非對稱開孔沉箱式防護設施撞擊損傷試驗研究

徐萬海, 李 航, 賀子琪

(天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室,天津 300072)

通航區的水下生產系統,可能會遭受船舶的拋錨撞擊作用,工程中常采取積極有效防護設施對其進行保護。沉箱式防護設施因其出色的結構強度,可靠的保護功能,被廣泛應用于工程實際,取得顯著效果[1-2]。

落錨撞擊是影響沉箱式防護設施結構安全的重要因素。DNV-RP-F107規范[3]指出:水中落物經過一段時間自由下落,最終將變成勻速運動,撞擊力大小與落物質量、落物速度、橫截面積和拖曳系數等密切相關。Nakayama等[4]進行了實船拋錨試驗研究,將質量為6.84 t的霍爾錨從水面上3.4 m距離拋下,落到水面以下17 m時的速度約為6.8 m/s。于洋等[5]提出了拋錨后錨的下落運動計算模型,考慮了錨鏈阻力影響,確定了6 t霍爾錨在高出水面約1.5 m的距離投錨后,錨的下落速度隨下落距離的變化關系,相關規律與Nakayama等的試驗結果接近。Kim等[6]通過試驗分析了不同海床土壤類型和不同落錨沖擊速度對于鱗斑錨貫入深度以及承載力的影響,發現鱗斑錨可以在較小的貫入速度下實現和其他錨一樣的承載能力。沉箱式防護結構在設計時,需保證最危險落錨撞擊工況對結構的損傷仍在可承受范圍之內,基于Sjoblom等[7-8]對撞擊速度分類的定義,沉箱式防護設施遭受的落錨撞擊屬于典型的低速撞擊情況。

在沉箱式防護設施研究方面,主要集中在波浪荷載或海冰荷載對沉箱防護功能影響[9-11],采用經典線彈性板理論對沉箱式防護結構與海冰以及波浪的相互作用進行分析,探討沉箱的結構響應與損傷。Drover等有限元數值模擬了泥線下的全埋沉箱式防護設施與海冰的相互作用,沉箱底部的顯著應力和塑性應變表明,沉箱可發生整體橫向承載失效或旋轉失效。Zulkifli等[11]基于經典彈性板理論對波浪沖擊荷載作用下沉箱的響應進行了分析,采用有限元法和模態疊加技術,得到了沉箱的彎矩和橫向位移的數值結果,提出了一種基于動力放大系數的沉箱動力設計方法。近年來,隨著防護設施結構形式的發展,對防護設施撞擊防護性能的研究拓展到落錨對于結構的影響上。Wan[12]基于不同的KC(Keulegan-Carpenter)數和模型試驗,建立了一種數值模擬模型,用于分析玻璃鋼水下防護罩在波浪和水流的環境下受落物撞擊的影響。Huang等[13]基于船舶自動識別系統(automatic identification system, AIS)和多變量模擬的數據統計計算了在拖網和墜物作用下纖維增強聚合物(fiber reinforced polymer,FRP)防護面板的結構響應。

在落錨對海底結構物撞擊研究方面,主要關注落錨對海底管道的撞擊損傷問題[14]。Pal等[15]采用有限元法對帶有損傷的海底管道進行數值分析,確定了管道應力情況。Wang等[16]采用試驗和數值模擬相結合方法,對復合管的撞擊問題進行了研究。楊秀娟等[17]有限元法數值模擬了海底管道受到落物撞擊,分析了落物形狀、碰撞角度和管道混凝土厚度等對撞擊的影響。歐陽穎[18]基于LS-DYNA軟件對霍爾錨撞擊下的海底管道進行了損傷分析,確定了埋在海床中的管道的有效應力大小和變形情況。Tian等[19]考慮到海床對海底管道撞擊的影響,利用非線性顯式動態有限元方法,對海底管道在落物沖擊下的損傷進行了評估。Guo等[20]借助計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)的方法,研究蜂窩孔海底管道在海水環境下的沖擊動力學特征和管道防撞擊優化設計方法。

綜上所述,涉及沉箱式防護設施的落錨撞擊研究尚未充分開展,缺少落錨對沉箱式防護設施的撞擊損傷分析相關的試驗研究。此外,實際工程中,出于維修水下生產系統和采油作業的需要,常在沉箱上開設采油樹孔和人形孔,使得結構形式更為復雜,開孔附近常產生應力集中,導致其結構防護性能下降,需要進一步分析其撞擊損傷特性。基于此,本文通過模型試驗方法,分析沉箱式防護結構在落錨撞擊作用下結構損傷,研究工作可為數值模擬正確性與合理性校驗提供試驗數據樣本,同時也可為沉箱防護結構工程設計提供理論指導和技術支持,具有重要理論價值和工程意義。

