基于海冰区划的平台结构振动舒适度设计_容许加速度限值

摘 要 : 海冰作用下平台结构的振动舒适度是冰区导管架平台结构设计需要考虑的重要问题 ,传统的单一界限方法由于不能 考虑冰期的长短和冰情出现概率 ,从而导致了不同冰区平台结构具有不同的振动舒适度水平 。引入了对振动舒适度进行量 化的烦恼率模型 ,结合冰期和冰情出现概率 ,给出了不同冰期和冰情出现概率下结构容许振动加速度的确定方法 。结合我国 渤海的海冰区划 ,给出了不同冰区结构容许振动加速度值 。 关键词 : 冰激振动 ; 振动舒适度 ; 烦恼率 ; 海冰区划 中图分类号 :U67413 文献标识码 : A
j=1
m
A ( x) =
∫
umin
∞
2 - ( ln ( u ) - μ ln) 1 exp v ( u) d u 2 2σ ln π σ 2 ln
( 2)
1 2 σ 分别为对数正态分布的两个分布参数 , 而 x ,δ分别是 u 的期望值 2 ln 和变异系数 , 根据实验 δ的变化范围为 0 . 1～0 . 5 [ 12 , 13 ] , 文献 [ 8 ]建议取 0 . 3 ; v ( u) 为模糊隶属度函数 , 与振动
式中 :σ ln =
2 ) ;μ ln ( 1 + δ ln = ln ( x ) -
强度有关 , 可表达为
v ( u) = 0 , v ( u) = aln ( u ) + b , v ( u) = 1 , u < umin umin ≤ u ≤ umax u > umin ( 3)
式中 : umin是指人们觉得振动 “感觉不到” 或者认为振动 “毫无影响” 的振动强度上限 , 而 umax是指人们觉得振 动 “无法忍受” 的振动强度下限 。 umin 和 umax 由实验给出 , 对于海洋平台结构 [ 4 , 5 , 8 ] , umin = 011 m/ s2 , umax =
对于频率为 f 、 均方根加速度为 a 的振动信号所对应 的振动强度 x 可以表达为 , ( 6) x = W ( f ) x rms
根据式 ( 5) 、 均方根加速度为 x rms的振动信号所对应的振动强度 x 以后 , 就可以根据 式 ( 6) 计算得到频率为 f 、 式 ( 2) 计算得到相应的烦恼率 。烦恼率是振动环境下认为” 振动不能忍受” 的人数占暴露在该振动环境下的 总人数的比例 。文献 [ 6 - 8 , 11 ]对烦恼率计算方法得到的烦恼率与振动舒适度实验 、 振动舒适度标准进行了 比较 , 结果表明上述烦恼率计算方法的结果与实验 、 标准是相当吻合的 。
收稿日期 :2004202213 基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 (50278085) 作者简介 : 宋志刚 (1974 - ) ,男 ,云南人 ,博士 ,主要从事结构动力学与结构工程方面的教学和科研工作 。
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第2期
宋志刚 ,等 : 基于海冰区划的平台结构振动舒适度设计 — — — 容许加速度限值
63
( Structural Engineering Institute of Zhejiang University , Hangzhou 310027 , China)
Abstract : Serviceability of offshore platforms under vibration environment caused by sea ice is an important design problem in ice 2infested wa2 ter. The traditional single criteria method , due to the fact that it can not consider such information as ice duration and ice appearance probabili 2 ty , would result in different serviceability levels for platforms in different sea areas. Annoyance rate method (ARM) , a new quantified model for vibration serviceability design , is introduced , by use of which the acceptable accelerations levels (AAL) for zones with different ice duration and appearance probabilities can be determined. Based on the ice zoning map of Bohai Sea , AAL of different ice zones is suggested through ARM. Key words : ice2induced vibration ; vibration serviceability ; annoyance rate ; ice zoning map
2 年损失工作日比例
根据冰情的轻重 , 整个渤海海域被划分为 21 个冰区 [ 1 ] , 各个冰区的平均冰期 Ti 及冰情出现的概率 Pi 见表 1 。
表1 渤海 21 个冰区的冰期及冰情出现概率
Tab. 1 Durations and appearance probabilities of ice in 21 zones of Bohai Sea
Serviceability design of ice2induced platform vibration based on ice zoning map of Bohai Sea — — — Acceptable acceleration levels
