海上平台冰锥结构设计分析
渤海海洋平台不规则锥体抗冰振性能
渤海海洋平台不规则锥体抗冰振性能王胜永;岳前进;毕祥军;张大勇【摘要】海洋平台桩腿外侧立管结构在海冰载荷直接作用下易发生强烈冰激振动响应,继而导致立管结构低周疲劳断裂破坏.提出了应用不规则锥体作为降低立管结构强烈冰激振动的方法,通过现场振动监测数据及数值计算分析表明,在工程实践应用中不规则锥体有效地降低了立管结构的冰激振动响应,避免了立管结构低周疲劳失效问题,从而也为平台结构外侧立管结构的抗冰振提供了一种参考方法.%The strength failure and fatigue failure of riser structures might be easily caused by severe vibrations during ocean loads against on the outside riser of offshore platforms .Severe ice-induced vibrations and low-cycle fa-tigue of welding were observed on the outside riser of a platform in the Bohai Bay due to the ice action acting with the riser.An irregular cone was first proposed and installed on the riser in order to reduce ice-induced vibrations. The ice-induced vibration response of the riser was observed and recorded .The observed data and security analysis showed that the hot spot stress of the riser structure was lower than the fatigue limit stress .The security of the riser structure was greatly enhanced after installing the irregular cone .And it provides a reference for outside riser struc-tures to reduce ice-induced vibrations .【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2017(017)032【总页数】5页(P6-10)【关键词】海洋平台;低周疲劳断裂;冰激振动;不规则锥体;抗冰振性能【作者】王胜永;岳前进;毕祥军;张大勇【作者单位】郑州轻工业学院机电工程学院,郑州453002;大连理工大学海洋科学与技术学院,盘锦124221;大连理工大学海洋科学与技术学院,盘锦124221;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室,大连 116023;大连理工大学海洋科学与技术学院,盘锦124221【正文语种】中文【中图分类】O347.1早期寒区海洋工程结构在海平面处以直立结构为主，现场监测发现在海冰载荷作用下直立结构存在冰激振动现象。
极端冰载荷作用下自复位导管架式海洋平台有限元分析
极端冰载荷作用下自复位导管架式海洋平台有限元分析导管架式海洋平台是一种常见的海洋工程结构，用于支撑海底管道和设备，具有抗冲击和稳定性好的特点。
然而，在极寒环境下，海洋工程结构面临的主要挑战是冰的载荷作用，因此需要进行有限元分析来评估结构的稳定性和安全性。
本文将对极端冰载荷作用下自复位导管架式海洋平台进行有限元分析。
首先，需要建立一个合适的有限元模型来描述海洋平台的几何形状和材料属性。
然后，引入冰的载荷作用，并将其施加在海洋平台的上部结构上。
根据实际情况，可以选择不同的冰载荷作用模型，如冰块撞击、冰覆盖等。
在加载过程中，可以监测结构的位移、应力和变形等参数。
接下来，可以使用合适的有限元软件进行数值计算，如ABAQUS、ANSYS等。
在计算过程中，需要考虑材料的本构关系和边界条件。
在边界条件方面，可以选择固定边界、自由边界或多自由边界。
根据实际情况，还可以对模型进行网格剖分和单元类型选择等预处理。
在计算得到结构的位移、应力和变形等结果后，可以对结构的安全性和稳定性进行评估。
常见的评估方法包括静态强度分析、动力响应分析和疲劳寿命评估等。
在评估过程中，需要根据设计标准和规范，对结构的破坏准则、失稳准则等进行分析。
最后，可以根据有限元分析的结果，提出相应的优化建议。
对于存在问题的部分，可以考虑增强结构的刚度或加强冰的防护措施等。
同时，还可以针对不同的冰载荷情况进行参数研究，为冰工程的设计和施工提供科学依据。