1 落錨撞擊試驗

1.1 試驗裝置

試驗在天津大學多功能港池開展。借助多功能港池的戶外天車系統,進行水下防護設施模型試驗,通過天車系統安裝試驗裝置,模擬試驗各個工況。

如圖1所示,試驗裝置分為配備有移動滑軌裝置、定滑輪升降裝置以及定位裝置。沉箱模型置于試驗裝置下方,通過天車系統的滑軌移動裝置和升降裝置,進行落錨撞擊位置的調整和落錨撞擊速度的設置,通過定位裝置對重物下落撞擊位置進行精確鎖定。

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental device

1.2 相似性分析

落錨在水中經過一段時間自由下落后,速度會達到一個定值,沉箱式防護設施遭受的落錨撞擊為低速撞擊,影響結構撞擊損傷的主要是落錨的質量和速度。在實際工程中,落錨撞擊沉箱式水下防護設施時,水體處于靜止狀態,主要起阻尼作用。根據規范DNV-RP-F107所述,落錨在靜水中自由下落一段時間后,速度會達到一個定值。同時由于撞擊是瞬時發生的,一般在1 s以內,作用時間較短。水體對于撞擊前后速度的大小影響較小,即水對于沉箱式防護結構的結構損傷影響可忽略,本撞擊試驗在空氣中完成,不考慮水體。重點模擬落錨撞擊沉箱式防護設施的物理過程,重力起主導作用,從速度相似出發,保證速度相似比為1。為分析沉箱式防護設施的結構損傷特性,原型與模型材料參數及邊界條件相同,即密度、楊氏模量、泊松比相等。詳細相似性參數如表1所示。

表1 試驗中的相似比

1.3 沉箱防護裝置與落錨模型

金屬材料由于延展性較好,在遭受到超過屈服應力的撞擊載荷時可以產生較大的塑性應變,吸收撞擊能量,混凝土質量較輕,沉箱式防護設施常常采用上下兩層鋼板包裹混凝土的層合板結構。本文選用渤海通航區某水下生產系統沉箱式防護設施作為實驗原型,按縮尺比1 ∶11制作試驗模型。如圖2所示,該模型由頂蓋和圓環組成。頂蓋是根據渤海通航區某水下生產系統沉箱式防護設施的實際尺寸和材料組成,根據相似比和縮尺比制成。其主要由Q235鋼板和混凝土組成層合板,上下底板為Q235鋼板,底板厚2 mm,兩底板之間設置豎向隔板,豎隔板厚1.27 mm,同時沿著上下底板邊緣設置圍板,圍板厚2.27 mm,頂蓋上下板間采用混凝土進行填充。整個頂蓋外徑2.82 m、厚4.55 cm。在原模型中,沉箱式防護設施的頂蓋下方為鋼圓筒,頂蓋置于鋼圓筒上對鋼圓筒內的水下生產系統進行防護。考慮到試驗的操作性,本文采用圓環來模擬鋼圓筒對于頂蓋的支撐作用,同時為了模擬在工程中頂蓋受落錨撞擊時的邊界條件,對于頂蓋邊緣到圓環邊緣的距離和圓環的材料以及壁厚嚴格按照縮尺比和相似比進行設置。因此,將環放置于頂蓋下部對頂蓋進行支撐,采用厚度5 mm的Q235鋼制成,并與頂蓋一起形成沉箱結構。

圖2 沉箱防護裝置試驗模型Fig.2 Caisson model in the experiment

如圖3所示,根據水下防護設施所在海域通航區過往船只配備錨的情況,選取了最為常見的AC-14錨作為落錨錨種,分別選取18.38 t和8.7 t的錨重代表最危險工況和工作工況,按照1 ∶11的縮尺比制成6.56 kg和13.81 kg的試驗錨。試驗模擬落錨撞擊時,利用繩索穿過卸扣將落錨吊起,隨后釋放落錨,利用重力的作用讓落錨垂直下落,使得落錨錨頭與頂蓋發生撞擊。

