海上测风塔结构冰振响应分析

赵业彬，孙星宇，张大勇，操太春，王刚，褚洪民

(1.山东电力工程咨询院有限公司，济南 250013；2.大连理工大学 海洋科学与技术学院，辽宁 盘锦 124221； 3.大连理工大学 船舶工程学院，辽宁 大连 116086)

渤海莱州湾冬季存在海冰的侵扰,但该海域的某测风塔在设计之初，并没有考虑冰激振动，尤其是冰激稳态振动对结构的影响。因而结构是否具备抗冰性能需进行论证。目前，国内外对冰区直立海洋结构物与海冰相互作用有大量的研究，但冰荷载的计算方法和公式没有统一，各自研究建立的冰力模型也不尽相同，使得最后的计算结果相差较大[1-5]。与传统的海洋工程结构相比，海上测风塔属于细长结构，为了节约成本，塔架截面随测风塔高度逐渐变小，造成了海上测风塔结构动态响应更加复杂。由于测风塔与油气平台存在差别，本文针对该海域海上测风塔的抗冰性能进行研究。

1 海上测风塔结构动力特性

本文进行海冰与窄体结构相互作用的数值仿真。选取莱州湾昌邑附近海域的测风塔结构和渤海JZ20-2MUQ平台(相关参数见表1)进行对比。莱州湾某测风塔结构为独柱独桩的结构形式，钢桩采用大直径桩，并在泥面到水面间采用变径锥段设计。塔架顶端标高105 m，位于工作甲板上部。通过ANSYS有限元软件中对测风塔模型进行建模分析。先对测风塔结构进行简化处理，结构的简化需要保证主体结构几何形状、结构的振动频率和振型的真实性。其中，测风塔基础的塔筒及工作甲板的斜撑部分采用SHELL181单元，上部甲板部分及塔架部分采用BEAM188单元模拟。与之对比的JZ20-2MUQ平台采用MASS21单元模拟上部设备质量，其余部分的导管架结构用PIPE20单元建模。JZ20-2MUQ平台和莱州湾测风塔有限元模型见图1。

图1 海洋平台与测风塔结构有限元模型

表1 莱州湾测风塔与JZ20-2NW导管架平台结构参数

通过对比发现，两者水线处直径相近且均为窄体结构(破碎冰可及时从结构两侧清除，不发生冰堆积)，此外结构基频相近。研究测风塔冰力模型时可采用已经较为成熟的计算渤海导管架平台的窄体结构冰力模型。

忽略桩基与泥土的相互作用，认为测风塔结构的桩腿底部固定，约束其所有方向的自由度，其中:X轴方向与测风塔仪器支架方向平行，Z轴方向为沿测风塔高度方向，Y轴方向垂直于X轴、Z轴方向。基于数值模拟，结构前四阶固有频率及振型见表2。

表2 测风塔结构前4阶频率及振型 Hz

分析发现，独柱独桩测风塔结构的基频为0.75 Hz，基频与实测频率相近，结构的前三阶振型分别为Y方向摆动、X方向摆动、Z方向扭转，与结构的实际动力特性相近，此模型能够反映结构的动力特征。

2 冰载荷模型

研究表明：针对冰与柔性直立结构挤压破碎引起的冰荷载和结构振动，根据冰破碎模式，存在以下3种模式[6]。

1)低冰速。准静态破坏：在冰速小于2 cm/s时，海冰表现为准静态破坏，可以将此种情况下的冰荷载考虑为静冰力。

2)中冰速。结构稳态振动：当冰速大致位于2～4 cm/s时。通过实测的冰力时程及结构响应发现，海冰破碎频率和结构的固有频率相同，发生频率锁定，结构发生共振现象。文献[1]根据渤海实测的自激振动冰力时程，给出了三角波时域函数。

3)快冰速时。结构随机强迫振动：当冰速大于4 cm/s时，由实测的挤压冰力时程曲线分析发现。结构发生随机振动，根据渤海和波斯尼亚湾灯塔上测得的大量样本的随机冰荷载数据，经统计分析建立了随机冰力谱[7-8]。

