抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)的性能設(shè)計(jì)分析與驗(yàn)證研究.pdf

1、寒區(qū)抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一直存在諸多具有挑戰(zhàn)性的課題。特別是近年來(lái)，隨著海洋油氣資源開發(fā)的日益追求經(jīng)濟(jì)性效益，抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)越來(lái)越趨于經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)。然而這些抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中普遍存在冰激振動(dòng)問(wèn)題，致使平臺(tái)結(jié)構(gòu)存在多種失效模式，甚至嚴(yán)重冰激振動(dòng)下會(huì)導(dǎo)致平臺(tái)結(jié)構(gòu)的性能喪失。因而，如何滿足各種性能需求的抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是值得深入研究的課題。
　　寒區(qū)抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)的性能是由多種性能需求共同構(gòu)成的。抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程包含概念設(shè)計(jì)、初步

2、設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)三個(gè)階段，其中概念設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)是決定抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)階段，很有必要開展深入的研究分析工作。因而本文在平臺(tái)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)分析及相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，開展了抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)理論、隔振錐體減冰振策略以及簡(jiǎn)易混凝土平臺(tái)結(jié)構(gòu)抗冰振性能設(shè)計(jì)等方面的研究分析工作。
　　寒區(qū)平臺(tái)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)是抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)，其中渤海冰區(qū)已經(jīng)開展了數(shù)年的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量工作，并取得了很多有價(jià)值的測(cè)量數(shù)據(jù)。本文介紹了渤海海冰信

3、息及平臺(tái)結(jié)構(gòu)冰激振動(dòng)響應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量體系，以及測(cè)量方法、原理及技術(shù)等最新研究進(jìn)展。在海冰荷載形成機(jī)理、冰力計(jì)算模型以及平臺(tái)結(jié)構(gòu)冰振失效機(jī)理等最新研究成果的基礎(chǔ)上，給出了抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)的性能評(píng)估指標(biāo)。根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)及性能評(píng)估指標(biāo)，對(duì)JZ20-2海域的三座抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了性能評(píng)估比較分析。
　　油氣資源特點(diǎn)、開發(fā)模式和平臺(tái)結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力性能需求是抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的主要影響因素。闡述了抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)是滿足安全性能、適用性

4、能及經(jīng)濟(jì)性能要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。討論了抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足的設(shè)計(jì)控制限值，包括安全性能的強(qiáng)度設(shè)計(jì)限值、適用性能的冰振失效限值以及構(gòu)件截面幾何尺寸設(shè)計(jì)限值等。通過(guò)平臺(tái)結(jié)構(gòu)冰振失效和減冰振策略分析，給出了抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)基于性能的動(dòng)力設(shè)計(jì)流程。以JZ20-2油氣田為例，進(jìn)行了適合該油氣田開發(fā)的抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)、平臺(tái)結(jié)構(gòu)選型等分析。
　　抗冰平臺(tái)應(yīng)用隔振錐體減冰振是利用了海冰物理力學(xué)特性和隔振原理。即海冰彎曲破碎強(qiáng)度低于壓縮強(qiáng)度

5、以降低冰力，同時(shí)，動(dòng)冰荷載作用下隔振錐體發(fā)生主要的冰激振動(dòng)響應(yīng)，以減少傳遞給平臺(tái)結(jié)構(gòu)的冰激振動(dòng)能量。計(jì)算分析了彈簧剛度和阻尼對(duì)隔振錐體設(shè)計(jì)的影響。結(jié)果表明彈簧剛度是影響隔振錐體設(shè)計(jì)的主要因素，同時(shí)適當(dāng)?shù)淖枘崮軌蛭毡ふ駝?dòng)能量，有利于降低平臺(tái)結(jié)構(gòu)的冰激振動(dòng)響應(yīng)。以JZ20-2MUQ平臺(tái)結(jié)構(gòu)為例，應(yīng)用數(shù)值仿真分析方法驗(yàn)證了隔振錐體的減冰振效果。
　　以JZ20-2油氣田為例，應(yīng)用實(shí)例推理方法進(jìn)行了基于性能的抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)分析。

6、包括平臺(tái)結(jié)構(gòu)主樁腿及支撐桿件布置方案選擇，隔振錐體設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算以及各性能設(shè)計(jì)限值控制條件下的平臺(tái)構(gòu)件截面幾何尺寸參數(shù)設(shè)計(jì)。對(duì)基于性能的抗冰平臺(tái)與JZ20-2MUQ原型平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)及結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的進(jìn)行了對(duì)比分析表明，基于性能的抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)達(dá)到了性能設(shè)計(jì)要求，從而也驗(yàn)證了抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)理論及動(dòng)力設(shè)計(jì)流程的正確性和可行性。
　　最后，混凝土平臺(tái)與鋼質(zhì)平臺(tái)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較分析表明，混凝土平臺(tái)結(jié)構(gòu)在建造成本、安裝就位及維護(hù)

7、費(fèi)用等方面比鋼質(zhì)平臺(tái)更具經(jīng)濟(jì)性。本文分析了適用于寒區(qū)淺海邊際油氣田開發(fā)的抗冰平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)具有簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)性、可移動(dòng)性以及抗冰振等性能，并提出了滿足這些性能要求的單立柱桶型基礎(chǔ)混凝土平臺(tái)型式。以JZ9-3WHPB單立柱桶型基礎(chǔ)鋼質(zhì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行了將其鋼質(zhì)中央立柱設(shè)計(jì)為混凝土中央立柱的初步設(shè)計(jì)分析。計(jì)算分析表明，在同等冰況下，該單立柱桶型基礎(chǔ)混凝土平臺(tái)與JZ9-3WHPB單立柱桶型基礎(chǔ)鋼質(zhì)平臺(tái)相比，具有更好的抗冰振性能。同時(shí)，為寒區(qū)邊際油氣田