圖3 落錨試驗模型Fig.3 Anchor model in the experiment

1.4 測試系統

根據數值模擬分析,對危險應力區域進行劃分篩選,充分考慮頂蓋表面孔結構周邊的應力集中現象,確定應力敏感區。為避免落錨撞擊導致測量傳感器發生損壞,試驗時傳感器置于沉箱式防護結構頂蓋下方。為了最大程度獲得頂蓋的損傷信息,本文在布置測點時,選擇將測點布置于應力敏感區周圍,并考慮非敏感區域的損傷信息獲取,以避免出現信息獲取不完善的情況。同時,為了降低試驗成本,經過數值模擬分析發現,采用18個測點的方案既可以實現對頂蓋損傷的完全監測,又可以降低試驗成本,避免出現測點冗余,監測范圍重疊。因此,最終采用如圖4所示的18測點布置方案。試驗在應變測點處安裝相互垂直的光纖光柵(fiber grating,FBG)應變傳感器,傳感器采集到的光信號通過光纖傳輸給解調儀(傳感器和解調儀參數如表2所示),解調儀將接收到的光信號轉換為數字信號,傳輸到終端計算機上,監測撞擊時結構產生的應變,進而對結構損傷進行分析和評估。

表2 FBG應變傳感器參數

圖4 試驗測點布置圖Fig.4 Measuring points arrangement

1.5 試驗工況

落錨對于頂蓋的撞擊作用主要通過其質量和速度體現。為模擬實際情況,進行試驗時,需確定不同質量、不同種類的落錨接觸沉箱頂蓋時的下落速度。根據規范DNV-RP-F107中規定,落物在水中最大下落速度為

(1)

式中:vm為落物最大下落速度;m為落物質量;g為重力加速度;ρω為海水密度;ρa為落物密度;A為落物在墜落方向的橫截面積;CN為阻力系數,取值如表3所示。

表3 阻力系數取值

在實際撞擊情況下,錨的下落速度是恒定的,而在試驗中由于重力的影響,無法做到勻速撞擊,需根據撞擊力對試驗中錨的下落高度做等效處理。根據式(2)和式(3)對工況速度進行等效求出試驗中的接觸速度和等效高度

F=(mv)/t+mg

(2)

(3)

按式(2)和式(3)對工況速度進行等效,確定試驗中的等效高度如表4所示。

表4 落錨等效高度

基于對應力敏感區域的分析,為了研究非對稱開孔沉箱式結構的撞擊響應,從開孔較為密集的區域有選取4個撞擊位置,即圖5中a,c,d,e,同時為了對比,在無開孔區域選取了b,f兩個位置。為了獲取非對稱開孔沉箱式防護結構撞擊損傷的一般性規律,本文按照開孔的密集程度,將上述6個撞擊位置劃分為三種類型,分別是開孔密集區域,即位置a和位置c、開孔區域與非開孔區域交界處,即位置d和位置e以及非開孔區域,即位置b和位置f。在上述6個位置中,位置c附近開孔區最密集,位置b處于圓心附近距離開孔最遠,而位置d既處于非開孔區域與開孔區域交界處,附近開孔密集程度又相對較小,兼具邊界性特點。因此,本文從上述6個位置中挑出b,c,d 3個位置3個作為試驗撞擊最為典型位置。

圖5 撞擊位置Fig.5 Impact position

2 試驗結果與規律分析

2.1 試驗數據處理

常用的信號降噪方法主要有快速傅里葉變換(fast fourier transform,FFT)和小波變換。傅里葉變換可將信號從時域轉換到頻域,但無法分析時域信號的局部頻率特征,在處理沖擊、碰撞、爆炸等強非線性響應時具有局限性,且信號經過傅里葉變換之后,只有頻域上的信息,無法將頻域不正常的部分與時間聯系起來,無法判斷損傷發生的時間。針對這一缺陷,短時傅立葉變換在一定程度上完成了信號局部分析,但其窗體大小無法根據信號的局部特征自動調節窗口。與FFT相比,小波變換既具有短時傅里葉變換局部分析的優點,又可根據信號局部特征選擇窗口大小,適用于局部或暫態信號的處理,克服許多信號降噪中的問題。本試驗中采用降噪效果較好的dB5小波進行降噪,綜合考慮降噪效果和降噪計算量,選取分解層數為6層,降噪結果如圖6所示。

