海上平台冰锥结构设计分析

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1、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

2、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

3、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，冰排发生表面弯曲破坏；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。11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

4、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

5、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11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

6、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APIRP2N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：（

7、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；11—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%

8、。采用Korzhavin-Afanasev方法计算冰