42

海上平台冰锥结构设计分析 高静坤　田园 俞剑勇 （海洋石油工程股份有限公司 天津 300451） 摘要 本文主要阐述了基于塑性极限分析法的锥体冰力公式以及目前应用于工程的柱体冰力校核公式，并以渤海辽东湾重冰海域破冰锥体的设计实践为例，在对比有限元模拟结果和柱体冰力校核的结果的基础上，结合具体平台形式，对抗冰锥体的实践设计进行指导。 关键词：冰锥 有限元模拟 柱体冰力校核 1引言 冰载荷是重冰海域海洋工程结构物设计的控制载荷，随着海洋工程开发活动的规模化发展，海冰与结构物相互作用的问题日益突出，建立合理的冰载荷计算模型，研究锥面冰荷载对桩腿的安全作用，对于抗冰结构的设计非常必要。在工程设计中，冰荷载是指冰力时程曲线的峰值荷载，其大小主要取决于冰排的破坏强度，而破坏强度的大小与冰排的破坏形式密切相关。由于冰排的抗弯强度小于挤压强度，借助冰锥结构能使得冰排以弯曲模式破坏，从而有效的减小作用在锥体上的冰力荷载。因此，锥体抗冰结构凭借有效地减小冰载荷这一优势，成为目前冰区海洋工程的优选结构形式。 在我国渤海北部，根据海洋平台特征、渤海海冰性质以及冰力作用下平台的振动特征，渤海重冰海域导管架通常需要在主腿上的潮差段安装正、倒锥组合抗冰结构。本文以渤海某平台的设计实践为例，介绍抗冰锥的设计。 2抗冰锥设计理论 2．1冰锥构造设计 安装了正、倒锥组合体的渤海某导管架平台结构如图1所示，该正、倒锥组合体是由两个高度相等，上下截面直径相同的圆锥体对接构成的。正、倒锥组合体的小圆面直径大小取决于平台桩腿的直径，整个组合体的高度和大圆面直径取决于海冰的类型、强度、潮差大小以及导管架桩腿的倾斜度等参数。当海水水位在平均水位以下时，海冰作用于倒锥体，冰排发生面弯曲破坏；当海水水位在平均水位以上时，海冰作用于正锥体，冰排发生根部弯曲破坏。这样，只要利用水文资料合理的估计潮差段，再据此设计正、倒锥组合体的高度，就可以充分的借助锥体结构减小冰力。 图1 带抗冰锥体平台结构示意图 2．2冰的破坏理论 当运动的冰排受到结构物阻拦时，对结构物危害最大的破坏来自于冰排整体移动所产生的挤压作用力以及冰排穿越结构物时引起的振动。如果结构物强度不够，则在此过程中会被冰排破坏；如果结构物强度很大，则冰排被其切割后破碎通过，引起结构物强烈的振动。在此过程中，结构所经受因运动冰排受阻而产生的作用力主要由冰排的破坏类型决定，并随冰排的运动而逐渐增大，当增至足够大时，冰排自身破坏，冰力也随之达到极值。因此，了解冰排自身破坏类型对于分析它与结构物的作用过程具有十分重要的意义。 通常情况下，移动的冰排在结构物前可能产生的破坏类型有以下四种： （l）挤压破坏，如图2(a)所示，冰排作用在桩柱的接触面上因受挤压而逐块断续破碎。 （2）压屈破坏，如图2(b)所示，大面积冰排与结构物接触，冰排由于受压而失稳，首先在桩柱前隆起，然后破坏。 （3）纵向剪切破坏，如图2(c)所示，当冰排的剪应力达到强度极限时，产生与运动方向平行的裂缝，造成冰排破坏。这种破坏容易出现在薄冰中。 （4）弯曲破坏，如图2(d)所示，当冰排与具有一定坡度的结构物相接触时，形成受弯的梁或板，最终因弯曲而破坏。 (a) (b) (c) (d) 图2 冰排的4种破坏类型 由于冰排对结构物的作用力是在自身破坏时达到极值，即在冰中应力达到强度极限时冰力也达到极限，所以冰的强度直接决定着冰力的大小。海冰的抗压强度、拉伸强度、剪切强度和弯曲强度对冰排的这四种基本破坏形式起着主要的控制作用，成为影响海冰与结构物相互作用的内在因素。 2．3冰荷载的计算 对于抗冰锥体结构，朝向结构运动的冰层会因为弯曲而受到拉伸破坏。在冰的上爬过程中，结构一方面受到冰层破坏而产生的荷载，另一方面也受到爬到斜坡上的碎冰块的荷载。按照API RP 2N推荐的飘浮板的上限塑性极限弯曲理论，采用Ralston方法，冰排对于锥体结构的作用力可以分解为水平方向的 和竖向方向的 ，分别由（1）（2）式确定： （1） （2） 式中，竖向断裂力 和竖向上爬力 分别由（3）（4）式确定： （3） （4） 式中，水平断裂力 和水平上爬力 别由（5）（6）式确定： （5） （6） 式中， —锥体顶面半径； —锥体底面半径； —裂纹铰处半径； — /水线半径； —锥体和水平面的夹角； —摩擦系数； —冰板厚度； —冰板弯曲强度； —冰的比重； —水的比重； —对应于Tresca屈服为2.711，对应于Johansen为3.422； 对于向上运动产生断裂的锥体，方程式可表达如下： （7） （8） （9） （10） 式中， 和 分别是第一种和第二种完全椭圆积分： （11） （12） 当 最小时距离x可由式（13）确定： （13） Nevel用Logx的前三项展开式代替Logx得： （14） 可以使用这三个方程来求解x，但如果忽略三次项则解为： （15） 这个公式求解断裂力的误差小于1%。 