综上所述，极端冰载荷作用下自复位导管架式海洋平台的有限元分析是一项复杂而重要的工作。
通过合适的建模和计算方法，可以评估结构的稳定性和安全性，并提出相应的优化建议，为海洋工程的设计和施工提供依据。
海上风电单桩基础抗冰锥结构研究
海上风电单桩基础抗冰锥结构研究作者：刘聪斌来源：《名城绘》2019年第04期摘要：作为一种具有一定高度的柔性支撑结构，海上风机单桩基础很容易受到海冰的负面影响，进而威胁到风机的安全运行。
基于此，必须研究一种具有抗冰能力的单桩基础结构。
本文借鉴我国渤海和黄海海域海上石油钻井平台抗冰装置的设计，结合以往项目的成功经验对海上风电单桩基础抗冰锥结构进行探讨及研究，希望可以为海上风电工程项目建设提供一定的帮助。
关键词：海上风电；单桩基础；冰荷载；抗冰锥结构近几年来，我国海上风电发展十分迅猛，天津、河北、辽宁、山东等省相继开工建设多个风电项目。
在我国北方海域，台风等自然灾害对风电机组的影响较小，但每年冬季长达3个月的冰期时间中，漂流在海中的浮冰会挤压冲击风电单桩基础，产生复杂敏感的动态响应行为，影响到风机的稳定运行。
基于此，为了有效的提升单桩基础的使用效率及寿命，为其建构一种能够抵抗海冰作用的结构型式就显得尤为重要。
1抗冰原理分析冰荷载是重冰海域海洋工程结构物设计的控制荷载，在海上风电工程项目设计建造的过程中，海冰对单桩基础结构的挤压冲击，以及因此所引起的冰激震动，是一个需要重点考虑的问题。
1.1海冰的力学性质首先，海冰的压缩强度。
海冰在很多结构物前的破坏都会表现为挤压破坏，尤其是对于直立的抗冰结构，压缩强度是海冰的重要物理性质，近些年来针对海冰和结构物相互作用的研究大部分都是从该力学性质入手。
结合大量的测量试验结果来看，海冰压缩强度的影响参数主要包括两类，分别是海冰特性和测试条件，前者包括温度、晶体类型、盐度等，后者包括约束条件、加载方向、加载速率等。
例如海冰的压缩强度和盐度呈负相关。
其次，海冰的拉伸强度。
海冰所能承受的最大拉伸应力即是其拉伸强度，这是一种反映海冰抗拉强度的力学参数，拉应力是导致海冰出现裂纹的主要原因。
海冰的拉伸强度和很多参数都存在紧密联系，如局部冰荷载水平、大面积冰排运动等。
再次，海冰的弯曲强度。
锥体海洋平台结构冰荷载的离散单元分析
锥体海洋平台结构冰荷载的离散单元分析李晔【摘要】In oil/gas exploitations of ice covered cold regions, the conical structure can reduce ice force and avoid intense structure vibration. It is applied most widely in the Bohai Sea recently. In order to investigate the interaction between ice cover and conical structure, a discrete element method is established to mod-el the sea ice breaking characteristics. The ice cover is dispersed into a series of bonded spherical elements. The bonding strength among ice particles is determined with the flexural test of sea ice. The interaction be-tween the ice cover and the conical structure is simulated with the discrete element method to determine the dynamic ice load and structure vibration. Moreover, the influence of conical angle is discussed based on the simulated results. The ice load and the ice-induced structure response in horizontal direction increase obviously with the increase of cone angle, while the ice load in vertical direction decreases significantly. This discrete element method can also be applied to simulate ice loads of other type structures, and to be aided for the design of ice-resistance structure and the analysis of ice induced structure fatigue.