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抗冰结构的原型测量与分析评价技术研究

王延林  
【摘要】:海洋平台是海上石油开采的主要装备。尽管经过了半个多世纪的发展,海洋平台的结构设计理论与技术已经日趋成熟,但是仍不能很好地满足海洋石油的安全与经济性的开发需求,特别是对于极端海洋环境下的特殊海洋工程结构设计,如寒区与深水的海洋平台设计理论仍不成熟。对于复杂海洋工程结构,采用常规的数值模拟与模型实验等方法也无法满足设计分析的需要。利用已经建造的平台进行原型结构测量,可以获得真实的荷载及结构响应信息,为结构的设计与分析研究提供了新的途径。原型结构测量的方法在目前海洋工程结构设计分析中也得到越来越广泛的重视,其不仅可以为结构设计与评价提供信息,也可以指导现役平台的安全保障与风险预警等工作。 然而,利用现役海洋平台进行原型结构测量并开展结构设计分析,也存在一些理论与技术问题需要解决。比如,如何在实际的平台上安装测量传感器,即进行原型结构测量设计,如何在现场获取连续与完备的数据,如何对实测数据进行分析与评价等。因此开展基于现场原型结构的测量分析,一方面需要综合的的结构分析方法,例如理论分析、数值分析及室内模型实验等辅助方法,才能设计出有针对性的原型测量方案,进而获取有效的测量数据;另一方面,需要借助当今先进的电子、通信与计算机技术,采用先进的监测手段,通过长期不间断的现场原型监测,才能在现场原型结构上获取连续与完备的测量数据;此外对于测量数据进行分析评价,回归到结构设计等问题上,又需要借助数据统计分析、结构数值分析等综合技术。因此,现代结构分析技术与结构监测技术的发展,为基于原型测量方法的特殊结构设计分析方法的发展提供了很大的帮助。实际上,不仅是海洋平台结构,其它工程结构的原型测量方法与技术也是目前研究的热点问题。 本文重点针对抗冰平台结构设计与运行中所关心的问题:确定冰荷载问题、确定结构冰激振动引起的失效模式、风险预报与预警问题以及新概念抗冰结构的设计性能评价问题,开展了原型结构测量与分析评价的研究。利用渤海辽东湾的多座抗冰平台建立了比较完善的抗冰结构设计与分析评价的研究基地。本文的研究虽然是基于渤海抗冰导管架平台的研究,但同时对其它工程结构的原型测量研究也具有参考价值。本文主要研究内容如下: 1.抗冰结构原型测量技术研究 自上世纪九十年代初,我国在渤海建立了十几座导管架式抗冰平台,大连理工大学对其中多个平台进行了冬季抗冰结构的原型测量研究。本人在论文期间,参加了五个冬季的现场监测工作,并对抗冰结构现场监测系统进行了改进与完善;根据抗冰结构所关心的问题,包括冰荷载问题,冰振平台失效风险和安全预警问题以及结构设计评价问题,设计了共享的现场监测系统。所监测的信息包括冰力信息,冰荷载参数信息(冰厚、冰速),结构响应(应变,加速度)信息等,并对测量中的这些关键技术进行了深入的分析和研究,为进一步的面向渤海抗冰结构的原型测量研究的开展奠定了基础。 2.冰荷载的原型测量研究 冰荷载是冰区海洋平台结构的控制荷载,也是制约抗冰结构设计的主要不确定因素。由于冰荷载是冰与结构相互作用的破坏过程形成的,目前还缺少成熟的理论进行数值模拟,同样采用模型实验也缺少相似理论为依据。因此利用真实结构的原型测量方法确定冰荷载是目前冰荷载研究的主要手段,得到国际上的广泛重视。本文通过对渤海真实的直立结构和锥体结构的冰荷载的直接测量以及同步的结构响应和海冰参数的原型测量,获得了较为完备的建立动冰力模型的数据;通过冰荷载间接测量方法,获得了较为准确的极值冰力数据。该工作为动冰荷载及极值冰荷载问题的研究奠定了基础。 3.面向抗冰结构冰振风险的原型测量、分析与预警 由于冰荷载,特别动冰荷载研究的不成熟,导致了在较长的一段时期内,抗冰结构设计存在诸多的不确定性,包括结构冰振失效模式的不确定,从而导致冰区海洋平台存在较大的风险隐患。本文基于渤海辽东湾的多座抗冰平台,面向抗冰结构的冰振风险问题,进行了原型测量、分析与预警方法的研究。其中设计并建立了的面向冰振失效风险问题的现场原型监测系统;基于监测数据建立了平台冰振响应的预测模型,对渤海在役抗冰平台的风险预警标准及流程进行了探讨,为类似抗冰结构冰振风险分析与预警等相关工作提供了借鉴和参考。 4.面向新型抗冰平台抗冰设计性能的原型测量、分析与评估 抗冰结构设计是渤海边际油田开发的研究热点,近些年提出了多种抗冰振平台的设计理念,包括破冰锥改变冰荷载技术,整体隔振技术等。如何检验和评价这些抗冰技术成为一个比较关键的问题。本文基于上述目的,提出了面向抗冰设计性能的原型测量与分析评价的方法,该方法可以很好地弥补数值分析与室内模型试验方法中存在的缺陷和不足,对于抗冰结构设计研究具有很高的参考价值。 本文对两种新型的抗冰平台的抗冰性能进行了原型测量、分析与评估的研究,包括:①对简易桶基抗冰平台的加锥减振设计进行了原型监测,剖析了加锥减振设计对冰荷载及冰振响应的影响,对减振设计进行了评估;②针对新型的独腿抗冰平台的抗冰性能进行了原型监测系统的设计与现场实施,基于实测数据对该平台的抗冰设计性能进行了分析与评估,对抗冰设计中存在的优缺点进行了探讨。 最后对全文进行了总结与展望。


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