采用Korzhavin-Afanasev方法计算冰力方法如下： （16） 式中： —冰的压缩强度； —冰厚； —形状系数，对于圆柱体取0.9，方柱体正向迎冰时取为1.0，斜向迎冰时取为0.7； —嵌入系数，对于冰的实际受力状态和单轴抗压强度之间的差别修正如下： 当 时： 当 时： —柱体接触系数； 对于圆形截面的墩柱，嵌入系数 和接触系数 的乘积由下面的经验公式（17）确定： （17） 式中， 和D的单位为厘米。 3抗冰锥强度校核 这里分别应用有限元模型数值分析和经验公式校核两种途径对抗冰锥强度进行分析。 3．1冰荷载 考虑到在潮差的影响下，冰排与冰锥作用位置不同，本文通过如图3所示的四种工况，分别计算正、倒锥体对接位置、倒锥体上部、倒锥体中部以及倒锥体下部所受冰力情况，模拟正、倒锥组合体典型冰力分布。 图3 正、倒锥组合体冰力分布工况 针对case1，冰荷载水平作用于正、倒锥对接位置，宽度为沿力作用方向围绕冰锥180度，环境参数选择50年一遇的冰厚和强度，冰荷载大小按照Korzhavin-Afanasev公式计算。 针对case2、case3、case4工况，冰荷载的作用高度为冰层的厚度，宽度为沿力作用方向围绕冰锥180度。选择50年一遇的环境参数，根据API RP 2N中推荐的飘浮板上限塑性极限弯曲理论，采用2.3节中所述Ralston方法，将冰排对于破冰锥的作用力分解为水平方向的 和竖直方向的 。 3．2有限元分析 针对冰与锥体作用的静冰力模型，首先运用有限元软件ANSYS来模拟此过程。本文中抗冰锥由正、倒锥体组成，主要包括锥壳板、肘板、水密隔板、圆管环等构件。其中，水密隔板和圆管环位于正、倒锥的结合部位，壳板处于冰锥外侧，直接承受冰力作用，壳板内部设有12道肘板，相邻肘板之间的角度为30度。 使用ANSYS有限元软件通过定义不同的单元模拟冰锥各部分结构，建立结构分析模型如图4所示： 图4 有限元分析模型 接下来，对冰锥模型进行边界约束和施加载荷。先将模型下端位于导管架腿柱处的所有节点进行全自由度约束，然后将冰荷载按照作用点与冰力作用方向的夹角的余弦进行分布。 在case1工况下，设置边界条件并施加荷载后的模型如图5所示。 图5 施加case1荷载后的有限元分析模型 该工况下冰锥受力计算结果详见表2，其应力分布云图如图6所示。 表2 case1工况冰锥受力分析计算结果 名称 最大Von-Mises等效应力(MPa) 冰锥壳板 18.5 肘板 10.7 水密隔板 22.7 圆管环 5.1 桩腿 31.3 图6 case1工况下应力分布云图 针对case2工况，竖直力在每个节点平均分布，水平力按照作用点与冰力作用方向的夹角的余弦大小进行分布，设置边界条件并施加冰载荷后的模型如图7所示。 图7 施加case2荷载后的有限元分析模型 该工况下冰锥受力计算结果详见表3，其应力分布云图如图8所示。 表3 case2工况冰锥受力分析计算结果 名称 最大Von-Mises等效应力(MPa) 冰锥壳板 57.6 肘板 41.2 水密隔板 19.8 圆管环 14.4 桩腿 33.8 图8 case2工况下应力分布云图 3．3圆锥冰力手工校核 针对case 1，采用目前应用于工程实践中的柱体冰力计算方法，弯曲应力 表达式如下： EMBED Equation.3 （18） 通过上述基本公式分析本文中的导管架实例，可得 为0.1MPa。 针对case 2~case4，采用环板强度经验校核公式，弯曲应力 为： （19） 式中： 为截面模量 为截面弯矩 基于上述公式分析本文导管架实例case2~case4，其中，在case2工况下应力最大， 为69.4 MPa。 3．4小结 根据API规范，极端环境极值应力允许放大1.333，则该抗冰锥允许弯曲应力 为： MPa 可知，该上述两种分析方法所得case1和case2工况的计算结果均在允许应力范围内，结构满足强度。 4.结论 4．1有限元数值分析方法和经验公式校核方法的对比 将ANSYS程序计算结果与冰力经验公式校核结果进行对比分析，如表4所示： 表4 有限元数值分析结果与冰力经验公式校核结果的对比 Case1 Case2 冰力 最大应力比 冰力 最大应力比 有限元数值分析结果 1579KN 0.0017 1687KN 0.202 冰力经验公式校核结果 1579KN 0.0003 1687KN 0.244 通过对比分析上述计算结果可以看出： 1） 在Case1工况时，ANSYS有限元模拟以及手工校核的应力结果均不大，说明冰锥圆管环部分的抗冰能力相对比较强。