[发明专利]一种可模拟自升式平台桩基础和桩腿刚度弱化的方法

摘要

一种可模拟自升式平台桩基础和桩腿刚度弱化的方法。主要目的在于提供一种可模拟自升式平台桩基础和桩腿刚度弱化的方法，为平台结构健康监测损伤识别提供实验依据和技术支撑。其特征在于：所述方法包括：根据自升式海洋平台模型的比例，按相似比准则将特定海域的实际海洋环境载荷的参数转换为实验环境数据参数；计算作用在自升式海洋平台上的最大环境载荷；根据自升式海洋平台模型的比例，将计算得到的桩基础的弹簧刚度转化为等效模型弹簧刚度；准备4组不同弹簧刚度和4组不同壁厚的桩腿通过不同组合方式来模拟自升式平台桩基础和桩腿刚度弱化；将得到的实验环境数据参数输入到计算机系统内，经过振动敲击试验后得到不同组合方式下的整体平台的模态参数，进过比较得到结构弱化对平台模态参数的影响。

主权项

1.一种可模拟自升式平台桩基础和桩腿刚度弱化的方法，该方法包括以下步骤：第一步，按照自升式平台模型的相似比准则，按线性比例尺λ＝80，依据公式(1)‑(5)将特定海域的实际环境参数转化为实验环境数据参数；d＝D/λ                        (1)式中，d为实验环境水深，D为实际环境水深；h＝H/λ                       (2)式中，h为实验环境波高，H为实际环境波高；t＝T/λ^1/2                    (3)式中，t为实验环境周期，T为实际环境周期；u_t＝U_t/λ^1/2                    (4)式中，u_t为实验环境极端工况下的设计风速，U_t为实际环境极端工况下的设计风速；A＝A_S/λ²                (5)式中，A为实验环境承风面积，A_S为实际环境承风面积；第二步，根据第一步中得到的实验环境极端工况下的设计风速u_t和实验环境承风面积A，利用公式(6)‑(7)求解作用在自升式平台模型上的最大风载荷以及实验环境水深d、实验环境波高h、t为实验环境周期t、海水密度ρ；利用Stokes五阶波理论和修正的Morison方程求取作用在自升式平台模型上的最大水平波浪力；P＝0.613×10³u_t²                    (6)F＝C_hC_SAP                   (7)式中：P为风压，kPa；F为风载荷，kN；C_h为受风构件的高度系数，其值可根据构件型心至水面的高度确定；C_S为受风构件的形状系数；A为受风构件的正投影面积，m²；具体求取路径如下：1)定义系数，首先自定义系数c和s：c＝cosh(kd)             (8)s＝sinh(kd)            (9)式中，k为波数；d为水深，然后由c和s定义以下系数：c₁＝(8c⁴‑8c²+9)/(8c⁴)       (11)c₂＝(3840c¹²‑4096c¹⁰+2592c⁸‑1008c⁶+5944c⁴‑1830c²+147)/[512s¹⁰(6c²‑1)]     (12)B₂₂＝[(2c²+1)c]/(4s³)       (13)B₂₄＝[(272c⁸‑504c⁶‑192c⁴+322c²+21)c]/(384s⁹)   (14)B₃₃＝[3(8c⁶+1)]/(64s⁶)       (15)B₃₅＝(88128c¹⁴‑208224c¹²+70848c¹⁰+54000c⁸‑21816c⁶+6264c⁴‑54c²‑81)/[12288s¹²(6c²‑1)]    (16)B₄₄＝[(768c¹⁰‑488c⁸‑48c⁶+48c⁴+106c²‑21)c)]/[384s⁹(6c²‑1)]    (17)B₅₅＝(192000c¹⁶‑262720c¹⁴+83680c¹²‑20160c¹⁰‑7280c⁸+7160c⁶‑1800c⁴‑1050c²+225)/[12288s¹⁰(6c²‑1)(8c⁴‑11c²+3)]    (18)λ₁＝λ                (19)λ₂＝λ²B₂₂+λ⁴B₂₄       (20)λ₃＝λ³B₃₃+λ⁵B₃₅          (21)λ₄＝λ⁴B₄₄               (22)λ₅＝λ⁵B₅₅         (23)式中，λ为系数，g为重力加速度，取9.8；2)根据步骤1)所得到的系数，选用Stokes五阶波理论，以沿波浪传播的水平方向为x方向，垂直方向为z方向，垂直x的方向为y方向，确定单个桩腿上的水质点特性参数：水质点速度V：水质点x方向的速度u_x：水质点z方向的速度u_z：水质点x方向的加速度a_x：水质点z方向的加速度a_z：波面高度η：系数λ和波长L,可通过以下两式运用迭代逼近法得出：λ＝πH/{L[1+λ²+λ⁴(B₃₅+B₅₅)]}       (30)L＝gT²tanh(kd)(1+λ²c₁+λ⁴c₂)/2π     (31)k＝2π/L        (32)式中，ω为圆频率，ω＝2π/T；3)根据步骤2)所得到的水质点特性参数，运用修正的Morison方程，求解单个桩腿上的水平波浪力；规定，桩腿与z方向的夹角用表示，与自升式平台的x方向夹角用ψ表示；假设水平波浪力作用于自升式平台模型的x方向，则沿桩腿或等效桩柱轴线的单位矢量在三个坐标轴上的投影为：假设水平波浪力作用于自升式平台模型的y方向，则沿桩腿轴线的单位矢量在三个坐标轴上的投影为：水质点的速度与桩腿轴线正交的速度分量用以下公式确定：水质点的速度在x轴上的分量U_x用以下公式确定：U_x＝u_x‑e_x(e_xu_x+e_zu_z)       (40)水质点的加速度在x轴上的分量用以下公式确定：求解单个桩腿x方向单位长度的波浪力：式中，C_D为水平拖拽力系数；C_M为惯性力系数。整个桩腿在x方向的波浪力：式中，K为群柱系数；4)根据步骤3)所得到的单个桩腿x方向的波浪力，计算作用在整体自升式平台模型的水平波浪力；令θ＝k x‑ωt，计算得到的单个桩腿上的水平波浪力为θ的函数：F＝F(θ)           (44)计算整体自升式平台模型的波浪力时，要考虑到波剖面的影响，以首先正面受到波浪冲击的第一行桩腿基准，设后面的桩腿或等效桩柱与第一行桩腿间距为l，则将其相位角θ改为θ‑2πl/L，则整体自升式平台模型上的水平波浪力为：式中，r为自升式平台模型的桩腿的总个数；5)计算作用在整体自升式平台模型上的最大水平波浪力；根据步骤4)获得作用在整体导管架海洋平台模型上的水平波浪力为θ的函数：F_H＝F(θ)        (46)用MATLAB软件求出上述函数的最大值，即作用在整体自升式平台模型上的最大水平波浪力(F_H)_max；第三步，自升式平台桩基础的弹簧刚度根据公式(47)和(48)计算：K₁＝kD×2×G×B/(1‑v)         (47)K₂＝kD×16×G×B×(1‑v)/(7‑8v)       (48)式中：K₁为桩端弹簧刚度；K₂为水平弹簧的刚度；G为土壤剪切模量；B为在支撑区域的最上部有效桩靴直径；D为桩靴最大横截面到桩靴底部三角处的距离；v为泊松比；第四步，根据可模拟自升式平台桩基础和桩腿刚度弱化装置中的相似比，将第三步中获得的桩端弹簧刚度和水平弹簧的刚度转化为对应模型刚度，即为等效模型弹簧刚度，将其按照等效模型弹簧刚度的100％、90％、80％、70％准备4组桩端弹簧和水平的弹簧对，为模拟自升式海洋平台桩基础弱化准备；第五步，通过每次减少1mm的可模拟自升式平台桩基础和桩腿刚度弱化装置中的模型桩腿的壁厚来模拟桩腿弱化过程，共模拟4次，总共减少3mm；模拟部位分为左桩腿，右桩腿和首桩腿3个部位，总共5种方式进行桩腿弱化模拟；第六步，根据第四步和第五步进行模拟工况组合，桩腿损伤有1号桩腿(5)、2号桩腿(6)、3号桩腿(7)、1号桩腿(5)和3号桩腿(7)、1号桩腿(5)和2号桩腿(6)、1号桩腿(5)和2号桩腿(6)和3号桩腿(7)6种组合方式以及第五步中的4种损伤程度；1号桩腿(5)连接的桩基础称为左桩基，2号桩腿(6)连接的桩基础称为首桩基，3号桩腿(7)连接的桩基础称为右；桩基桩基损伤有左桩基、右桩基、首桩基、左桩基和右桩基、左桩基和首桩基、左桩基和右桩基和首桩基6种组合方式以及4种不同弹簧刚度桩基损伤程度，对工况进行整理得到6×4×6×4，共有576种损伤工况进行选择来模拟自升式平台桩基础和桩腿弱化；第七步，根据第六步所取得的结果选择需要进行模拟的工况，将所要模拟损伤的桩腿和桩基础刚度更换在可模拟自升式平台桩基础和桩腿刚度弱化装置中自升式平台模型对应的位置上，每次更换相应部件后都得对自升式平台各部分连接位置进行锁紧检验，检验是否松动，对平台高度进行校准以及保证平台呈现水平状态；第八步，将第二步中求取的最大风载荷和最大水平波浪力输入可模拟自升式平台桩基础和桩腿刚度弱化装置中的计算机控制单元，通过伺服驱动器装置内部处理后控制伺服电机将作用力施加在自升式平台模型船体上，经过振动敲击试验后由自升式平台模型中的振动传感器反馈回x和y方向上的振动信号，再由计算机显示单元处理后得到平台的模态频率；第九步，反复重复步骤6到步骤8得到不同损伤工况下的模态频率，再经过相似比转换为真实自升式平台的整体频率，以此来模拟自升式平台桩基础的刚度弱化和桩腿弱化过程；计算方式如公式(49)所示；f_sj＝f_ml×λ^1/2                       (49)式中，f_sj为实际响应频率，f_ml为模拟响应频率，λ＝80；λ_e为弹性模量的比例尺，λ_e＝3。