3种冰载荷模式中，低冰速的准静态破坏和中冰速的结构稳态振动对冰区海洋结构物影响明显，应重点予以考虑，本文主要针对2种情况下的冰载荷模型及测风塔的冰振响应进行分析。

2.1 极值静冰载荷

目前的海工结构规范设计中，一般考虑地震、波浪、海流、风和海冰作用。通过将不同载荷转化为等效静力进而以此为依据设计海洋结构物。对于抗冰结构，一般重点考虑在极端静冰载荷的作用下结构的强度、刚度要求。通过多年对渤海导管架平台冰力的直接测量，目前渤海石油平台上常用直立结构的极值静冰力计算公式为

F=kDhσc

(1)

式中：F为总冰力，kN；k为折减系数，建议取值0.7；D和h分别为结构直径和冰厚，cm；σc为该处海域冰的单轴压缩强度，MPa，渤海海冰压缩强度可近似取2.0 MPa。

2.2 冰激稳态振动

动冰载荷对结构的危害巨大。当冰速较慢时，冰力的频率接近结构的固有频率，结构会发生自激稳态振动。通过对比冰激稳态振动发生时，结构交变位移和交变冰力的同步时程发现冰力是一个周期性过程[9](见图2)。冰激稳态振动时结构振动幅值较大，持续时间较长，对直立结构的安全运行危害较大。

图2 冰激稳态振动时冰力和结构振动位移时程曲线的频率锁定现象

文献[1]构建的冰激稳态振动冰力简化模型为三参数的三角时域模型，时域函数模型见图3，表征产生自激振动的冰力随时间的变化特征。

Fmax-冰力最大值，可保守取为极值静冰力；ΔF=qFmax，q建议选取0.4；Fmean-冰力平均值；T-冰力周期，计算中可近似取为结构固有周期；α-加载阶段系数，建议取0.8。图3 简化的稳态冰力模型

3 莱州湾某测风塔结构冰振响应分析

3.1 静冰载荷与动冰载荷下结构响应分析

基于文中相关计算方法，对莱州湾海域的某测风塔结构的抗冰性能进行分析，根据《中国海海冰条件及应用规定》，该海域的设计冰厚及测风塔结构的极值冰力见表3。

表3 设计冰厚及极值冰力

考虑结构自重，在结构水线处施加50年一遇的极值静冰力，进行静力学分析，计算结果见图4。

图4 极值静冰力下结构的应力云图

在受到50年一遇的极值静冰力作用下，X方向的最大位移量发生在结构的顶端116.55 mm。根据《高耸结构设计规范》规定，按非线性分析的自立塔结构在以风载荷为主的载荷标准组合下的水平位移需满足相关要求，即任意点的水平位移不得大于该点离地面高度的1/50(2 100 mm)；结构的最大von Mises应力发生在测风塔塔筒最下端处，其值为38.50 MPa且小于Q235钢的容许应力180 MPa。分析结果表明，测风塔结构在受到50年一遇的极值静冰力作用下，静冰载荷引起的结构响应较小。

对结构在不同设计工况下的静冰载荷、冰激稳态振动位移响应进行分析。提取了测风塔有限元模型响应点1～6(提取响应点位置见图5)，分别对应于结构标高10、30、50、70、90、100 m处，这些位置都安装风速仪等相关仪表设备，对响应较为敏感。

图5 提取响应点位置

对比结构在静冰载荷和冰激稳态振动的结构位移响应见表4。

表4 静冰载荷与冰激稳态振动下结构响应对比

由表4可见,两种工况下的结构动力放大系数相同，结构的动力响应远大于静载荷下的响应；标高越高的地方，结构的动力放大系数越大，动力放大现象越显著。数据表明，此结构在海冰作用下发生频率锁定现象时，动冰荷载是结构的控制荷载，结构相同标高处的动力放大系数相同。冰激稳态振动对于测风塔上部设备(例如，响应点6，动力放大系数达到6.7)安全运行存在隐患，应当进一步研究冰激稳态振动对结构的危害。

