淺談我國(guó)抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展

[摘要]我國(guó)渤海的油氣資源主要是由邊際油田組成，冰荷載是渤海海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載。自上世紀(jì)60年代至今，我國(guó)抗冰海洋平臺(tái)已有100余座，設(shè)計(jì)思想經(jīng)歷了從認(rèn)識(shí)到發(fā)展的過(guò)程。本文以渤海遼東灣為例，概述我國(guó)抗冰海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展，指出設(shè)計(jì)中存在的主要問(wèn)題，并展望抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究前景。

一、引言

我國(guó)渤海的油氣資源主要是由邊際油田組成，其所處的海洋環(huán)境十分復(fù)雜和惡劣，承受著風(fēng)、海浪、海流、潮汐、地震等荷載的威脅。近些年的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，冰對(duì)海上建筑物的作用要遠(yuǎn)比其他荷載的影響甚大，因此冰荷載是渤海海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制荷載。

目前，抗冰海洋平臺(tái)主要以固定式平臺(tái)為主，靠打樁或自身重量固定于海底，它又可分為樁式平臺(tái)和重力式平臺(tái)兩種。在這兩類抗冰結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)比較經(jīng)濟(jì)，適用于邊際油田。而沉箱結(jié)構(gòu)造價(jià)相對(duì)昂貴，適用于油藏比較豐富的海域，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是需要大量的砂石填料，通常建于附近土源充足的淺海區(qū)域。因此，我國(guó)渤海邊際油田大都采用比較經(jīng)濟(jì)的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)。本文以渤海遼東灣為例，概述我國(guó)抗冰海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展，指出設(shè)計(jì)中存在的主要問(wèn)題，并展望抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究前景。

二、我國(guó)渤海抗冰結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展

我國(guó)早在1966年開(kāi)始在渤海建造抗冰海洋平臺(tái)，到目前為止，已經(jīng)建立了幾十座抗冰海洋平臺(tái)。渤海抗冰平臺(tái)設(shè)計(jì)經(jīng)歷一個(gè)從認(rèn)識(shí)到發(fā)展過(guò)程，大致可以經(jīng)歷了三個(gè)階段:

第一個(gè)階段在1969年渤海冰封期間，我國(guó)“老二號(hào)”平臺(tái)在海冰的巨大推力下倒塌。這一階段由于缺乏海冰的認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)中采用鐵路規(guī)范，沒(méi)有進(jìn)行冰力核算，造成平臺(tái)不具備抗冰能力，設(shè)計(jì)很不合理。

第二個(gè)階段在1970-1986年間，標(biāo)志事件是埕北油田的開(kāi)發(fā)。該油田將設(shè)計(jì)條件大大提高，導(dǎo)致平臺(tái)僅導(dǎo)管架重量就達(dá)到1800噸，過(guò)于保守的設(shè)計(jì)直接影響了油田的生產(chǎn)成本。

第三個(gè)階段在1987-2004年間，標(biāo)志事件是JZ20-2氣礦的開(kāi)發(fā)。我國(guó)獨(dú)立自主設(shè)計(jì)建造的抗冰平臺(tái)，平臺(tái)的設(shè)計(jì)比較合理經(jīng)濟(jì)，保證了平臺(tái)在極值冰力下的安全，但是平臺(tái)投入運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)比較嚴(yán)重的冰激振動(dòng)問(wèn)題。

三、制約我國(guó)抗冰導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題

目前基于極端靜冰力設(shè)計(jì)和安全評(píng)估的抗冰導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)暴露出諸多問(wèn)題，這就要求抗冰結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范和安全評(píng)定不僅僅只給出靜力方面的要求，同時(shí)還應(yīng)過(guò)多的考慮冰激振動(dòng)問(wèn)題，即結(jié)構(gòu)本身、上部設(shè)施、作業(yè)人員等多種性能要求。因此，需要對(duì)冰區(qū)柔性抗冰結(jié)構(gòu)的失效模式及相關(guān)判據(jù)進(jìn)行研究;基于多種失效準(zhǔn)則對(duì)抗冰結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)。由于冰荷載研究的限制以及冰與結(jié)構(gòu)相互作用的復(fù)雜性，抗冰導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)展緩慢，存在的問(wèn)題如下:

1.冰荷載問(wèn)題

冰荷載的研究是抗冰導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)基于性能風(fēng)險(xiǎn)設(shè)計(jì)的前提。冰與風(fēng)和浪對(duì)結(jié)構(gòu)的作用類似，包含了靜力和動(dòng)力作用。確定了極值靜冰力，可以基本估算結(jié)構(gòu)需要具備的靜剛度和強(qiáng)度，保證結(jié)構(gòu)不會(huì)被極端冰荷載推倒。靜冰荷載對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的作用因海冰不同的破壞形式而不同，一般采用當(dāng)海冰呈現(xiàn)擠壓破壞時(shí)的冰力作為設(shè)計(jì)冰荷載。各國(guó)學(xué)者提出了不同的靜冰力計(jì)算公式。冰與結(jié)構(gòu)作用是一個(gè)動(dòng)力過(guò)程，結(jié)構(gòu)在動(dòng)冰力作用下產(chǎn)生振動(dòng)。只有確定了動(dòng)冰力的形式、大小以及周期情況，才可以對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)準(zhǔn)確評(píng)估。盡管冰荷載的研究已經(jīng)有幾十年的歷史，相對(duì)波浪、地震、風(fēng)荷載的研究，整體水平仍然不高。并且由于各國(guó)海域冰情、結(jié)構(gòu)形式差別很大，再加上自然界中冰材料性質(zhì)以及海冰與結(jié)構(gòu)作用大聲破壞的機(jī)理非常復(fù)雜，冰荷載問(wèn)題本身難度較大。目前，抗冰結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)規(guī)范中，通常只給出最大靜冰力的計(jì)算公式。對(duì)于動(dòng)冰荷載，還沒(méi)有合適、統(tǒng)一的計(jì)算方法。

2.冰激振動(dòng)問(wèn)題

冰與結(jié)構(gòu)的相互作用是一個(gè)相互耦合的過(guò)程，結(jié)構(gòu)的型式對(duì)冰力的形式、大小以及冰力機(jī)理都有很大的影響。冰對(duì)結(jié)構(gòu)作用產(chǎn)生的振動(dòng)是影響冰區(qū)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營(yíng)的重要因素。冰激直立結(jié)構(gòu)的振動(dòng)是在美國(guó)阿拉斯加庫(kù)克灣的導(dǎo)管架平臺(tái)上進(jìn)行冰力測(cè)量時(shí)首先發(fā)現(xiàn)。錐體結(jié)構(gòu)上的冰激振動(dòng)問(wèn)題主要發(fā)生在我國(guó)渤海的海洋平臺(tái)上，岳前進(jìn)等對(duì)測(cè)量得到的冰力及振動(dòng)進(jìn)行了分析，認(rèn)為在窄錐結(jié)構(gòu)上的冰力具有一定的周期性，當(dāng)周期與平臺(tái)固有周期接近時(shí)，會(huì)引起平臺(tái)強(qiáng)烈振動(dòng)。由于冰激振動(dòng)機(jī)理復(fù)雜，而且對(duì)結(jié)構(gòu)形式很敏感，盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此問(wèn)題的研究持續(xù)不斷，但目前為止還沒(méi)有定論。

3. 抗冰結(jié)構(gòu)的失效模式問(wèn)題

目前，抗冰海洋平臺(tái)的規(guī)范設(shè)計(jì)及安全評(píng)估一般只考慮極端靜冰力的作用，忽略了動(dòng)冰力的影響。由于對(duì)冰荷載、環(huán)境條件及冰振對(duì)結(jié)構(gòu)的影響認(rèn)識(shí)還不夠清楚，冰區(qū)抗冰結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是從極端荷載出發(fā)，而忽略了交變動(dòng)冰力造成平臺(tái)的各種失效模式，很大程度上限制了抗冰結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，疲勞壽命分析以及上部設(shè)施與作業(yè)人員在冰激振動(dòng)下的評(píng)估。基于對(duì)渤海導(dǎo)管架平臺(tái)的多年監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)冰激振動(dòng)引起平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)疲勞失效、上部設(shè)施的正常使用、作業(yè)人員感受問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)性要遠(yuǎn)大于極端荷載下結(jié)構(gòu)的整體安全問(wèn)題。因此，無(wú)論是平臺(tái)安全保障，還是平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)都應(yīng)該明確抗冰導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

四、展望

由于冰與結(jié)構(gòu)相互作用以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析的復(fù)雜性，與抗波浪海洋平臺(tái)相比，抗冰海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)水平還處于很低的水平，盡管目前國(guó)內(nèi)外在相關(guān)問(wèn)題做了一些探討，但也有很多問(wèn)題沒(méi)有得到很好的解決，還需要作進(jìn)一步的分析和研究，主要包括:1.深入研究海冰環(huán)境參數(shù)及抗冰導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)冰荷載;2.深入研究抗冰導(dǎo)管架平臺(tái)的冰振失效模式及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn);3.基于數(shù)學(xué)模型與專家經(jīng)驗(yàn)的海洋平臺(tái)選型優(yōu)化;4.深入研究抗冰導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、隔振和控制的協(xié)同設(shè)計(jì)等。

參考文獻(xiàn):

[1]API RP 2N.Recommended practice for planning， designing， and constructing fixed offshore structures in ice environments.1988

[2]岳前進(jìn) 畢祥軍 于曉等:錐體結(jié)構(gòu)的冰激振動(dòng)與冰力函數(shù).土木工程學(xué)報(bào)，2003，36(2):16-19