%在冰区油气开发中,锥体结构可以有效降低冰力,避免强烈的冰激振动,是目前渤海油气平台的主要结构形式.为研究海冰与锥体结构的相互作用过程,文章建立了适用于模拟海冰破碎特性的离散单元模型.该模型将海冰离散为若干个具有粘接-破碎功能的颗粒单元,并通过海冰弯曲试验确定了单元间的粘接强度;然后对海冰与锥体结构的作用过程进行了数值计算,获得了相应的动冰荷载及冰振响应;在此基础上讨论了不同锥角影响下冰荷载及结构振动响应的变化规律.结果表明,水平方向冰荷载及结构冰振响应随锥角的增加明显增加,而竖直方向冰荷载则显著降低.该离散单元模型还可进一步应用于不同类型抗冰结构的冰荷载分析,有助于解决冰区结构物的抗冰结构设计和冰致疲劳分析.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2017(021)010【总页数】9页(P1254-1262)【关键词】海冰;锥体结构;冰荷载;冰激振动;离散单元模型【作者】李晔【作者单位】中国船级社海洋工程技术中心, 天津 300457【正文语种】中文【中图分类】P731.15;P751海冰与海洋结构相互作用时产生的冰荷载主要受海冰性质与结构形式的影响。
海冰作用下锥体结构对近海桩柱式风力机结构动态响应影响
海冰作用下锥体结构对近海桩柱式风力机结构动态响应影响许子非;叶柯华;李春;丁勤卫;杨阳【摘要】基础结构的稳定是海上风力机安全运行的根本保障,以NREL 5 MW风力机为研究对象,基于Ralston理论建立海冰载荷,同时并考虑湍流风作用,研究安装不同锥角的锥体结构风力机结构动态响应并与未安装锥体结构的风力机进行对比,结果表明,锥体结构能有效降低海冰载荷,减小塔顶加速度及塔顶位移.当锥体角度由70°减小至40°时,海冰载荷减小83.8％,塔顶平均加速度减小43.1％.较之于无锥体结构时,安装40°锥体结构使得塔架一阶固有频率与风轮一阶固有频率处的塔顶位移幅值减小45％与85％.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2018(037)022【总页数】7页(P225-230,254)【关键词】风力机;锥体;海冰载荷;动态响应;桩柱式基础【作者】许子非;叶柯华;李春;丁勤卫;杨阳【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TK83随着化石能源危机日益严峻，风能因储量大、分布广及开发利用技术成熟等优点已备受各国重视。
2016年，全球风电新增装机容量达54.6 GW，其中我国占42.8%[1]。
随着风电产业高速发展，陆地优质风场日趋饱和，海上风能因其风速稳定、风能密度大及湍流度小等优点，成为当前研究及发展重点[2]。
按离岸距离或海水深度，海上风力机分近海桩柱式与远海漂浮式[3]。
较之于漂浮式风力机，桩柱式风力机置于近海岸，不仅利于安装维护，且其结构更加稳定。
严寒海域作为风力机可能的在役环境，其基础结构遭受海冰撞击不可避免[4],严重威胁着作为细长弹性体塔架的安全。
导管架海洋平台结构冰致强迫振动分析
１
ＣＩｔ
０ ｔδ ＴＩ ｔ
，
图 2 冰弯曲破坏时的强迫动冰力函数
1. 2 1. 2. 1
冰挤压破坏时的强迫动冰力函数
［5 ］
g（ φ） = 1. 0 － 0. 435 φ2 ，－ 1. 52 ≤ φ ≤ 1. 52 . （8） 其中空间坐标 φ 是圆柱桩腿任意点与正面迎冰点 如图 3 所示. 的夹角， 绕圆柱桩腿冰压力的合力为 F （ t） = = 2 rhH t F0 （ t） . 式中： r 为桩腿半径；H t = （9）
Abstract： In order to verify the rationality of ice load vibration theory and promote its application to practical engineering ，a unified dynamic ice load model is introduced firstly. Taking advantage of Fourier series expansion of the function of dynamic ice load，solutions for calculating the responses of multi － degree offshore platform structure under bending and buckling ice load are obtained. The random response of structure under crushing ice loading is obtained by random