēng)載荷之間存在一定相關(guān)性,且相關(guān)程度隨著各層距離的增加而減少,其中第6層和第11層風(fēng)載荷互譜密度幅值較大,即兩層風(fēng)載荷相關(guān)程度較大。根據(jù)各層風(fēng)載荷功率密度自譜和互譜,按照(10)式即可求得各層風(fēng)載荷空間分布,其中第1、6和11層風(fēng)載荷時(shí)程如圖6所示。由圖6可知,隨著高度的增加,平臺(tái)結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)載荷幅值逐漸增大,而橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)載荷幅值小于順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)載荷幅值。表1為0°方向各層順風(fēng)向和橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)載荷均方根值的對(duì)比,可以看出:橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)載荷均方根值約為順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)載荷均方根值的9.6%,其中第3層結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、干擾效應(yīng)嚴(yán)重、漩渦脫落等因素導(dǎo)致橫風(fēng)向與順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)載荷均方根值的比值增大,為10.05%。因此,目前海洋平臺(tái)抗風(fēng)分析中忽略橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)載荷是偏于不安全的,建議考慮橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)載荷功率譜或施加橫風(fēng)向風(fēng)載荷時(shí)程進(jìn)行橫風(fēng)向風(fēng)載荷評(píng)估。3風(fēng)振響應(yīng)問(wèn)題對(duì)于大型海洋石油平臺(tái)上部組塊高聳結(jié)構(gòu),需進(jìn)行臺(tái)風(fēng)條件下高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)分析,確保高聳結(jié)構(gòu)在臺(tái)風(fēng)下不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度及疲勞破壞。首先,基于脈動(dòng)風(fēng)載荷空間分布獲得平臺(tái)結(jié)構(gòu)臺(tái)風(fēng)條件下順風(fēng)向和橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)載荷分布特性;然后,建立平臺(tái)結(jié)構(gòu)精細(xì)化有限元模型,進(jìn)行全風(fēng)向角下風(fēng)振響應(yīng)分析,獲得結(jié)構(gòu)風(fēng)振特性;最后,對(duì)于風(fēng)振響應(yīng)較大的結(jié)構(gòu),提出風(fēng)振控制措施,如增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度和阻尼等,減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)。建立平臺(tái)結(jié)構(gòu)精細(xì)有限元模型,其中梁、板和管構(gòu)件分別采用BEAM188、SHELL163和PIPE59單元模擬,設(shè)備質(zhì)量采用MASS21單元模擬,樁-土非線性相互作用根據(jù)土壤p-y曲線(y方向土壤抗力-變形非線性曲線)和p-z曲線(z方向土壤抗力-變形非線性曲線)采用非線性彈簧單元COMBIN39模擬,海水對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的作用則采用水表進(jìn)行定義。根據(jù)圖1中平臺(tái)上部組塊分層情況,將各層脈動(dòng)風(fēng)載荷采用均布加載方式分別施加到各個(gè)模塊迎風(fēng)面對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)上,然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)分析。3.1加速度均方根值圖7為0°風(fēng)向角下平臺(tái)頂層結(jié)構(gòu)加速度時(shí)程,可以看出:平臺(tái)頂層結(jié)構(gòu)順風(fēng)向和橫風(fēng)向均表現(xiàn)為隨機(jī)振動(dòng)特性,順風(fēng)向加速度振動(dòng)幅值大于橫風(fēng)向加速度振動(dòng)幅值,但兩者處于同一數(shù)量級(jí)。進(jìn)一步對(duì)順風(fēng)向和橫風(fēng)向加速度時(shí)程進(jìn)行傅里葉變換獲得其振動(dòng)頻域特性,其中第4、8和11層順風(fēng)向和橫風(fēng)向加速度振動(dòng)頻譜如圖8所示。由圖8可知,順風(fēng)向加速度振動(dòng)峰值頻率隨著高度的增加而減小,橫風(fēng)向加速度振動(dòng)峰值頻率隨著高度的增加變化不大;順風(fēng)向和橫風(fēng)向加速度在低頻段(0~2Hz)均存在一個(gè)峰值頻率,且低頻段順風(fēng)向加速度峰值頻率和幅值均略大于橫風(fēng)向加速度峰值頻率和幅值;但對(duì)于高頻段(2~10Hz),順風(fēng)向加速度振動(dòng)幅值波動(dòng)較平緩,而橫風(fēng)向加速度振動(dòng)幅值波動(dòng)較大。這說(shuō)明臺(tái)風(fēng)條件下復(fù)雜的空氣流動(dòng)狀態(tài)誘導(dǎo)井架等高聳結(jié)構(gòu)發(fā)生多頻率橫向振動(dòng),從而導(dǎo)致井架等高聳結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)較大。