3.2 测风塔结构冰激稳态振动分析

3.2.1 结构加速度响应分析

加速度是评价结构及设备安全的指标之一，为了研究测风塔结构发生冰激稳态振动时对结构及其附属部件的危害，计算分析得到了测风塔在以下4种工况下发生频率锁定时的结构响应加速度，见表5。由于目前我国缺乏在冰激振动下结构的振动规范，故参考《建筑抗震设计规范》结构振动相关规定，见表6。

表5 测风塔结构在不同工况下的冰激稳态振动加速度响应

表6 抗震设防烈度和设计基本地震加速度值的对应关系

该测风塔结构的抗震设防烈度为8度，即结构振动应当控制在0.20g以内。由表5可见，在1年一遇的冰况下结构标高100 m处不满足设计要求；对于50年一遇的冰况，在标高50 m以上的结构响应就不满足设计要求。表明在海冰作用下此结构发生频率锁定现象时，结构的振动响应剧烈。从渤海导管架平台现场监测数据发现，冰激稳态振动有时会长达几分钟，若长期处于此种工况下不利于仪器的正常运行及上部塔架结构的安全，因此，需要采取措施，避免结构稳态振动的发生，例如,加装抗冰锥体等。

以1年一遇极值冰况为例，提取结构响应点1(标高10 m处)、响应点5(标高90 m处)的X方向(海冰作用方向)的加速度响应见图6。

图6 X方向加速度响应

由图6可见，不同位置的响应时程曲线不同。在标高10 m处，结构振动频率较高；标高90 m处，振动频率相对较低，且加速度幅值随着时间推移，出现了明显的放大现象，并逐步趋于稳定。长期的冰激稳态振动也会加剧结构的疲劳失效。

3.2.2 结构响应随高度的变化趋势

研究测风塔结构的位移响应分布，对测风塔结构的安全运行及改造都有着重要的意义。以1年一遇、50年一遇极端冰况为例(其他极端工况具有同样趋势)，对结构各个响应点的X方向位移极值和加速度极值进行提取，见图7、8。

图7 各个响应点X方向位移极值

由图7可知，随着测风塔结构高度的增加，结构位移响应越来越大，在响应点3以后结构的响应增长速率迅速增加。可能是由于塔架设计截面随高度逐渐变小，使得上部刚度较小，易变形，进而导致位移极值随着响应点位置的提升增加迅速。

由图8可知，随着结构高度的增加，加速度响应整体上也随之增加，但在响应点4处，结构的加速度响应明显提高且高于响应点5处的加速度。由于标高70 m处，塔架截面进一步减小，上部剧烈的响应引起了该处加速度幅值的提高，应对结构70～80 m部分的截面面积进行适当的增大以提升该处的局部刚度。

图8 各个响应点X方向加速度极值

3.3 标高10 m工作甲板法兰连接处振动响应

标高10 m处也是工作甲板与上部塔架的法兰连接处。在冰厚为6.6、14.4、29.7、34.9 cm且发生冰激稳态振动的工况下，对4根主立柱与工作平台连接处的法兰盘的加速度数据进行提取分析，见图9。图中(6.6，0.021)代表在6.6 cm冰厚的工况下，工作甲板法兰连接处加速度响应为0.021g。

图9 工作甲板法兰连接处的加速度响应

由图9可知，法兰连接处振动响应随着冰厚的增加逐渐增大，且基本上呈现线性的关系，极端冰况下可达到0.12g。由于稳态振动发生时的持续时间会比较长，在较大冰厚发生稳态振动时，长期强烈的振动响应可能会使法兰紧固螺栓的松动[10-11]，影响测风塔结构的安全运行。

4 结论

1)海上测风塔结构属于直立窄体结构，且结构与渤海导管架平台基频相近，窄体结构冰力模型适用于测风塔。

2)静冰载荷引起的测风塔响应较小，但动冰载荷对该结构的危害较大。在设计中应重点考虑动冰载荷对结构的影响。

3)该测风塔对抗冰性能的考虑不足。在冰载荷作用下，若发生稳态振动，会对结构本身及上部设备造成危害，工作甲板法兰处可能会因振动剧烈而产生疲劳失效。该测风塔结构应该采取措施以避免稳态振动的发生。