SONG Zhi2gang , J IN Wei2liang
j- 1 ; m 是主观反应的等级数 , 如 m- 1
m j=1
) , 那么 m = 5 ; ∑n ij 是该振动 果采用 5 级描述 ( 例如 “无振感” “ 、轻振感” “ 、中等振感” “ 、强振感” “ 、无法忍受”
强度下的统计总人数 , p ( i , j) = nij / ∑nij , 反映了人感受程度的差异 。对于连续分布情况有 :
需要特别指出的是 , 由于人体对不同频率范围的 振动信号感受性并不一样 , 因此需要对结构振动加速 度进行频率计权以后才能获得振动强度 。常用的频率 计权有 1/ 3 倍带宽频率计权和总体频率计权 [ 12 ] , 本文 采用了水平振动的总体频率计权 , 频率计权函数可表 达为 [ 4 , 12 ]
m j =1 m
∑v n
j =1
j ij
m
A ( xi ) =
= nij
∑
j =1
∑v p ( i , j)
j
( 1)
式中 : A ( x i ) 是第 i 个振动强度 x i 下的烦恼率 , 振动强度常用频率计权后的均方根加速度表示 ; nij是第 i 个振 动强度下第 j 种主观反应的人数 ; vj 是第 j 种主观反应的概念隶属度 , vj =
我国渤海平台结构冰激振动问题相当突出 ,结构在海冰作用下 ,往往会发生长时间的 、 剧烈的振动 ,这常 常会给平台上工作人员带来生理上的不适和心理上的恐慌 , 严重地影响了平台的安全 、 正常的生产作 业 [1 - 3 ] 。研究人员和设计人员围绕平台结构冰振舒适度问题开展了一些研究工作 [2 ,3 ] , 其主要分析评价方 法是单一界限法 ,即在通过测试或计算分析获得平台结构动力响应以后 ,结合有关振动舒适度标准 ,使用一 个给定的加速度限值来判断和评价平台结构的振动舒适性 ,这种方法最大的缺陷在于它没有考虑到冰激振 动区别与其它振动的一些特殊性 。与其它环境作用引起的振动相比 ,冰激振动具有如下几个特点 :1) 时间上 的季节性和持续性 。冰激振动具有明显的季节性 ,而且大量现场观测都表明冰激振动持续时间很长 ,一般超 过 24 小时 ,有时甚至要持续几天甚至几个星期 。ISO 2631 标准 [4 ] 和 ISO 6897 标准 [5 ] 给出了振动持续时间在 24 小时以内的满足人体舒适度要求的振动加速度水平 ,对于振动持续时间超过 24 小时的情况 ,并没有给出
第 23 卷第 2 期 2005 年 5 月 文章编号 :100529865 (2005) 0220061205
源自文库
海 洋 工 程 THE OCEAN ENGINEERING
Vol123 No12 May 2005
基于海冰区划的平台结构振动舒适度设计 — — — 容许加速度限值
宋志刚 , 金伟良
( 浙江大学 结构工程研究所 ,浙江 杭州 310027)
http://www.cnki.net
62
海 洋 工 程
第 23 卷
明确的规定 。2) 分布的区域性 。不同海域的冰情并不一样 , 根据冰情的轻重 , 整个渤海海域被划分为 21 个 冰区 ,不同冰区的冰期长短和冰情出现概率并不一样 [1 ] 。由于上述原因 ,如果对渤海海域所有平台结构采用 同一个给定的容许振动加速度水平 ,就可能导致不一致的振动舒适度水准 ,对于冰期长 、 冰情出现概率大的 冰区平台结构 ,振动舒适度设计水准可能偏低 ,而对于冰期短 、 冰情出现概率小的冰区平台结构 ,这样的设计 又可能偏于保守 。 如上所述 ,直接套用振动舒适度标准给出的容许限值 ,并不能有效解决平台冰激振动舒适度分析面临的 特有问题 。文献 [ 6 - 8 ] 从心理物理学的角度系统地研究了振动舒适度问题 ,结合大量实验数据建立了一个 新的振动舒适度量化模型 — — — 烦恼率模型 。该模型给出的结果与大量振动舒适度实验和振动舒适度标准给 出的结果非常一致 ,并在大跨度楼板和人行桥的振动舒适度 、 波浪引起的平台结构振动舒适度以及高层建筑 风振舒适度中得到应用 [8 - 11 ] 。本文借助烦恼率模型 ,结合海冰冰期和冰情出现概率 ,给出了每年因冰激振 动舒适度问题导致的工作日损失比例的计算方法 ,并在我国海冰区划的基础上 ,给出了不同冰区适用的容许 振动加速度限值 ,按照上述方法给出的不同冰区容许振动加速度值均对应了相同的工作日损失比例 ,因此也 具有相同的舒适度水准 。
2 m/ s2 , 而 a , b 为待定常数 , 可以通过求解式 ( 4) 给出的代数方程组得到 :
aln ( umin) + b = 0 aln ( umax) + b = 1 ( 4)
对于海洋平台结构 , 系数 a , b 的取值分别为 0 . 333 8 和 0 . 768 6 。根据式 ( 2) 、 式 ( 3) 和式 ( 4) 可以绘制关于海 洋平台结构振动舒适度的烦恼率曲线 , 烦恼率曲线是一条取值范围在 0～1 之间的曲线 , 如图 1 所示 。
W (f) = f
01428
,
01063 Hz < f < 1 Hz 1 Hz ≤ f < 2 Hz
( 5)
W (f) = 1 , W (f) =
2
f
,
2 Hz ≤ f < 80 Hz
图1 海洋平台结构的烦恼率曲线
Fig. 1 Annoyance rate curve for offshore platform
1 烦恼率模型
从心理学信号检测理论的角度看 ,人对振动的主观反应包括两个环节 :1) 感知到振动信号 ;2) 依据某种 标准对感受到的信号做出判断或评价 。个体的差异导致了人对振动信号感知能力的随机性 ,而判断标准在 概念上的不清晰则导致了人对振动主观反应的模糊性 。文献 [ 6 - 8 ] 对这两种不确定性进行了分析 ,结合振 动舒适度实验和集值统计方法 ,给出了烦恼率计算方法 。对于离散情况有