王巍巍，周 雷，周道成

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽 300451；2.大連理工大學(xué)，大連 116034)

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基于振動檢測的海洋平臺結(jié)構(gòu)安全快速評估方法

王巍巍1，周 雷1，周道成2

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 塘沽 300451；2.大連理工大學(xué)，大連 116034)

基于振動檢測數(shù)據(jù)識別結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)，計算得到現(xiàn)役平臺結(jié)構(gòu)與原始平臺結(jié)構(gòu)廣義剛度的變化，實現(xiàn)對平臺結(jié)構(gòu)快速安全評估，借鑒土木工程地震損傷評估的研究成果，建立安全等級劃分的標準，算例表明該方法可行，可實現(xiàn)利用振動檢測手段對在役海洋平臺結(jié)構(gòu)進行快速安全檢杳。

振動檢測；參數(shù)識別；安全評估；置信度

近年來，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，實踐中開始采用便攜式無損檢測技術(shù)，該技術(shù)采用觀測數(shù)據(jù)檢波器前置數(shù)字化后的無線通訊傳輸技術(shù)，不再使用測試信號有線傳輸線纜，同時根據(jù)振動測試的加速度信息，可以計算結(jié)構(gòu)整體模態(tài)參數(shù)。但是，常規(guī)的振動檢測方法需要完備的測量數(shù)據(jù)并識別出完整的振型，這就增加了應(yīng)用的難度，并且需要工程人員有較強的專業(yè)背景，不利于該方法的推廣。因此，提出一種直接基于振動檢測數(shù)據(jù)識別結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)(振型和頻率)進行快速結(jié)構(gòu)安全評估的方法[1-2]。

1 原理

平臺結(jié)構(gòu)整體承載能力與結(jié)構(gòu)整體剛度密切相關(guān)，當(dāng)平臺結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)損傷時，該平臺局部的結(jié)構(gòu)剛度降低，引起平臺結(jié)構(gòu)的整體剛度降低。基于振動檢測的平臺結(jié)構(gòu)安全評估方法通過對平臺結(jié)構(gòu)整體損傷指數(shù)的變化進行檢測，從而實現(xiàn)對平臺整體結(jié)構(gòu)狀況的評估。

1.1 損傷指數(shù)定義及計算

在該方法中將損傷結(jié)構(gòu)指數(shù)定義為：服役損傷平臺結(jié)構(gòu)第n階振型廣義剛度與未損傷平臺結(jié)構(gòu)第n階振型廣義剛度的變化率，也即是

(1)

式中：Kdn——損傷結(jié)構(gòu)第n階振型廣義剛度；

Kfn——未損傷平臺結(jié)構(gòu)第n階振型廣義剛度。

根據(jù)結(jié)構(gòu)固有頻率計算原理，經(jīng)整理可得

(2)

(3)

式中：ωdn，ωfn——損傷平臺結(jié)構(gòu)和未損傷平臺結(jié)構(gòu)的第n階結(jié)構(gòu)固有頻率；

Mdn，Mfn——損傷結(jié)構(gòu)和未損傷結(jié)構(gòu)第n階振型對應(yīng)的結(jié)構(gòu)廣義質(zhì)量。

(4)

(5)

式中：Md和Mf分別為損傷平臺結(jié)構(gòu)和未損傷平臺結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣，可依據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制造和安裝(DFI)數(shù)據(jù)，以及平臺服役過程中設(shè)備、結(jié)構(gòu)變化(質(zhì)量變化)數(shù)據(jù)建立平臺結(jié)構(gòu)的有限元計算模型進行質(zhì)量矩陣提取獲得；當(dāng)使用過程沒有設(shè)備、結(jié)構(gòu)變化(質(zhì)量變化)，則Md和Mf相等；

當(dāng)平臺結(jié)構(gòu)完好沒有損傷時，Kdn和Kfn相等，平臺整體損傷指數(shù)等于零；當(dāng)平臺結(jié)構(gòu)損傷嚴重時，Kdn越小，平臺整體損傷指數(shù)越大；平臺結(jié)構(gòu)整體承載能力與結(jié)構(gòu)整體剛度密切相關(guān)，當(dāng)平臺結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)損傷時，則該局部的平臺結(jié)構(gòu)剛度降低，從而平臺結(jié)構(gòu)的整體剛度降低，因此，結(jié)構(gòu)承載能力也降低，根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)整體損傷指數(shù)計算公式，可知結(jié)構(gòu)整體剛度變化，則平臺結(jié)構(gòu)整體損傷指數(shù)也隨之變化。

平臺結(jié)構(gòu)固有頻率和振型都可以通過在平臺上布置加速度傳感器通過其測試數(shù)據(jù)識別獲得，所有涉及的中間參數(shù)都可以通過計算獲得。因此可以通過此步驟獲得平臺的損傷指數(shù)[3]。