在圆管环部分，通过ANSYS有限元模拟得到的最大Von-Mises等效应力明显大于手工校核的结果，说明针对此种工况，由于冰厚与圆管环的高度比较接近，作用在圆管环部分的冰的破坏方式为挤压破坏，因此，有限元分析能更全面的反映应力受力分布状态并捕捉到控制应力，是较好的解决办法。 2） 对于Case2工况，冰力直接作用于锥壳部分，并通过肘板传至桩腿，两种方法的分析结果一致表明，其最大应力明显大于圆管环的最大应力，说明此处的抗碰撞能力较弱。同时，通过ANSYS有限元模拟得到的最大Von-Mises等效应力与手工校核的结果吻合较好，且环板手工校核结果偏于保守，说明当冰锥的壳体受到弯曲破坏时，环板强度计算方法能够较真实的反应冰力破坏情况。在一定范围内，可供工程和设计参考使用。 4．2冰锥设计的探讨 由于海冰本身的复杂性，以及受到冰速、冰厚、冰强度、冰锥结构形式等众多因素的影响，海冰对于重冰海域海上平台及结构物的作用是一个十分复杂的力学过程。结合实际工程的要求，抗冰锥的结构设计还要考虑以下因素： 1） 当海冰作用于导管架平台时，如果海冰的断裂频率与结构的固有频率一致，就会产生结构动力放大效应，严重的情况下可以产生共振的现象。因此，考虑到冰荷载的动力放大效应，抗冰锥结构的设计要具备充足的强度储备。 2） 在实际工程中，破冰锥同时担负着保护立管、电缆护管等平台重要附属构件的作用，除非是独腿式平台，腿柱的空间足可以容纳立管、护管等附属构件，否则管线沿导管架腿外经过时，就需要在锥壳板上开孔布置管线从冰锥内部穿过，进而对抗冰锥的强度造成一定的削弱作用。同时海水和冰的腐蚀也不可忽略，因此在设计过程中应尽量保证冰锥具有足够的强度储备。 3） 对于采用浮拖法安装组块的海上平台，冰锥的位置和尺寸会对进船造成一定的影响。因此综合考虑桩腿位置、驳船尺寸、冰锥内部构造等因素，将冰锥组合体按其建造、安装方法不同划分为陆地安装和海上安装两部分，对于海上安装部分的部分锥壳体，可先行在陆地预制好后在海上现场通过紧固件进行合拢对接。 参考文献： [1] API RP 2A – WSD 21st Edition. Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing fixed Offshore Platforms – Working Stress Design, 2000. [2] API RP 2N – 2nd Edition. Recommended Practice for Planning, Designing and Constructing Structures and Pipelines for Arctic Conditions. [3]Warren C.Yang and Richard G.Budynas, Roark’S Formulas For Stress And Strain, 2002 作者简介： 高静坤，男，1975年9月出生，现就职于海洋石油工程股份有限公司设计公司，职称为高级结构工程师，主要从事海洋石油工程的结构设计工作，联系地址为天津市塘沽区丹江路1078号616信箱，电话022-66908576，邮政编码300451，电子邮件gjkun@mail.cooec.com.cn 田　园，女，1982年6月出生，现就职于海洋石油工程股份有限公司设计公司，职称为助理结构工程师，主要从事海洋石油工程的结构设计工作，联系地址为天津市塘沽区丹江路1078号616信箱，电话022-66908532，邮政编码300451，电子邮件tianyuan@mail.cooec.com.cn 俞剑勇，男，1970年11月出生，现就职于海洋石油工程股份有限公司设计公司，职称为结构工程师，主要从事海洋石油工程的结构设计工作，联系地址为天津市塘沽区丹江路1078号616信箱，电话022-66908527，邮政编码300451，电子邮件yujy@mail.cooec.com.cn Study Of Icebreaking Cone Design For Offshore Platform Gao Jingkun Tian Yuan Yu Jianyong (China Offshore Oil Engineering Co., LTD) Abstract This paper described offshore