圖6 實驗數據降噪Fig.6 Data denoising in the experiment

2.2 落錨速度對撞擊損傷的影響

考慮到沉箱式結構開孔的因素,為獲取一般規律,選用13.81 kg的錨在不同撞擊速度下在b,c,d3個撞擊位置進行撞擊,不同撞擊速度工況撞擊應力結果如圖7所示。

圖7 不同撞擊速度工況撞擊應力對比Fig.7 Impact stress versus different impact velocity

在撞擊位置b處,7.75 m/s錨撞擊后產生的應力變化頻率高于6.96 m/s錨,7.75 m/s錨的應力振幅較6.96 m/s錨的應力振幅大;在撞擊位置c和撞擊位置d處,6.96 m/s錨撞擊后產生的應力變化頻率高于7.75 m/s錨,且7.75 m/s錨應力振幅更大,而6.96 m/s錨應力振幅較小。整體而言,7.75 m/s錨產生的撞擊應力較6.96 m/s錨產生的撞擊應力大。主要原因是當落錨撞擊頂板產生的應力波在向底板傳遞的過程中,由于頂蓋鋼板和混凝土之間的波阻抗不同,會產生反射和折射,只有部分的應力波能夠傳遞,撞擊后瞬時,所測得應力幅值較撞擊時產生的撞擊幅值驟降。同時,由于混凝土應力波在混凝土介質中傳播時,介質顆粒碰撞,發生能量傳遞,且頻率越快,吸收也越快,因此,撞擊后所得的頻率也逐漸降低。由于沉箱結構是非對稱開孔復合板,各個位置的材料性能各不相同,撞擊位置b離開孔較遠,不存在自由表面,所在位置近似于均勻復合板,應力波在傳遞的過程中折射和反射較小,撞擊產生的應力波能夠完整的傳播到下底板,使得撞擊的能量大都以振動形式耗散,因此,落錨速度大的7.75 m/s錨撞擊后振動頻率較快,振幅較高。此處撞擊能量大都以振動形式耗散,被結構變形吸收的較少,撞擊位置b不易損壞。

撞擊位置c和撞擊位置d處于開孔附近,由于鋼板與流體介質的阻抗比較大,幾乎能夠反射和折射所有應力波,相較于鋼板與混凝土的阻抗比大,致使頂蓋上板應力波傳遞到底板時發生了大量的能量衰減,傳到底板的應力波較少,導致撞擊產生的能量只能有部分以結構振動形式耗散,剩余能量以結構變形的形式被吸收,使得結構容易產生撓曲變形發生損傷。而損傷又會進一步增加混凝土的孔隙與分層生成更多的自由表面,進一步增加應力波傳遞衰減,使得結構產生進一步損傷。且頻率越快,能量吸收越快,因此,落錨速度較大的7.75 m/s錨撞擊產生的能量,被結構損傷吸收較多,且以高頻部分能量為主,導致后續應力振動幅值較小,振動頻率較低。而落錨速度較小的6.96 m/s錨,由于速度較小,撞擊產生的損傷較小,被變形吸收的能量較小,被吸收的高頻能量少,應力振動幅值也較少,振動頻率較快。

與普通薄板一樣,當落錨撞擊速度增大時,產生的撞擊應力隨之增大,相應的撞擊損傷便越大。但由于沉箱式結構為不均勻層合板結構,在結構不同位置,撞擊速度對于結構損傷的影響是不同的。在距離開孔較遠的區域,該區域結構可以看作是無開孔層合板結構,當撞擊速度較小時,結構未產生損傷,撞擊產生的能量轉化為結構的振動;隨著撞擊速度增大,沉箱式結構上部鋼板形變增大,導致混凝土與鋼板的連接發生斷裂,結構開始發生損傷,并且損傷的范圍也隨著速度的增加而增加;當撞擊速度增加到產生的撞擊應力超過鋼板的屈服應力,鋼板產生塑性應變,結構產生凹坑變形損傷。而位于開孔附近區域,當撞擊速度較小時,結構未產生損傷,撞擊產生的能量轉化為結構的振動;當撞擊速度逐漸增大,產生的彈性形變也越來越大,對內部混凝土產生壓縮作用越大,由于混凝土壓縮強度較鋼板低得多,使得混凝土容易發生斷裂,結構更容易發生撓曲產生塑性變形,并進一步導致層合板內部的混凝土受壓發生斷裂,使得結構發生損壞,并且相較于非開孔區域,開孔區域的導致損傷速度閾值較小,結構對撞擊速度較為敏感,容易發生破壞。

2.3 落錨質量對撞擊損傷的影響

考慮到選沉箱式結構開孔的因素,為獲取一般規律,在7.75 m/s的速度下采用不同的落錨,在b、c、d 3個撞擊位置進行撞擊,得到如圖8所示不同落錨撞擊應力對比結果。

