CN101086470A - 海洋平台的冰荷载模型实验方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋工程领域，涉及海洋平台的冰荷载确定。该装置的设计不仅应用了模型相似律理论，而且考虑了冰荷载引起结构振动的一系列理论观点。本发明的技术方案是在实验室内建造小型低温室，在低温室内安装结构模型、盛放冰板用的冰槽、以及安放冰槽的支撑架，在低温室外的剪力墙上安装驱动装置，用驱动装置驱动冰槽，使冰板挤压结构模型。与现有的冰池实验装置相比，该装置的主要特点是采用驱动冰板作用于结构模型，其优点首先在于结构模型的刚度和上部质量很大，对冰荷载形成很好的控制作用，和真实海洋平台的情况更相符；其次驱动装置的驱动力很大，能够保证冰板匀速运动，更符合真实海洋平台冰荷载的工况；另外本发明的成本很低，耗能也大大降低。

Description

海洋平台的冰荷载模型实验方法及装置

技术领域

本发明属于海洋工程领域，涉及海洋平台的冰荷载确定的实验方法和相应的实验设备。

背景技术

现有的冰荷载模型实验方法，是先建造一座室内冰池，将海洋平台的结构模型固定在拖车上，用拖车驱动结构模型，使其受力部位穿过静止的冰板，通过安装在结构模型上的拾振器、位移计等传感器测量作用在结构模型上的冰力以及结构模型的位移、加速度等响应。这种实验方法存在以下不足：1)在模型结构设计中单纯考虑模型相似律理论，结构模型的刚度和上部质量设计得过小(结构模型刚度一般小于10⁴N/m)，不能模拟真实海洋平台结构对冰力的控制作用，实验数据和真实海洋平台上的监测数据差别较大；2)流冰和真实海洋平台作用时，速度保持恒定，不受海洋平台反作用力影响，而现有实验技术中，由于结构模型的设计刚度较小，因此拖车的设计驱动力也偏小(最大约50kN)，当实验冰稍厚，即冰力稍大时，拖车不能保证结构模型以恒定速度穿过冰池，有时甚至产生间歇性运动，使实验工况与真实工况不符；3)现有技术需要建设庞大的低温实验室和大面积冰池(面积约200m²)，每次实验的制冷耗能很大，实验成本很高。

发明内容

本发明的目的是提供一种能更好地模拟冰与海洋平台的作用过程，充分反映结构对冰力的控制作用，准确控制冰板相对海洋平台结构模型的运动速度，同时大大降低实验成本的冰荷载实验方法和装置。

本发明的技术方案是：一种海洋平台的冰荷载模型实验方法，是在低温环境下，用驱动装置使结构模型穿过冰板，用传感器测量作用在结构模型上的冰力以及结构模型的位移、加速度等响应，其特征在于，将结构模型固定在低温室地面，用驱动装置推动在一端开有缺口的冰槽及里面的冰板匀速向结构模型挤压；结构模型的受力部位穿过冰槽开有的缺口及里面的冰板。最好是在结构模型顶端安装一个可拆卸的桩柱，作为结构模型的受力部位，结构模型的刚度大于5×10⁵N/m，用驱动装置推动在一端开有缺口的冰槽及里面的冰板匀速向桩柱挤压，桩柱穿过冰槽开有的缺口及里面的冰板。还优选用安装在剪力墙上的液压加载装置推动在一端开有缺口的冰槽及里面的冰板。安装在结构实验室剪力墙上的液压加载装置，能产生很大推力(最大约500kN)。

适用于上述实验方法的一种海洋平台的冰荷载模型实验装置，包括低温室、结构模型、冰板、驱动装置以及拾振器、位移计等传感器，驱动装置使结构模型受力部位穿过冰板，其特征在于，结构模型固定安装在实验室的地面上，冰板在一个冰槽里，冰槽与驱动装置相连接，并安放在支撑架上，支撑架安装在地面上，顶端装有导轨，冰槽与导轨动配合，驱动装置控制冰槽沿导轨以一定速度挤压结构模型；冰槽在靠近结构模型一端的侧面和底面开有缺口，缺口的位置正对结构模型的受力部位，缺口的宽度大于结构模型受力部位的宽度，底部缺口沿导轨方向的长度大于实验所需结构模型穿过冰板的距离。

真实海洋平台由上部质量和下部导管架构成，受到的冰力是作用在平台下部的导管架上，但从结构动力学的角度看，海洋平台可以看作一个质量块枛弹簧单自由度系统，海洋平台的上部质量可以视作质量块，下部导管架可以视作弹簧，提供系统刚度，在实验时，冰力作用在质量块的上方或下方效果是相同的。为方便实验，可以采用使冰力作用于质量块上方的方式，即在结构模型的顶端安装一个桩柱，作为受力部位，实验时使冰板作用于该桩柱，冰荷载通过桩柱传递给整个结构模型。该桩柱可以是可拆卸的，以便更换圆柱体、圆锥体等不同形状的桩柱，模拟不同形状的结构受力部位与海冰的相互作用情况。