vibration analysis. Then the dynamic ice load model and structural response analysis methods are applied to the analysis of a simplified model of an offshore platform structure. The analytical results are in good agreement with measured results，which proves that the unified dynamic ice load model and structural response analysis methods can be used to simulate the characteristic of dynamic ice load. Key words： dynamic ice load model； structural vibration analysis； random vibration； offshore platform structure 海冰对结构的作用是海洋平台结构设计和安 ［1 ， 2］ ， 全运营的重要影响因素 合理计算冰荷载十 分重要， 特别是冰的动力作用. 到目前发展了动冰 Matlock 模型和 力强迫振动模型、 自激振动模型、 冰力振子模型、 静冰力和动冰力统一模型
海上风电单桩基础抗冰锥结构设计
海上风电单桩基础抗冰锥结构设计陈立【摘要】海上风机单桩基础作为一种高耸的柔性支撑结构,在海冰的作用下,会产生复杂的动态响应行为,影响到风机的运行及安全.为此,基于渤海及北黄海海域海上石油平台的抗冰锥设计理念,介绍了抗冰锥设计中主要设计参数,给出了单桩基础的抗冰锥设计方法,针对我国北方某实际工程中的3MW海上风电单桩基础进行了抗冰设计,并校核了抗冰锥结构强度.结果表明,设计的抗冰锥能够抵御工程海域中各个水位的冰荷载作用.【期刊名称】《水力发电》【年(卷),期】2018(044)009【总页数】4页(P93-96)【关键词】海上风电;海冰;抗冰锥;结构设计【作者】陈立【作者单位】上海勘测设计研究院有限公司,上海200434【正文语种】中文【中图分类】TM6140 前言渤海及黄海北部海域风能储备密度大，秦皇岛、曹妃甸、蓬莱等一系列环渤海地区，均已成为我国“十三五”海上风电产业战略部署的重要组成部分。
然而，在渤海及黄海北部海域冬季，伴随巨大风能储备的是大面积的海冰作用威胁和低温冻结威胁。
目前，我国已建立的海上风电场多针对无冰海域，对于有冰海域的海上风电场建设尚缺乏经验。
大量的工程显示，海冰会对海洋结构工程产生巨大的危害。
1969年渤海发生特大冰封，巨大的海冰直接将矗立在海上的“海二井”石油平台推倒，造成了建国以来最大的由于海冰导致的石油平台事故。
多年来的监测数据显示，渤海及北黄海冰区海洋结构(特别是海洋石油平台结构)一直受到海冰的影响，2000年锦州20-2MSW平台在海冰的强烈作用下，平台上的放空管因剧烈晃动而断裂，导致了天然气泄漏事故[1-2]。
放眼全球，阿拉斯加库克湾的采油平台[3- 4]、北欧的Bothnia湾灯塔[5]等冰区海洋结构都不同程度地遭到过海冰的破坏。
因此可以说，海冰是关乎海洋结构安全的全球性问题。
海上风电单桩基础作为一种高耸的柔性结构，较之传统的海洋工程结构，在海冰的作用之下，会产生更加敏感和复杂的动态响应行为。
海上平台结构设计总则1
第五篇 海上平台结构第一章 海上平台结构设计总则第一节 平台结构设计的范围海上平台结构设计是海上平台设计的一个非常重要的组成部分。
特别是对于海上平台的安全性和可靠性至关重要。
海上平台结构设计包括设计导管架结构及甲板结构和附属结构等各个方面内容。
例如确定结构布置原则，正确地选用材料和计算荷载方法，选取适用的荷载系数，确定荷载组合方式，进行强度﹑刚度和稳定性计算，编制材料表以及有关设计文件等。
本章的内容和要求主要适合于导管架固定平台，部分内容也适合于浮式系统的模块设计。
为了设计一座既能可靠运行而又经济安全的海上平台，首先要进行平台总体规划。
所谓总体规划通常是指按照一般的设计准则、法规和标准确定平台上部的工艺﹑机电﹑仪表等设施的布置与支承结构选型的总体问题。
根据使用要求决定的上部设施与设备的总体布置是支承结构规划布置的依据，反过来支承结构的选型也必须满足工艺﹑机电﹑仪表等设施布置的要求。
两者之间有着极为密切的关系。
平台总体布置的目的就是要寻求平台总体的，而不是各个独立部分的最优设计方案。
实际上，平台设计过程就是反复进行工艺﹑机电﹑仪表等设施布置与结构选型相互配合的过程。
海上平台结构设计范围的分类，可以有不同的方法。
总体而言，平台结构设计的最终成果包含下述内容。
