jz20-2uq导管架式海洋平台结构振动台试验研究

jz20-2uq导管架式海洋平台结构振动台试验研究

0平台结构控制研究海洋平台的结构具有固有的特点。例如:海水的腐蚀、结构横向刚度的基本要求、平台面空间有限等。这些特殊性在很大程度上限制了一些在其它结构上非常有效的振动控制装置在海洋平台结构上的使用。例如,被动或主动耗能斜撑用于现役平台结构控制时,由于海水的腐蚀和温度的影响,特别是平台结构现有的固定式斜撑替换成耗能斜撑后将较大地降低结构的整体横向刚度,从而将限制耗能斜撑的使用。渤海JZ20-2MUQ平台是JZ20-2油气田的生活动力平台,冰激振动和地震是该海域平台结构设计的重要控制条件之一。我国天津大学王翎羽等采用TLD方法对该平台进行了控制的理论和实验分析。哈尔滨工业大学的欧进萍等研究了该平台结构冰振控制措施和实施方案,并进行了振动控制的数值模拟,主要研究了设置抗冰正倒锥体,粘弹性、粘滞耗能斜撑,甲板隔震装置和居住层隔震等被动控制方案。近年来取得长足进展的磁流变智能材料已用于多种形式的减振装置,这些装置既可以用作被动阻尼器,也可以用作半主动控制驱动器。采用磁流变液制成的阻尼器具有响应速度快、能耗小、结构简单等优点,是结构振动控制领域中新型的高性能减振驱动装置。国外许多科研机构对阻尼器的性能进行了详细而深入的研究,研制开发出的多种磁流变阻尼器已应用于实际工程中,在理论和实践方面取得了良好的成果。我国哈尔滨工业大学欧进萍等人在MR阻尼器的研制方面也取得了进展。模型结构的试验是真实结构振动控制的基础,可以对数值分析中无法考虑的问题进行适当补充。本文针对JZ20-2MUQ导管架式海洋平台1∶10比例模型,进行磁流变阻尼隔震的振动台试验。对平台结构进行磁流变阻尼控制,分别采用被动控制、Passiveoff、Passiveon控制和半主动控制方法,研究平台结构在地震作用下导管架结构、平台甲板和隔震层变形的磁流变阻尼控制效果。进一步验证磁流变阻尼隔震控制对海洋平台隔震结构的有效性。1平台结构的简化设计渤海JZ20-2MUQ平台位于浅海区,由桩、导管架、导管架端帽、甲板组块及生活区组块组成,平台结构如图1所示。桩穿过导管腿打入海底,桩同导管腿内侧之间灌有高强混凝土,以保证桩同导管腿之间协调变形。由于平台冰振严重,在四个导管腿的潮差段处又设了正倒锥体以减轻冰振反应。通常浅海导管架式海洋平台结构的质量大部分集中在上部组块,上部组块的质量与下部导管架的质量比在3～6之间,上部组块的整体刚度较好,所以在计算分析时,导管架式海洋平台结构可以简化为单自由度结构进行计算,如图2所示。JZ20-2MUQ平台生活区组块和设备层组块的总质量约为2700t,导管架及桩的质量约为500t;根据实测结果,平台结构的基频取为0.87Hz,结构的第一振型阻尼比为4%。在平台的导管架端帽与甲板层之间设置磁流变阻尼隔震层,如图2和3所示。设置隔震层后平台结构的计算模型如图4所示。2试验模型的基本组成2.1模型总质量和高度海洋平台结构磁流变阻尼隔震模型振动台试验,采用JZ20-2MUQ海洋平台结构的物理相似比为1∶10的模型进行试验,如图5所示。模型总质量为m=5500kg,总高度为H=6.46m。按单自由度结构进行系统识别,通过扫频得到模型的自振频率为ω=3.61Hz,反推其剪切刚度为k=2829.7kN/m,阻尼比为ζ=2.7%,阻尼系数为c=5.3438kN/m。