1.2 具體步驟

第1步。建立未損傷結(jié)構(gòu)的有限元模型，作為基準有限元結(jié)構(gòu)模型。未損傷結(jié)構(gòu)指剛投入運營時的平臺結(jié)構(gòu)。理想狀態(tài)是根據(jù)設(shè)計完工資料進行建模，然后及時進行振動檢測，根據(jù)檢測結(jié)果對模型進行修正，得到接近真實的基準模型。

第3步。對服役損傷平臺結(jié)構(gòu)的整體安全狀態(tài)進行評估。之前先根據(jù)計算模態(tài)置信度矩陣的方法確定最合適的振型用以評估，文中以第n階振型代替，確定后就可以計算損傷指數(shù)[4]。

2 評估等級標準

2.1 損傷平臺結(jié)構(gòu)整體安全等級定性劃分標準

A級。平臺結(jié)構(gòu)整體安全符合安全標準，結(jié)構(gòu)基本完好，沒有損傷，即使有損傷也不影響整體承載力，可能有個別構(gòu)件應(yīng)采取措施。

B級。結(jié)構(gòu)有輕微損傷，但這些損傷不顯著影響整體承載力，可能有極少數(shù)構(gòu)件應(yīng)采取措施。

C級。結(jié)構(gòu)有中度損傷，顯著影響整體承載力，應(yīng)采取措施，且可能有少數(shù)構(gòu)件必須立即采取措施。

D級。結(jié)構(gòu)有嚴重損傷，嚴重影響整體承載力，必須立即采取措施。

2.2 損傷平臺結(jié)構(gòu)整體安全等級定量劃分標準

假設(shè)存在這樣一種結(jié)構(gòu)體系,其具有的結(jié)構(gòu)整體承載能力，也即是平臺整體損傷指數(shù)恰好剛剛能夠達到某一分級臨界標準值，例如，Ds0為A級與B級分級臨界標準值,則稱此結(jié)構(gòu)為A級“理想臨界結(jié)構(gòu)”。同樣,可以定義出B級和C級“理想臨界結(jié)構(gòu)”。設(shè)平臺結(jié)構(gòu)體系的儲備強度系數(shù)為Ds,而A級理想臨界結(jié)構(gòu)的儲備強度系數(shù)為DsA,B級為DsB,C級為DsC,則平臺結(jié)構(gòu)安全性的等級劃分標準列入表1。

表1 平臺結(jié)構(gòu)體系安全分級標準

盡管海洋平臺結(jié)構(gòu)地震損傷研究處于空白，但是建筑結(jié)構(gòu)地震損傷已有大量研究，對不同地震損傷進行分級，提出地震損傷指數(shù)來定量的描述不同的地震損傷，將與之相關(guān)的研究結(jié)果列入表2。參考表2中的結(jié)果和基于體系可靠度的平臺結(jié)構(gòu)整體安全等級劃分標準[5-9]，考慮基于振動檢測海洋平臺結(jié)構(gòu)安全評定是為了確定是否進行定量檢測進行詳細安全評定的目的，確定平臺結(jié)構(gòu)體系安全定量分級標準見表3。

她是你的煞星！你要做的，是將刀插入她的心臟！不能再繼續(xù)猶豫和顧慮，這只會讓你更加得軟弱，更加得無法握住刀柄！

表2 不同震害等級損傷指數(shù)取值范圍

表3 基于平臺整體損傷指數(shù)的結(jié)構(gòu)體系安全分級標準

3 數(shù)值算例

3.1 基準模型

對JZ20-2MUQ平臺進行基于該方法的評估，該平臺四腿導(dǎo)管架平臺，上部組塊有4層，另外還有一個3層的生活樓，生活樓頂部為直升機甲板，見圖1。

圖1 JZ20-2MUQ平臺示意圖

利用大型有限元軟件Ansys建立基準有限元結(jié)構(gòu)模型(見圖2)，并根據(jù)新建結(jié)構(gòu)實測信息修正基準有限元結(jié)構(gòu)模型作為未損傷結(jié)構(gòu)的基準有限元結(jié)構(gòu)模型。

根據(jù)模型提取結(jié)構(gòu)的基準有限元結(jié)構(gòu)模型以Kf和Mf表示，即未損傷結(jié)構(gòu)的剛度矩陣Kf和未損傷結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣Mf，并計算基準有限元結(jié)構(gòu)模型的第i階頻率和振型ωfi和φfi，前5階頻率和振型數(shù)據(jù)列入表4和表5。

圖2 有限元模型

表4 基準有限元模型計算的前5階模態(tài)頻率

表5 基準有限元結(jié)構(gòu)模型提取的前5階振型模態(tài)階數(shù)

