轉角阻尼器對海洋平臺-搖擺墻體系抗振分析

張紀剛，劉菲菲，韓永力，蘇 銳

(1.青島理工大學 土木工程學院,山東 青島 266033; 2.藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心，山東 青島 266033)

轉角阻尼器對海洋平臺-搖擺墻體系抗振分析

張紀剛，劉菲菲，韓永力，蘇 銳

(1.青島理工大學 土木工程學院,山東 青島 266033; 2.藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心，山東 青島 266033)

在海洋平臺搖擺墻體系基礎上，提出在海洋平臺和搖擺墻之間剛性連接桿的鉸接點處安裝粘彈性轉角阻尼器的減振措施，對海洋平臺進行進一步減振控制。對粘彈性轉角位移阻尼器的剛度和阻尼參數進行了優化分析，可知阻尼器的阻尼與剛度在結構減振中起到了十分重要的作用，且存在特定范圍內的優化值。以JZ20-2北高點井口平臺為例，利用ANSYS進行地震荷載作用和實測擠壓冰荷載下的仿真分析，研究了粘彈性轉角阻尼器在海洋平臺和搖擺墻之間剛性連接桿鉸接點處的不同安裝方式，對比分析減振效果。結果表明，在該體系剛性連接桿的鉸接點處安裝粘彈性轉角阻尼器能顯著降低結構的振動反應，連接桿右側安裝粘彈性轉角阻尼器的方式為減振效果最佳方式。

海洋平臺；搖擺墻；粘彈性轉角阻尼器；地震作用；冰荷載

Abstract:This paper introduces the installation of the viscoelastic rotary dampers at the hinged points of rigid connection rods between the offshore platform and the rocking wall as the measure of vibration mitigation,which is based on the offshore platform-rocking wall system,for further vibration control of offshore platform.The stiffness and damping parameters of the viscoelastic rotary dampers are analyzed and optimized.The results show that damping and stiffness play a very important role in structural vibration dissipation,and that the optimum values for stiffness and damping parameters exist within a specific range.Taking the JZ20-2 north high offshore platform as an example,its simulation analysis is done under earthquake loads and in-situ measured push ice load using ANSYS,to study different installations of viscoelastic dampers at the hinged points of rigid connection rods between offshore platform and rocking wall,and the control effects are compared.The results show that the installation of viscoelastic rotary damper at the hinged points of the rigid connection rods can reduce significantly the vibration response of the structure,and that the installation of the viscoelastic rotary dampers at the right side of the rigid connection rods can have the best control effect.

Keywords:offshore platform; rocking wall; viscoelastic rotary damper; earthquake action; ice load

搖擺墻體系為工程界一種新型抗震結構，有學者進行了搖擺墻體系的抗震性能研究，認為搖擺墻能使原結構各層變形趨于一致，有效控制變形集中，可發揮結構整體抗震及耗能能力[1-3]。TMD對海洋平臺的振動控制有一定作用，并在適當的頻比和質量比條件下具有較好的減振效果，但是TMD 減振系統受頻率限制比較大，控制頻域寬度很窄，只有當激勵為窄帶激勵或結構的響應由基階模態控制時，才有控制效果[4-5]。Qiao Jin等人利用TLD對導管架海洋平臺進行抗震分析，并進行了試驗研究和數值分析，結果表明TLD的晃動頻率與平臺的自然頻率比值是控制抗震的關鍵因素，TLD的水的質量與平臺的質量比越大越有利于減震[6]。但是由于其自身質量、冬季維護等限制，TMD和TLD在海洋平臺中的實際應用價值有限。Rujian Ma等人提出將ETMD減振系統應用于海洋平臺中，其原理是利用裝置內部設備進行振動控制，結果表明ETMD減振系統在適當的頻比和質量比條件下具有較好的減振效果，但是ETMD系統和TMD類似，受頻率限制比較大，控制頻域寬度很窄[7]。海洋平臺結構磁流變半主動智能控制技術是一種較好的方案，但是磁流變阻尼器是由油缸、套筒等組成，存在著漏油、滲油的問題，一旦出現問題將使其功能失效。并且，磁流變阻尼器存在時滯的問題[8-9]。張紀剛等提出了基于搖擺墻體系的新型海洋平臺結構，結果表明搖擺墻體系對海洋平臺的動力反應有很好的減振效果[10]。本文在此新型海洋平臺-搖擺墻結構體系的基礎上，提出在搖擺墻與平臺之間的剛性連接桿鉸接點處設置粘彈性轉角位移阻尼器來進行減振。