可以利用常规的结构力学实验室，在靠近剪力墙的位置，建造一个小型的低温室。将液压加载装置安装在结构力学实验室剪力墙上，作为驱动装置，其液压驱动臂伸入低温实验室，与冰槽相连接，推动冰板沿支撑架顶端的导轨匀速向结构模型运动。

海洋平台的刚度及上部质量都很大，结构刚度在与冰的动力相互作用中起了很大的控制作用。在设计结构模型时，不仅要应用模型相似律理论，而且要考虑冰荷载引起结构振动等理论观点，加大结构模型的设计刚度，最好大于5×10⁵N/m，使结构对冰力起到更好的控制作用，为保持结构模型的固有频率不变，也要同时加大结构模型的上部质量。在结构力学实验室剪力墙上安装的液压加载装置，能产生很大推力(最大约500kN)，适用于放大后的结构模型刚度和上部质量，并控制冰板在与结构模型的挤压过程中保持匀速运动，使本发明的实验装置能够更好地模拟冰与海洋平台的真实作用过程。

冰槽的支撑架可安装在结构模型两侧的地面上，顶端安装两条平行的导轨，其高度和实验设定的结构模型受力部位一致。冰槽靠近结构模型一端的缺口最好是可开合的，可以把冰槽的一部分侧面和底面板拆下，制成密封盖，冻冰前用密封盖把缺口封好，冰槽内注水，冰板冻好后把密封盖拆下，实验时结构模型的受力部位就可以穿过冰槽缺口处的冰板。冰槽的底部两侧可安装滚轮，与导轨动配合，使冰槽能够沿导轨平稳地滑行。考虑到冰荷载引起结构振动的周期很短，冰速也较慢，因此在实验时，结构模型只要穿过冰板较短的距离，就可以经历足够多的振动周期，实现较好的模拟，一般冰槽底部缺口的长度大于1米即可满足实验要求。

在结构模型上安装各种传感器，测量冰力及结构的静、动力响应。在上部质量处，选择平行于振动方向的位置安装拾振器、位移计，测量结构模型的加速度和位移；在冰槽和支撑架之间安装位移计，测量冰速；在桩柱根部和结构模型连接处粘贴应变片组，测量冰力；在冰槽内安装温度传感器，测量冰温；在桩柱上方安装摄像头，记录冰板的破碎过程。

本发明的海洋平台冰荷载模型实验方法及装置，其结构模型的设计既应用了相似律理论，也考虑了冰荷载引起结构振动等理论观点，加大了结构刚度和上部质量，和现有技术相比，能够更真实地模拟海洋平台对冰力的控制作用；采用固定模型结构，驱动冰板挤压结构模型的方式，冰板能保持匀速运动；实验证实，本发明的实验结果与在海洋平台上监测到的数据更加吻合。同时，本装置占用的低温区空间很小(约×10⁵N/m)，耗能很少，成本大大降低。

附图说明

图1表示了一种海洋平台冰荷载模型实验装置侧视示意图，图中，1为剪力墙，2为驱动器，3为冰槽，4为支撑架，5为导轨，6为结构模型，7为桩柱，8为低温室，9为拾振器，10为位移计，11为应变片组，12为温度传感器，13为摄像头，14为测冰速位移计。

图2表示了一种海洋平台冰荷载模型实验装置俯视示意图，图中15为滚轮，16为可开合缺口(活动密封盖)。

图3表示一种结构模型侧视图，图中17为结构模型的上部质量。

具体实例方式

本发明一种海洋平台的冰荷载模型实验装置，如图1和图2所示。

结构模型6设计为如图三的导管架结构，结构模型关于x-y平面对称，冰力作用在x方向，结构模型沿x方向振动。结构模型的刚度K＝6.7×10⁵N/m，上部质量用钢锭实现，重3吨。结构模型顶端是一个长约30厘米的螺头，桩柱7采用圆柱形，直径D＝12cm，底部中空并开有内螺纹，刚好和螺头上的螺纹匹配，固定连接。在实验室靠近剪力墙的附件建造一个保温室，作为低温室8，将结构模型固定在低温室地面。

同时在低温室内设置支撑架。支撑架用工字钢和槽钢焊接而成，导轨用小型号角钢制作。冰槽的支撑架4可安装在结构模型两侧的地面上，顶端安装两条平行的导轨5，其高度和实验设定的桩柱位置相当。冰槽3的底部两侧可安装滚轮，滚轮与导轨动配合，使冰槽能够沿导轨平稳地滑行。冰槽设计为如图二的形式，尺寸约5m²，用钢板焊接制成，靠近桩柱一端开一个缺口，把缺口处的底面和侧面钢板做成一个密封盖。这样缺口就是可开合的，冻冰前用密封盖把缺口封好，冰槽内注水。冰板冻好后把密封盖拆下。缺口宽度为13cm，长度为150cm。