圖8 不同落錨撞擊應力對比Fig.8 Impact stress versus different anchor mass

整體而言,撞擊位置b處,距離孔位較遠,應力波傳遞過程中衰減較小,被變形吸收能量較小,撞擊能量大都轉化為結構振動,因此,質量大的13.81 kg錨的振動頻率較質量輕的6.56 kg錨的快,振幅較大。撞擊位置c和撞擊位置d處離開孔較近,應力波傳遞衰減大,且主要以高頻部分能量為主,被變形吸收的能量大,被振動吸收的能量較小,質量較大的13.81 kg落錨的振動頻率較質量輕的6.56 kg錨的慢,振幅較小。

可以發現,落錨質量越大,產生的撞擊應力便越大,相應的撞擊損傷便越大。鑒于沉箱式結構為不均勻層合板結構,不同位置結構對于落錨質量敏感性也各不相同。在非開孔區域,由于沒有開孔的影響,結構強度高,能夠產生損傷的錨重的閾值便越大。當落錨質量較小時,結構產生彈性形變,撞擊產生的能量轉化為結構的振動;隨著落錨質量增大,沉箱式結構上部鋼板形變增大,導致結構混凝土發生斷裂,結構開始發生損傷,并且損傷的范圍也隨著質量的增加而增加;當落錨質量增加到產生的撞擊應力超過鋼板的屈服應力,鋼板產生塑性應變,結構產生凹坑變形損傷。而位于開孔附近區域,該區域結構可以近似梁結構,當落錨質量較小時,結構未產生損傷,撞擊產生的能量轉化為結構的振動;當落錨質量逐漸增大,結構發生撓曲變形使結構產生塑性變形,并進一步導致層合板內部的混凝土受壓發生斷裂,使得結構發生損壞,并且相較于非開孔區域,開孔區域的導致損傷落錨質量閾值較小,結構對落錨質量較為敏感,容易發生破壞。

2.4 撞擊位置對撞擊損傷的影響

根據試驗時的落錨工況(如表5所示),提取3個撞擊位置產生的最大撞擊應力進行分析,如圖9所示。從圖9中可以發現,在相同的落錨質量和落錨速度下,離開孔距離較近的撞擊位置c、撞擊位置d的應力要高于撞擊位置b的撞擊應力,且距開孔距離更近的撞擊位置c所產生的撞擊應力大于撞擊位置d所產生的應力,遠大于撞擊位置b所產生的應力。

表5 落錨撞擊工況

圖9 不同位置撞擊應力Fig.9 Impact stress in different position

這是因為撞擊位置c和撞擊位置d處,邊界條件與梁結構形式類似,容易產生較大撓度,發生撓曲變形,因此撞擊位置c和撞擊位置d處產生的撞擊應力較撞擊位置b處大,更容易發生損傷,且撞擊位置c處開孔最多,更容易產生應力集中,因此撞擊位置c處所產生的撞擊應力最大,損傷的可能性最高;而撞擊位置b處離開孔較遠,不易應力集中,剛度大,不易變形,因此產生的撞擊應力最小不易產生損傷。

沉箱式結構是不均勻層合板結構,不同的撞擊位置結構損傷機理不同。在非開孔區域,結構近似于無開孔的層合板,不易發生撓曲變形,結構強度較高,產生損傷的應力閾值較大,主要的損傷類型是形變過大導致的內部混凝土斷裂以及鋼板塑性變形而產生的凹陷損傷。在開孔區域,由于開孔的影響,該區域的結構形式近似于梁結構,撞擊時容易產生撓曲變形,因而產生損傷的應力閾值較小,主要的損傷類型是撓曲變形導致的結構內部混凝土斷裂和結構大撓度變形失效。

3 結 論

本文通過設計模型試驗,觀測了落錨撞擊下非對稱開孔沉箱式防護設施的撞擊損傷特性,分別研究了落錨質量、落錨速度以及撞擊位置對于沉箱式結構的損傷影響,通過研究發現:

(1) 落錨撞擊速度越大,在非開孔區域產生的損傷從內部混凝土斷裂演化成凹陷變形,開孔區域產生的損傷從內部混凝土斷裂演化成撓曲變形。

(2) 落錨質量越大,開孔附區域越容易發生混凝土斷裂和撓曲變形,撞擊產生的撞擊應力越大,容易產生損傷,非開孔區域,越容易發生混凝土斷裂和凹陷變形,產生的撞擊應力也越大。

(3) 非開孔區域產發生的損傷類型主要是混凝土斷裂和凹陷變形;開孔區域發生的損傷類型主要是混凝土斷裂和撓曲變形。

本文試驗針對撞擊產生的應力應變進行分析,未采集撞擊后結構的損傷形態;僅對水下非對稱開孔沉箱式防護設施的一次撞擊進行分析,未考慮多次撞擊問題。未來需要在這兩個方面進一步開展深入研究。