1 海洋平臺模型及轉角阻尼器

1.1平臺概況

研究所選平臺為JZ20-2型，導管架式，位于渤海遼東灣，1991年建成投產，平臺設計服役期20年，設計水深15.5 m。平臺由樁、導管架、導管架端帽及甲板結構組成，總高24.8 m。平臺導管架由四條腿樁組成，腿樁直徑約1.5 m，各腿樁雙斜布置，結構斜面呈正四邊形，導管架水下部分為兩個水平層，標高分別為EL.-15.5 m和EL.-3.5 m，導管架水上部分為兩個水平層，標高分別為EL.+5.85 m和EL.+10.0 m。樁穿過導管腿打入土層，樁的直徑是1 060 mm，預計入土深度60 m。JZ20-2平臺結構示意如圖1所示。

1.2搖擺體系和粘彈性轉角阻尼器

搖擺結構體系的減振不是利用結構本身的變形來耗散地震能量，而是放松結構體系約束構成搖擺構件，通過構件的搖擺，使之與原結構變形趨于一致，將變形集中在搖擺界面上，如果搖擺構件具有足夠的剛度和強度，就可以使結構各層層間變形均勻，有效控制結構變形的集中，由此避免傳統結構在變形時產生的屈服機制，發揮結構整體抗震及耗能能力。

關于粘彈性阻尼器，目前大部分工程中采用的多為直線拉壓型，專用于控制轉動自由度的阻尼器還比較少，近年來也有相關學者提出了多種新型轉角阻尼器，具有不錯的設計方案和動力學性能。周云等提出一種扇形鉛粘彈性阻尼器[11-12]，見圖2，該類阻尼器既具有粘彈性材料的速度相關型特點，又具有金屬阻尼器的大阻尼特性。將扇形轉角阻尼器應用于海洋平臺-搖擺墻體系中，不僅使平臺結構各部位位移趨于一致，還能通過粘彈性阻尼器在鉸接點處發揮自身優勢，進一步消耗轉動能量，有效減小海洋平臺結構的振動反應。

圖1 JZ20-2北高點井口平臺結構示意Fig.1 Model of JZ20-2 platform

圖2 扇形鉛粘彈性阻尼器Fig.2 Sector lead viscoelastic damper

1.3ANSYS有限元模型

模型分析采用ANSYS軟件的有限元程序，將海洋平臺模擬為三維空間桁架結構，桿件單元采用BEAM188單元，將層間質量簡化為質量單元采用MASS21單元，單元桿件之間均為剛性連接。海洋平臺與搖擺墻之間的剛性桿采用LINK8單元，為簡便分析，搖擺墻采用與導管相同單元，即亦使用BEAM188單元，搖擺墻與地面之間為鉸接。根據研究成果，搖擺墻直徑取為導管架直徑的4倍，即4.8 m，此時搖擺墻構件具有足夠的剛度和質量。結構體系簡化示意圖如圖3所示。根據經典的粘彈性材料的開爾文模型，鉸接點處設置粘彈性阻尼器應用COMBIN14單元，阻尼器的單元屬性為垂直于紙面的ROTZ方向單自由度抗扭轉模型，在阻尼器處提供抵抗變形的扭矩，僅在剛性桿右端施加轉角阻尼器的模型如圖4所示。

圖3 海洋平臺有限元模型Fig.3 The finite element model of offshore platform

圖4 剛性桿右端施加轉角阻尼器的海洋平臺模型Fig.4 Offshore platform model with rotary damper applyed to the right corner of the rigid rods

2 荷載工況

另一方面，JZ20-2平臺位于渤海遼東灣，冬季常結冰。在高緯度海區，如我國的渤海和黃海北部，海冰也是一個不容忽視的動力荷載，是海洋平臺的主要控制荷載。冰荷載采用實測擠壓破壞冰力時程，時程長度為96 s，采樣時間間隔為0.096 s，實測擠壓冰力時程如圖6所示。

圖5 天津波時程Fig.5 Tianjin earthquake wave

圖6 擠壓冰力曲線Fig.6 Push ice loads

3 轉角阻尼器參數設計

表1 天津波作用下下層甲板最大位移和阻尼器阻尼關系Tab.1 Maximum displacement of lower deck with different damper dampings under Tianjin wave

圖7 天津波作用下下層甲板最大位移和阻尼器阻尼關系Fig.7 Maximum displacement of the lower deck with different damper dampings under Tianjin wave