驱动装置采用液压动力，是一套液压加载装置2，安装在结构力学实验室的剪力墙上，最大推力可达500kN，远大于实验产生的最大冰力。其液压驱动臂穿过低温室保温层，伸入低温室，与冰槽相连接，推动冰槽及冰板沿支撑架顶端的导轨匀速相对结构模型运动。

如图3，在结构模型x-y平面的两侧对称布置两个拾振器，测量结构模型的加速度。在桩柱根部粘贴应变片组，测量冰力。在冰槽内安装温度传感器，测量冰温。在桩柱上方安装摄像头，记录冰的破碎过程。

实验开始前，把冰槽的缺口用密封盖封好，按3∶1的比例分别注入海水和淡水，制冷冻冰。冰板达到设计厚度后停止制冷，打开温度传感器12，采集冰温。打开密封盖，液压加压装置的驱动工作状态设定在推进速度为4cm/s，打开拾振器9、位移计10、14，调试使其开始工作。打开摄像头13，调试使视频清晰。启动驱动器开始推冰槽及冰板，结构模型的受力部位桩柱就可以穿过冰槽缺口处的冰板，当桩柱接近冰槽缺口的边缘时驱动器停止工作，实验结束。驱动器倒车使冰槽复位，整理实验现场。

实验数据分析表明，得到的结构响应(位移、加速度)和冰荷载同真实海洋平台上的监测数据具有相同的变化规律，成功模拟了设定工况下结构的振动过程。

Claims (10)

1.一种海洋平台的冰荷载模型实验方法，是在低温环境下，用驱动装置使结构模型穿过冰板，用传感器测量作用在结构模型上的冰力以及结构模型的位移、加速度等响应，其特征在于，将结构模型固定在低温室地面，用驱动装置推动在一端开有缺口的冰槽及里面的冰板匀速向结构模型挤压，结构模型的受力部位穿过冰槽开有的缺口及里面的冰板。

2.如权利要求1所述的海洋平台的冰荷载模型实验方法，其特征在于在结构模型顶端安装一个可拆卸的桩柱，作为冰板作用于结构模型的受力部位，结构模型的刚度大于5×105N/m，用驱动装置推动在一端开有缺口的冰槽及里面的冰板匀速向桩柱挤压，桩柱穿过冰槽开有的缺口及里面的冰板。

3.如权利要求1或2所述的一种海洋平台的冰荷载模型实验方法，其特征在于用安装在剪力墙上的液压加载装置推动在一端开有缺口的冰槽及里面的冰板。

4.一种海洋平台的冰荷载模型实验装置，包括低温室、结构模型、冰板、驱动装置、传感器等，其特征在于，结构模型固定安装在低温室的地面上，冰板在一个冰槽里，冰槽与驱动装置相连接，并安放在支撑架上，支撑架安装在地面，上端装有导轨，冰槽与导轨动配合；冰槽在靠近结构模型一端的侧面和底面开有缺口，缺口的位置正对结构模型的受力部位，缺口的宽度大于结构模型受力部位的宽度，底部缺口沿导轨方向的长度大于实验所需结构模型穿过冰板的距离。

5.如权利要求4所述的一种海洋平台的冰荷载模型实验装置，其特征在于结构模型的受力部位为结构模型顶端安装的一个可以拆卸的桩柱，作为受力部位，实验时使冰板作用于该桩柱。

6.如权利要求4或5所述的一种海洋平台的冰荷载模型实验装置，其特征在于驱动装置是安装在结构力学实验室剪力墙上的液压加载装置，其驱动臂伸入低温室，与冰槽相连接。

7.如权利要求6所述的一种海洋平台的冰荷载模型实验装置，其特征在于结构模型刚度大于5×105N/m。

8.如权利要求4或5所述的一种海洋平台的冰荷载模型实验装置，其特征在于冰槽的支撑架安装在结构模型两侧的地面上，上端安装两条平行的导轨，其高度和实验设定的结构模型受力部位一致，冰槽的底部两侧安装滚轮。

9.如权利要求4或5所述的一种海洋平台的冰荷载模型实验装置，其特征在于冰槽靠近结构模型一端的缺口处装有一个可开合的密封盖。

10.如权利要求9所述的一种海洋平台的冰荷载模型实验装置，其特征在于结构模型的上部质量处，选择平行于振动方向的位置安装拾振器、位移计，测量结构模型的加速度和位移，在冰槽和支撑架之间安装测量冰速的位移计，在桩柱根部和结构模型连接处粘贴测量冰力的应变片组，在冰槽内安装温度传感器。

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