2.2taft波和天津波对海洋平台试验模型分别输入三种地震波加速度进行试验分析:ElCentro波峰值加速度为95gal和220gal,时间相似比为1∶2;Taft波峰值加速度为100gal和170gal,时间相似比为1∶1.54;天津波峰值加速度为95gal和210gal,时间相似比为1∶5。在试验中为了考虑结构在最不利条件下的反应,时间相似比根据结构的最大反应确定。3抗雨装置的性能3.1本构模型的参数计算中将磁流变阻尼隔震结构简化为两自由度结构,如图6所示。基本参数为:m1=600kg,k1=2611.5kN/m,c1=5.3438kNs/m,m2=4900kg,k2和c2需要根据橡胶垫的试验性能确定,由厂家提供,见表1。根据模型结构的基本参数进行隔震设计,放置4个叠层橡胶垫于隔震层,如图7所示。根据厂家给定参数,隔震垫阻尼比取为ζ=5%,阻尼系数为c2=10.647kNs/m。通过扫频分析,得到不设置磁流变阻尼器的隔震结构的基频为2.1Hz,隔震层刚度与下部结构刚度之比约为k2=0.2k1。3.2试验结果分析对两个磁流变阻尼器分别进行频率为0.1Hz的性能试验,位移控制荷载采用幅值为5mm和10mm的正弦波,试验结果如图8-9所示。两个磁流变阻尼器虽然型号相同,但是性能差别较大,最大控制力相差近一倍,因此在试验中对两个阻尼器输入的控制电流也相应调整。4控制方案4.1拟粘滞模型控制对平台结构进行阻尼隔震控制,阻尼器的滞回模型采用以下几种方式:1)零电场作用下阻尼器的拟粘滞型滞回模型被动控制;2)满电场作用下阻尼器的拟粘滞型滞回模型被动控制;3)拟粘滞模型半主动控制。半主动控制规则如下:半主动控制流程图如图10所示。4.2加速度传感器试验中采用如下仪器:17个通道滤波器一个,位移传感器6个,加速度传感器13个,工控机两台,分别用于数据采集和阻尼器电压输出。传感器作用位置如图11所示。最优控制权矩阵为:,R=6×10-12,最优控制力的最大值为1.7319t。5结构加速度分析海洋平台模型结构试验结果以ElCentro波大震为例在这里给出,如图12所示,结构反应的最大值列于表2中。从试验和仿真的结果可以得出以下结论:不同控制方法的试验结果趋势与理论相符,Passiveoff控制的结构甲板层加速度和导管架端帽的位移控制效果较好,但对隔震层的位移控制效果稍差;Passiveon控制的隔震层位移效果较好,但对甲板层加速度和导管架端帽位移控制效果稍差;半主动控制对结构的控制效果最好。试验结果与数值分析有一些偏差,主要表现在试验结果的导管架端帽位移偏小,甲板加速度偏大,隔震层层间变形偏大。分析主要有以下原因:两个阻尼器的控制力有一定差别,致使隔震层受力不平衡,上部隔震结构发生轻微扭转;试验结构并不是简单的单自由度模型,在数值分析中高阶成分没有考虑;加速度反馈对顶层加速度和导管架端帽加速度进行反馈,与真实情况有些差异;磁流变阻尼器存在迟时,响应有滞后现象,阻尼器的控制力并不能完全跟上结构最优控制力的信号。6结构的相对位移对比本文对1∶10比例的导管架式海洋平台模型结构进行磁流变阻尼隔震的振动台试验研究。分别进行了三种地震波各两种加速度峰值共六种工况的地震作用试验,得到了以下结论:1)模型结构的试验结果与数值分析结果比较接近,基本属于单自由度结构。2)磁流变阻尼器Passiveoff控制的结构甲板层加速度和导管架端帽的位移效果较好,但对隔震层的位移控制效果稍差;Passiveon控制的隔震层位移效果较好,但对甲板层加速度和导管架端帽位移的控制效果稍差;半主动控制对试验结构的控制效果最好,对几种指标都有比较好的控制效果。3)两个磁流变阻尼器的相对位移不同,主要是由于它们的最大控制力不同,造成了