然后，采用控制變量法進行其剛度系數的優化，保持阻尼器阻尼系數為2π×1 990 N·m·s/θ不變，分別取阻尼器轉動剛度為結構側向剛度2π倍的1%、5%、10%、15%，20%，天津波作用下下層甲板最大位移和阻尼器剛度關系計算結果見表2。由此可以看出，體系的自振頻率隨著阻尼器剛度的增大而增大，盡管剛度越大，阻尼器的輸出力越大，但是增大的阻尼器剛度并沒有給體系的地震位移反應帶來實質性的減小，而且地震反應的動力系數處于較高水平，體系地震反應不穩定，易發生共振現象，因此可將阻尼器的剛度取為10%，即15.52×104kN·m/θ。

表2 天津波作用下阻尼器剛度和下層甲板最大位移關系Tab.2 Maximum displacement of lower deck with different damper stiffness under Tianjin wave

4 應用安裝分析

取天津波作用下剛性桿兩端為鉸接、設置轉角阻尼器時結構變形圖做對比，如圖8所示，可以明顯看到，設置轉角阻尼器時的結構變形得到了很好的控制，側向位移得到了有效的減小。

圖8 天津波作用下結構變形比較Fig.8 Comparison of structural deformation under Tianjin wave

為了進一步分析其實際應用價值，取水面上上層甲板、下層甲板兩處作為研究對象，通過ANSYS分析后得到分析結果見表3。基于搖擺墻—海洋平臺體系的減振原理，搖擺墻與海洋平臺之間的剛性連接桿兩端采用鉸接時，就可以很好的降低結構的動力反應。

通過表3可以看出在剛性桿右端安裝粘彈性轉角阻尼器可以有效降低海洋平臺結構的動力反應，下層甲板的最大位移反應在兩種荷載作用下分別降低了72.14%、70.44%。如果在剛性桿的兩端均設置轉角阻尼器，則平臺結構的最大位移和最大加速度均會得到明顯的減小，下層甲板的最大位移反應在兩種荷載作用下分別降低了84.98%、72.84%，但最大加速度反應反而會被放大。

對于左端安裝轉角阻尼器的情況，可以看出由于轉角阻尼器與海洋平臺結構之間的結合，使得原有的搖擺墻減振原理失效，基本沒有效果，而且只在所有剛性桿左端設置轉角阻尼器在實際中難以實施，因為連接桿左端的所有轉角阻尼器由于其傾斜角度不一樣，所安裝的粘彈性轉角阻尼器尺寸型號會有較大差異，導致造價提高，所以對于此種情況予以舍棄。

綜上考慮，連接桿右端設置轉角阻尼器效果最好，加速度不被放大，同時所安裝轉角位移阻尼器型號一致，能節省造價。剛性桿右端安裝粘彈性轉角阻尼器時下層甲板處在天津波作用和push冰荷載下的最大位移反應時程與原始平臺之間的對比如圖9所示，可以看出其減振效果明顯。

表3 分析結果Tab.3 The analysis results

(注：括號內為減振效果，*表示沒有效果)

圖9 不同工況下層甲板位移反應比較Fig.9 Comparison of the displacement response of the lower deck in different conditions

5 結 語

通過對海洋平臺-搖擺墻體系中搖擺墻鉸接點處安裝粘彈性轉角阻尼器進行有限元分析，并對阻尼器參數進行初步優化計算，得出如下結論：

1)在搖擺墻與海洋平臺之間剛性桿的鉸接點處安裝轉角阻尼器對海洋平臺搖擺墻體系的減振性能具有顯著效果，單純調節阻尼器的剛度對結構的減振效果不明顯；同時可以根據實際情況調節阻尼器阻尼以達到最好的消能減振效果。由于分析采用ANSYS模型，與實體海洋平臺有差異，所以關于阻尼器的具體參數，可以在實際工程中進行具體的優化計算。

2)剛性桿兩端均安裝轉角阻尼器時對位移減振效果最好，但加速度反應增大。由于平臺桿件較為復雜，連接桿左端處安裝轉角阻尼器的難度較大，且型號大小不一致，造價較高，需要進行比較深入的優化。因此，在實際施工中連接桿右端安裝轉角阻尼器對平臺體系的位移和加速度都有較好的減振效果，為最佳方案。

3)在海洋平臺-搖擺體系上安裝轉角阻尼器是一種較為可行的方案，具有良好的應用空間，粘彈性轉角阻尼器在海洋平臺中的具體安裝方式及經濟效益等還有待進一步研究。

[1] 周穎,呂西林.搖擺結構及自復位結構研究綜述[J].建筑結構學報,2011,32(9),1-10.(ZHOU Ying,LV Xilin.State-of-the-art on rocking and self-centering structures[J].Journal of Building of Structures,2011,32(9):1-10.(in Chinese))