一、图纸文件目录二、规格书1．结构设计规格书2． 结构材料规格书3． 制造规格书（包括焊接检验要求）4． 安装规格书三、设计报告1．在位分析（包括计算机的输入输出结果）2．施工分析（1） 吊装分析（包括吊点分析）（2） 拖航分析（3） 打桩分析（4） 装船分析（5） 下水分析3． 局部分析4． 附属构件分析（1） 防沉板计算（2）靠船件计算5． 重量控制报告6． 其他分析计算和报告四、材料表另外，平台结构又分为许多部分。
从大的方面来分，可以分为上部结构和下部结构，不过为了叙述的方便，我们分为如下几个方面。
一、导管架结构设计二、甲板结构设计三、浮式系统模块及火炬塔结构设计四、栈桥设计五、桩结构设计六、生活楼和工作间设计七、其他结构设计对于以上各部分的具体内容，将在后面论述。
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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 合理地 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 。
４ ９卷
增刊 ２
高静 坤 等 ：海 上 平 台冰 锥 结构 设 计 分析
荐 的飘浮 板 的上 限塑性 极限弯 曲理论 ，采用 Ｒ ｌｏ ａ ｔｎ方 法 ，冰 排对于锥 体 结构的 作用力可 以分解 为水 ｓ
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
例 ，介 绍抗冰锥 的设 计 。
２ 抗冰 锥 设计 理 论
２１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 ｌ 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
２ ７１
图 ｌ 带 抗冰锥 体 平 台结构 示意 图 ２２冰 的破坏 理 论 ． 当运 动 的冰 排 受到 结构物 阻拦 时 ， 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 对
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
２２ ７
中
国
造
船
学 术 论文
２３ 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 ＡＰ Ｐ２ Ｉ Ｎ推 Ｒ
（） ａ
（） ｂ
（） Ｃ
（） ｄ
图２ 冰排 的４ 破坏 类型 种 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 。
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 ，
海 上 平 台冰锥 结构 设 计 分析
高静坤 ，田 园，俞剑勇
（ 洋石 油工程股份有 限公 司，天津 ３０ ５ ） 海 ０ ４ １
摘
要
阐述 了 基于塑性极 限分析法的锥体冰力公式 以 目前应用于工程 的柱体冰力校核公式，并以渤海辽东湾 及
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。
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 ：
（）挤压 破坏 ，如 图 ２ａ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 。 １ （）
（ ）压 屈破 坏 ，如 图 ２ｂ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 ２ （） 前 隆起 ，然后破 坏 。 （ ）纵 向剪 切破 坏 ，如 图 ２ｃ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 ３ （） 裂缝 ，造成 冰排 破坏 。这 种破坏 容 易 出现在 薄 冰 中。 （ ）弯 曲破坏 ，如 图 ２ｄ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 ， ４ （） 最终 因弯 曲而破 坏 。
关 键
词 ：冰锥；有限元模程 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 目益 突 出 ， 立合理 的冰载荷 计算模 型 ， 究锥 面冰荷 载对桩 腿的安 全作用 ， 建 研
４ ９卷
增刊 ２
中
国
造
船
Ｖｏ ． ９ Ｓｐ ｃ ａ １ ４ ｅ ｉｌ ２ ＮＯ ． ０ Ｖ ２ ０８
２０ ０ ８年 Ｉ 月 １
Ｓ Ｐ ＨＩ ＢＵＩ ＬＤＩ ＮＧ ＯＦ ＣＨＩ ＮＡ
文章 编 号： １０ ．８ ２２ ０ ） ２２ ０ １ ０４ ８ （０ ８￥ ．７ ０ ０
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