一种可模拟自升式平台桩基础和桩腿刚度弱化的方法技术

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。

【技术实现步骤摘要】
一种可模拟自升式平台桩基础和桩腿刚度弱化的方法
：本专利技术涉及一种应用于海洋工程结构监测
中的方法。
技术介绍
：海洋工程结构长期服役在恶劣的海洋环境中，并受到各种载荷的交互作用，如风载荷、海流、波浪等，有时还受到地震、台风、海啸、船舶碰撞等意外灾害，结构本身还要遭受环境腐蚀、海洋生物附着、海底冲刷等影响的作用。在这些恶劣载荷环境长期作用下，容易产生各种损伤，降低结构的承载能力，除此之外，随着海洋石油工业的迅猛发展，越来越多的海洋平台投入使用，同时也有许多现役平台已经接近甚至超过设计寿命，为了确保结构的完整性及安全性，保证人员的生命安全及海上石油的顺利开发生产，保护巨额投资以及防止海洋环境污染，必须对结构进行再评估。但是，目前平台监测不但费用高，易受气候、海况等因素的影响，而且监测结果无法与平台损伤位置和程度形成映射关系。如果能事先在一个与自升式平台具有相似特性的模型上进行测试，对设定的某种结构损伤，通过测试装置可得到相应的响应数据，于是可建立不同损伤与响应的对应关系。最后通过相似比可以将得到的映射关系应用于平台原型的损伤分析中。但现有技术中还没有这样的模拟和测试装置以及模拟方法。
技术实现思路
：为了解决
技术介绍
中所提到的技术问题，本专利技术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，利用该方法，可以对升式平台桩基础和桩腿刚度弱化进行模拟，从而为实际测试分析提供理论依据。本专利技术的技术方案是：该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/λ1/2(3)式中，t为实验环境周期，T为实际环境周期；ut＝Ut/λ1/2(4)式中，ut为实验环境极端工况下的设计风速，Ut为实际环境极端工况下的设计风速；A＝AS/λ2(5)式中，A为实验环境承风面积，AS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ut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＝0.613×103ut2(6)F＝ChCSAP(7)式中：P为风压，kPa；F为风载荷，kN；Ch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；CS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ux：水质点z方向的速度uz：水质点x方向的加速度ax：水质点z方向的加速度az：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Ux用以下公式确定：Ux＝ux-ex(exux+ezuz)(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，CD为水平拖拽力系数；CM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＝kx-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：FH＝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(FH)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1m本文档来自技高网...

【技术保护点】
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

【技术特征摘要】
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/λ1/2(3)式中，t为实验环境周期，T为实际环境周期；ut＝Ut/λ1/2(4)式中，ut为实验环境极端工况下的设计风速，Ut为实际环境极端工况下的设计风速；A＝AS/λ2(5)式中，A为实验环境承风面积，AS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ut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＝0.613×103ut2(6)F＝ChCSAP(7)式中：P为风压，kPa；F为风载荷，kN；Ch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；CS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ux：水质点z方向的速度uz：水质点x方向的加速度ax：水质点z方向的加速度az：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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王维刚，陶京，闫天红，赵海峰，吴泽民，刘金梅，徐爽，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23