anti-ice structural framing design. Firstly the ice force evaluation based on Plastic Theory and the practical ice calculation on cylinder for offshore engineering was introduced. Particularly it took the severe ice zone on China Bohai Bay as an engineering example to detail the calculation on ice force and stress, and hence develop the structural framing of ice breaking cone. The classical hand calculation will be compared with the Finite Element Analysis in the way of design the ice cone. Moreover, some practical ways to solve the particular engineering problems was also discussed in this paper. It would be helpful for future offshore anti-ice structural engineering design. Keywords: Icebreaking Cone, Finite Element Analysis, Cylinder Stress Check PAGE 1 _1280141507.unknown _1280151091.unknown _1280308926.unknown _1280310192.unknown _1280747191.unknown _1280753349.unknown _1280753457.unknown _1280759290.unknown _1280747249.unknown _1280310275.unknown _1280310498.unknown _1280309681.unknown _1280310167.unknown _1280308946.unknown _1280209511.unknown _1280305937.unknown _1280306364.unknown _1280306786.unknown _1280306165.unknown _1280211958.unknown _1280209202.unknown _1280209462.unknown _1280142108.unknown _1280142635.unknown _1280150937.unknown _1280150964.unknown _1280151071.unknown _1280142745.unknown _1280142312.unknown _1280142133.unknown _1280141607.unknown _1280141856.unknown _1280141547.unknown _1280116121.unknown _1280141351.unknown _1280141456.unknown _1280141482.unknown _1280141398.unknown _1280141420.unknown _1280141328.unknown _1280117932.unknown _1280118189.unknown _1280141164.unknown _1280118030.unknown _1280117499.unknown _1280117516.unknown _1280116235.unknown _1160662191.unknown _1280115949.unknown _1280116032.unknown _1160662230.unknown _1164442612.dwg _1140700908.unknown _1140781227.unknown _1140781780.unknown _1140782029.unknown _1140781373.unknown _1140780890.unknown _1140700775.unknown