表2為0°風(fēng)向角下平臺(tái)結(jié)構(gòu)各層加速度均方根值,可以看出:順風(fēng)向和橫風(fēng)向加速度均方根值隨著高度的增加整體呈增大趨勢(shì),其中第4層橫風(fēng)向加速度均方根值大于第5層橫風(fēng)向加速度均方根值,這主要是由于第4層位于井架底部,結(jié)構(gòu)復(fù)雜、漩渦脫落等因素導(dǎo)致結(jié)構(gòu)橫向振動(dòng)大;平臺(tái)主體甲板部分(1—3層)橫風(fēng)向加速度均方根值約為順風(fēng)向加速度均方根值的29%,高聳井架部分(4—11層)橫風(fēng)向加速度均方根值約為順風(fēng)向加速度均方根值的55%,其中第4層橫風(fēng)向與順風(fēng)向加速度均方根值比值最大,達(dá)到61%。因此,平臺(tái)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)需考慮橫風(fēng)向風(fēng)載荷作用,尤其對(duì)于大型復(fù)雜高聳平臺(tái)結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)時(shí)需特別注意高聳井架頂部和底部的風(fēng)振響應(yīng)。根據(jù)表2的分析結(jié)果,平臺(tái)結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)主要集中于高聳井架部分。為比較不同風(fēng)向角下高聳井架結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性,分別計(jì)算了第4、8和11層結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度均方根值,并繪制雷達(dá)圖(見(jiàn)圖9)?？梢钥闯?隨著高度的增加,加速度均方根值呈增大趨勢(shì),且第4、8和11層加速度均方根值隨風(fēng)向角變化規(guī)律基本一致,其中第11層在60°風(fēng)向角時(shí),加速度均方根最大,為49.77cm/s3.2結(jié)構(gòu)位移均方根圖10為0~90°風(fēng)向角下平臺(tái)結(jié)構(gòu)各層位移響應(yīng)均方根值,可以看出,隨著高度的增加,各風(fēng)向角下x方向和y方向位移均方根值呈增大趨勢(shì),其中在0~50m高度,兩個(gè)方向位移均方根值變化較小,在50~90m高度,兩個(gè)方向位移均方根值增長(zhǎng)較快。這是由于0~50m為平臺(tái)結(jié)構(gòu)上部組塊主體部分,結(jié)構(gòu)剛度大,風(fēng)致振動(dòng)幅值較小,而50~90m為平臺(tái)井架高聳部分,結(jié)構(gòu)剛度小,柔性大,風(fēng)致振動(dòng)幅值較大。為比較不同風(fēng)向角下高聳井架結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值,分別計(jì)算了第4、8和11層結(jié)構(gòu)位移均方根值,并繪制如圖11所示的位移雷達(dá)圖?？梢钥闯?隨著高度的增加,位移均方根呈增大趨勢(shì),且第4、8和11層位移均方根隨風(fēng)向角變化規(guī)律基本一致,呈現(xiàn)斜O(jiān)形。其中井架頂層在270°風(fēng)向角時(shí),位移均方根最大,為17cm,此時(shí)結(jié)構(gòu)位移比為1.85,不滿足高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范3.3高強(qiáng)井架結(jié)構(gòu)和橫向脈動(dòng)風(fēng)載荷定義平臺(tái)結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)峰值與平均位移響應(yīng)之比為陣風(fēng)載荷因子表3為0°風(fēng)向角下平臺(tái)各層結(jié)構(gòu)順風(fēng)向和橫風(fēng)向陣風(fēng)載荷因子對(duì)比,可以看出:平臺(tái)上部組塊主體部分(1—4層)順風(fēng)向和橫風(fēng)向陣風(fēng)載荷因子先增大后減小,高聳井架部分(5—11層)順風(fēng)向和橫風(fēng)向陣風(fēng)載荷因子則隨著高度的增加而逐漸增大;高聳井架部分,各層橫風(fēng)向陣風(fēng)載荷因子均大于順風(fēng)向陣風(fēng)載荷因子,尤其井架頂層橫風(fēng)向陣風(fēng)載荷因子達(dá)到1.344,說(shuō)明高聳井架結(jié)構(gòu)對(duì)橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)載荷放大作用較大。為比較不同風(fēng)向角下陣風(fēng)載荷因子,分別計(jì)算了0~360°風(fēng)向角下頂層結(jié)構(gòu)x方向和y方向陣風(fēng)載荷因子(見(jiàn)圖12)?？梢钥闯?x方向和y方向陣風(fēng)載荷因子均存在兩個(gè)峰值,且4個(gè)峰值分別對(duì)應(yīng)于該風(fēng)向角下橫風(fēng)向陣風(fēng)載荷因子(0°和180°風(fēng)向角下橫風(fēng)向?yàn)閥方向,90°和270°風(fēng)向角下橫風(fēng)向?yàn)閤方向)。這進(jìn)一步說(shuō)明高聳井架結(jié)構(gòu)對(duì)橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)載荷放大作用較大。因此,進(jìn)行大型海洋平臺(tái)抗風(fēng)安全評(píng)估時(shí),需重點(diǎn)關(guān)注井架等高聳結(jié)構(gòu)對(duì)橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)載荷的放大作用,保證井架等高聳結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行。4橫風(fēng)向風(fēng)荷載海洋鉆井平臺(tái)結(jié)構(gòu)各層風(fēng)載荷空間分布相關(guān)程度隨著各層距離的增加而減少,橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)載荷均方根值約占順風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)載荷均方根值的10%。建議考慮橫風(fēng)向脈動(dòng)風(fēng)載荷功率譜或施加橫風(fēng)向載荷時(shí)程進(jìn)行橫風(fēng)向風(fēng)載荷評(píng)估。平臺(tái)結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)主要集中于井架等高聳鏤空結(jié)構(gòu),井架