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冰荷载计算中的主要影响因素 姜巍李旭志 (中国石油辽河工程有限公司) 摘要从冰激振动的两种理论出发，利用sAcS建立导管架平台模型，对三组不同的冰荷载 情况进行了冰激响应和疲劳分析，从分析结果中总结出冰荷载影响结构稳定性的两个主要的因 素：冰厚和冰速。对日后准确的计算冰荷载作用起到参考作用。 关键词导管架平台 自振特性冰激响应影响因素 我国渤海辽东湾海域每年冬季12月至次年3月为结冰期，大约每10年出现一次较严重 的冰情，最大冰厚可达80cm。由于冰周期性地撞击结构能够形成持续的交变动冰力，因而会 对冰区海洋平台结构的振动产生明显的动力放大作用。若冰破碎周期与平台固有频率相等或 接近，平台结构就将产生共振。现场观测表明，冰激振动现象对辽东湾海洋平台的生产作业和 安全影响极大。因此，研究冰对辽东湾海洋平台结构的冰激响应具有重要意义。 关于海洋结构的冰激振动，国内外均作了较多的研究，并提出了冰激振动模型。本文利用 美国Engineering 建模，针对三种不同情况的冰激荷载分别进行了冰激响应和疲劳分析。 1冰激振动的两种理论 干扰持续作用下，结构物被迫产生振动。认为冰力的动力特性主要归结为冰的破碎，冰破碎有 循环过程，因而其主要控制参数是冰与结构物两者的弹性变形。这个模型用一组弹性单元体 来描述冰的作用，当单元体与结构接触后，一旦其弹性变形超过一定值时，便发生破坏，紧接着 又是下一个单元体的作用。 型。他认为冰排引起的结构动力响应是一种负阻尼效应，在一定的加载速率范围内，连续挤压 的海冰抗压强度将随加载速率的增加而降低，若这种负阻尼大于结构阻尼，即使一个微小的振 动，也会使结构振幅不断增大，从而产生冰激振动。 用自激振动理论描述冰引起的结构振动时，是将结构的响应和冰力的变化过程同冰的单 轴抗压强度随加载速率变化的关系联系在一起。说明冰引起的结构振动是一个冰与结构相互 一702— 作用的过程，产生自激振动时，结构内部能量不断积累、振幅不断增大。自激振动的发生一方 面取决于海冰本身的强度性质，另一方面又以结构的运动作为重要的先决条件。 2冰激响应与冰疲劳分析 以辽东湾葵东101四腿导管架平台为计算实例，利用美国EDI公司开发的海洋工程专业 分析计算软件sAcs建立模型，对不同条件下的冰荷载进行响应和疲劳分析，总结出影响冰荷 载作用的两个主要因素。 葵东101生产平台采用四腿四桩导管架结构。导管架由各种型号钢管焊接而成，有三个 型。为使计算模型与实际结构尽量相似，以便计算结果反映平台结构实际受力状态，将平台结 构中所有主要受力杆件都按照实际尺寸和布置情况进行建模，模型包括165个节点，300个杆 元素，72个板元素，所有节点作为刚性节点，每个结构杆件的两端模拟成刚性连接。平台上部 荷载包括设备重量和栈桥力，平台甲板活荷载按4．OkN／m2。 杆件60lL 图1 四腿导管架平台结构有限兀模型 2．1 自振特性 通过振型分析，得到平台结构的固有频率和主振型，从而确定平台在辽东湾海域环境条件 下发生共振的可能性。平台结构固有频率和主振型求解可归纳为求特征方程的特征值和特征 向量问题，常用的方法有：广义雅可比法、子空间迭代法和缩聚法。对导管架平台进行结构动 力响应分析时，先计算结构振型，振型计算采用缩聚法，缩聚实质上是降阶，将结构坐标分为主 副坐标，通过主自由度来缩减矩阵的大小后求得缩减自由度解，然后通过执行扩展处理将解扩 展到完整的自由度集上。采用缩聚法可节省工程计算时间，实现快速和准确的分析，其计算精 度能满足工程要求(张德文，1999)。表1只列出四腿导管架平台结构前6阶固有频率。 一703一 表1 固有频率和广义质量 振型 频率(IIz) 广义质量(kg) 特征值 周期(s) 1 1．508476 1．9706336E+02 O．6629206