3.2 在役導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)振動測試與模態(tài)參數(shù)識別

振動測試測點布置在平臺帶纜走道附近4個和底層甲板附近4個主樁腿節(jié)點上，總計8個測點位置，總共安裝8個傳感器，傳感器布置方案如圖3所示。

圖3 傳感器布置方案示意

本次現(xiàn)場振動測試共采集到大量數(shù)據(jù)用于結(jié)構(gòu)模態(tài)計算分析，識別的前5階模態(tài)頻率和階數(shù)見表6、7。

表6 各段數(shù)據(jù)識別的前5階模態(tài)頻率 Hz

3.3 導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)整體安全評估

應(yīng)用已獲得的檢測信息識別的頻率和振型，基于測試測點對修正有限元模型進行相應(yīng)自由度振型提取，見表4。根據(jù)測量識別振型和有限元模型提取振型計算模態(tài)置信度矩陣(見表8)可得第2階識別結(jié)果是最可信的振型。因此，采用結(jié)構(gòu)第2階頻率和第2階振型來計算結(jié)構(gòu)的整體損傷指數(shù)。基于測點信息對修正有限元模型進行相應(yīng)自由度的縮聚，縮聚為8個節(jié)點24個自由度的結(jié)構(gòu)，獲得24乘24階的質(zhì)量矩陣。在此期間結(jié)構(gòu)質(zhì)量沒有明顯的變動，因此，采用相同的質(zhì)量矩陣計算結(jié)構(gòu)的整體損傷指數(shù)。根據(jù)前述方法計算該結(jié)構(gòu)的整體損傷指數(shù)為0.033。根據(jù)基于平臺整體損傷指數(shù)的結(jié)構(gòu)體系安全分級標準，可知結(jié)構(gòu)平臺結(jié)構(gòu)整體安全符合安全標準對A級的要求，結(jié)構(gòu)基本完好，沒有損傷，即使可能有個別構(gòu)件存在損傷也不影響整體承載力。根據(jù)局部定量檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)沒有發(fā)現(xiàn)損傷，與安全評估結(jié)果基本一致。

表7 識別的前5階振型模態(tài)階數(shù)

表8 模態(tài)置信度矩陣

4 結(jié)論

1)直接通過診斷振動檢測數(shù)據(jù)識別結(jié)構(gòu)參數(shù)進行平臺結(jié)構(gòu)的安全評定，克服了一般振動檢測損傷識別要求完整的振動及完備測量的缺點，對實際工程應(yīng)用中環(huán)境激勵、噪聲影響等不敏感，原理簡單、計算快捷及實用性好，便于實際應(yīng)用。

2)開創(chuàng)性的將在建筑結(jié)構(gòu)地震損傷評定中采用的損傷指數(shù)判斷方法應(yīng)用于海洋平臺結(jié)構(gòu)的安全評定中，結(jié)合便攜式振動檢測儀系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)，使得對在役海洋平臺結(jié)構(gòu)進行快速安全評估成為可能，豐富了平臺結(jié)構(gòu)完整性評估和管理的方法，也可用于平臺結(jié)構(gòu)的災(zāi)后快速評估和診斷。

3)通過比較損傷結(jié)構(gòu)廣義剛度矩陣和未損傷結(jié)構(gòu)的廣義剛度矩陣得到的整體損傷指數(shù)，因此該方法在應(yīng)用時需要有基準的有限元結(jié)構(gòu)模型，建議平臺建設(shè)初期進行基線振動測量，為后期平臺采用該方法進行結(jié)構(gòu)完整性評估和管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

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A Fast Structural Safety Assessment Method for Offshore Platform Based on Vibration Detection

WANG Wei-wei1, ZHOU lei1, ZHOU Dao-cheng2

(1.Offshore Oil Engineering Co. Ltd, Tianjin 300451, China;2.Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116034, China)

A fast structural safety assessment method for offshore fixed platform was set forth, which identifies structural modal parameters and calculates the difference of generalized stiffness matrix between the in-service structure and the original structure based on the vibration detection data directly. The earthquake damage assessment research achievements in civil engineering were consulted to create the grading standard of structural safety assessment. The numerical example proved the feasibility of this method. The presented method is able to use the vibration detection to achieve rapid safety inspection for offshore platform structures.

vibration detection; parameter identify; safety assessment; degree of confidence

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.040

2016-03-02

中國海洋石油總公司科技項目(CNOOC-KJ 125 ZDXM 05 GC 00 GC 2014-02)

王巍巍(1983—)，男，碩士生，工程師

U674.38

A

1671-7953(2016)05-0161-05

修回日期：2016-03-18

研究方向:海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計及安全評估

E-mail:wangww@mail.cooec.com.cn