[2] 曹海韻,潘鵬,葉列平,等.混凝土框架搖擺墻結構體系的抗震性能分析[J].建筑科學與工程學報,2011,28(1):64-69.(CAO Haiyun,PAN Peng,YE Lieping,et al.Seismic performance analysis of RC frame rocking-wall structure system[J].Journal of Architecture and Civil Engineering,2011,28(1):64-69.(in Chinese))

[3] 曲哲,和田章,葉列平.搖擺墻在框架結構抗震加固中的應用[J].建筑結構學報,2011,32(9):11-19.(QU Zhe,WADA Akira,YE Lieping.Seismic retrofit of frame structures using rocking wall system[J].Journal of Building of Structures,2011,32(9):11-19.(in Chinese))

[4] 陸建輝,彭臨慧,李華軍.海上結構被動TMD振動控制及參數優化[J].青島海洋大學學報,1999,29(4):733-738.(LU Jianhui,PENG Linhui,LI Huajun.Offshore structures TMD passive vibration control and parameter optimization[J].Journal of Ocean University of Qingdao,1999,29(4):733-738.(in Chinese))

[5] 嵇春艷.調諧質量阻尼器對海洋平臺的減振效果分析[J].海洋技術,2005,24(2):114-120.(JI Chunyan.Analysis of tuned mass damper’s damping effect on offshore platforms [J].Marine Technology,2005,24(2):114-120.(in Chinese))

[6] QIAO Jin,XIN Li,NING Sun,et al.Experimental and numerical study on tuned liquid dampers for controlling earthquake response of jacket offshore platform[J].Marine Structures,2007,20(4):238-254.

[7] MA Rujian,ZHANG Haiting,ZHAO Dong.Study on the anti-vibration devices for a model jacket platform[J].Marine Structures,2010,23(4):434-443.

[8] 嵇春艷,萬樂坤,尹群.海洋平臺磁流變阻尼器控制技術研究[J].海洋工程,2008,26(3):27-32.(JI Chunyan,WAN Lekun,YIN Qun.Study on magnetorheological fluid damper vibration control for offshore platforms based on fuzzy control strategy[J].The Ocean Engineering,2008,26(3):27-32.(in Chinese))

[9] 楊飏,歐進萍.導管架式海洋平臺模型結構磁流變阻尼隔震數值分析[J].應用基礎與工程科學學報,2007,15(2):183-188.(YANG Yang,OU Jinping.Numerical analysis of jacket offshore platform model Isolation structure with MR damper[J].Journal of Basic Science and Engineering,2007,15(2):183-188.(in Chinese))

[10] 張紀剛,禚煥雯,江志偉.基于搖擺墻體系的新型海洋平臺振動控制研究[J].土木工程學報,2012,45(增刊2):151-155.(ZHANG Jigang,ZHUO Huanwen,JIANG Zhiwei.Research on vibration control of new ocean platform based on rocking-wall system[J].China Civil Engineering Journal,2012,45(supplement 2):151-155.(in Chinese))

[11] 周云,徐昕,鄒征敏,等.扇形鉛粘彈性阻尼器的設計及數值仿真分析[J].土木工程與管理學報,2011,28(2):1-5.(ZHOU Yun,XU Xin,ZOU Zhengmin,et al.Design and numerical simulation analysis of sector lead viscoelastic damper[J].Journal of Civil Engineering and Management,2011,28(2):1-5.(in Chinese))

[12] 徐昕,周云,吳從曉.扇形鉛粘彈性阻尼器性能的有限元分析研究[J].防災減災工程學報,2012,32(4):444-451.(XU Xin,ZHOU Yun,WU Congxiao.Finite element analysis and study on performance of sector lead viscoelastic damper[J].Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering,2012,32(4):444-451.(in Chinese))

Analysis of vibration performance of offshore platform with rocking wall system installing viscoelastic rotary dampers

ZHANG Jigang,LIU Feifei,HAN Yongli,SU Rui

(1.School of Civil Engineering,Qingdao Technological University,Qingdao 266033,China; 2.Collaborative Innovation Center of Engineering Construction and Safety in Shandong Blue Economic Zone,Qingdao 266033,China)

TV3

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.02.002

1005-9865(2016)02-0010-06

2015-02-03

國家自然科學基金資助項目(51378271)；中國博士后科學基金資助項目(2013M530307)；山東省博士后創新項目專項資金資助項目(201302020)

張紀剛(1975-),男，山東沂水人，教授，主要從事結構振動控制方面的研究。E-mail:zhangjigang-hit@163.com