一种海洋工程结构冰激频率锁定振动抑制装置及海洋结构的制作方法

本发明涉及海洋工程技术，尤其涉及一种海洋工程结构冰激频率锁定振动抑制装置及海洋结构。

背景技术：

在结冰海域，海冰在风和海流的作用下会发生漂移运动。运动的海冰与固定的海洋结构如海洋平台，风电基础以及灯塔等发生作用时，海冰破碎导致的冰荷载会导致结构的振动。冰激振动是对冰区海洋结构的一个主要危害。美国阿拉斯加、俄罗斯萨哈林以及我国渤海的石油平台、北欧的灯塔、航标都曾发生过严重的冰激振动事故。最危险的冰激振动发生在冰速比较慢的条件下。此时冰的破碎与结构的振动过程发生耦合作用，冰荷载频率与结构振动频率形成特殊的锁定现象，结构发生持续的稳态振动。iso19906标准中将这种振动称为频率锁定振动。

结构频率锁定振动主要发生在桩腿或者外表面是直立平面或者圆柱表面的海洋结构上。即结构的桩腿为直立圆柱形式或者为竖直平面。根据发明人的研究成果，当海冰以较慢的速度与海洋结构直立外表面发生作用时，海冰的挤压破碎过程是一种韧性断裂。韧性断裂过程可以分为损伤和破碎两个阶段。在损伤阶段海冰内部出现裂纹，荷载增加但冰不会发生断裂；在破碎阶段，裂纹达到饱和导致海冰破碎，荷载降低。韧性断裂有两个主要特征，一是海冰与结构接触表面发生海冰的损伤与破碎具有同时性。二是在韧性断裂过程中，海冰与结构接触表面形成韧性损伤区，韧性损伤区具有特定的长度，每次海冰的断裂在韧性损伤区发生，具有特定的长度，现场测量发现损伤区和破碎长度应该小于5cm。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对目前海洋平台、海上风电基础、桥墩、灯塔等结构在海冰作用下易发生频率锁定振动的问题，提出一种海洋工程结构冰激频率锁定振动抑制装置，该装置能改变结构表面与海冰接触的形式，进而改变海冰的挤压破碎形式，避免因为海冰同步破碎而导致的周期性冰荷载，进而消除冰激结构频率锁定振动。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种海洋工程结构冰激频率锁定振动抑制装置，包括设置在直立或者接近直立的海洋结构外表面上，潮差带范围内的凸起。所述潮差带高度为5-9米。

进一步地，所述凸起为三角锥、四棱锥、螺旋三角梁、圆锥和倾斜的三角短梁中的一种或多种的组合。

进一步地，所述凸起为具有防腐性能的钢材凸起或者混凝土等建筑拆料凸起。

进一步地，所述凸起装置均匀或者随机分布在海洋结构外表面，垂直方向上需要覆盖潮差带，在水平方向上沿着周长方向360度布置。

进一步地，上下临近的两排凸起的垂直距离不大于可引起海洋结构振动的海冰厚度。以保证海冰与海洋结构接触位置被凸起装置所覆盖，避免海冰完全与直立海洋结构表面发生接触破坏。优选的，所述上下临近的两排凸起的垂直距离不大于5cm。

进一步地，所述凸起的高度为1-5cm，根据不同地区冰厚不同进行针对性设计。

本发明海洋工程结构冰激频率锁定振动抑制装置的工作原理：本发明在海洋结构外表面与冰接触位置添加三角锥或者圆锥、倾斜棱锥等附属结构，附属结构将首先与海冰发生局部接触，在冰的截面位置造成局部破坏。本发明所提出的附属结构将扰乱韧性损伤区的生成，避免海冰的同时破碎，避免海冰破碎与结构位移耦合作用发生。进而避免频率锁定振动发生。

本发明的另一个目的还公开了一种海洋结构，该海洋结构外表面上、潮差带范围内设置有上述海洋工程结构冰激频率锁定振动抑制装置。

进一步地，所述海洋结构横截面为圆形、矩形或椭圆形。只要海洋结构外表面垂直或者接近垂直于水平面，本发明均适用。

进一步地，所述海洋结构包括但不限于海洋平台导管架桩腿、海上风电基础结构、桥墩或灯塔。

本发明为一种可以消除海洋平台、海上风电基础、桥墩、灯塔等结构在海冰作用下发生频率锁定振动的结构抗冰措施，与现有技术相比较具有以下优点：

1)、海冰在风和海流的作用下，会在海面上发生运动。其运动速度范围可以从静止到1米/秒左右。当海冰低速与直立海洋结构发生作用时，海冰形成特殊的同时破碎现象，该现象将导致海冰破碎与结构运动耦合，进而发生结构强烈的频率锁定振动现象。频率锁定振动是结冰海域工程结构最危险的控制工况。本发明内容中在结构表面设置不同的凸起方案，可以有效破坏海冰的同时破碎现象。避免海冰破碎与结构振动的耦合。进而消除结构频率锁定振动。使得工程结构设计更加科学；

2)、本发明的结构表面凸起方案，不会显著增加结构的几何尺寸，因此不会显著增加作用在结构上的冰荷载。使结构设计需要抵御的荷载保持在合理范围内，可以有效降低结构成本。

3)、本发明提出的结构表面设置凸起的抗冰方案，避免了常用的抗冰锥体方案。在结构表面增加抗冰锥体，会增大结构在水面位置的几何尺寸，将显著增加作用在结构上的波浪荷载。因此与传统的抗冰锥体方案相比，本发明方案不会增加作用在结构上的波浪荷载。使结构基础设计更加经济安全。

4)、本发明的加装凸起方案，更有利于海洋结构的运输和安装。结构上安装的破冰锥体，下水过程中会增加结构的浮力，降低结构安装过程中的稳性。本发明避免了抗冰锥体使得结构更容易安装。

5)、本发明的抗冰方案由于避免了加装抗冰锥体，将直接降低结构的用钢量。以标准的海上风电基础为例，每个抗冰锥体需要钢材100吨以上。本发明对每台风机将直接减少该部分钢材，节省结构建造成本。

6)、本发明的结构表面加装凸起的抗冰方案，凸起装置可以直接采用普通钢材，具有用料简单，加工容易的特点。不会显著增加结构的建造成本。与传统的加装锥体方案相比，加工、制造更加简单，高效，工期短。

附图说明

图1为实施例1海洋工程结构冰激频率锁定振动抑制装置的结构示意图；

图2为实施例2海洋工程结构冰激频率锁定振动抑制装置的结构示意图；

图3为实施例3海洋工程结构冰激频率锁定振动抑制装置的结构示意图；

图4为实施例4海洋工程结构冰激频率锁定振动抑制装置的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明：

实施例1

本实施例公开了一种海洋工程结构冰激频率锁定振动抑制装置，其结构如图1所示，包括设置在直立海洋结构外表面上、潮差带范围内的凸起。

所述海洋结构为直立海洋结构桩腿1，所述桩腿1横截面为圆形，所述海洋结构还可以为海洋平台导管架桩腿、海上风电基础结构、桥墩、灯塔。

所述凸起为四棱锥2，所述四棱锥2的高度为3.5cm，还可根据不同地区冰厚不同进行针对性设计。本实施例四棱锥2采用具有防腐性能的钢材制备而成，通过焊接布置在海洋结构表面。

所述四棱锥状凸起均匀分布在桩腿1外表面，垂直方向上覆盖潮差带，在水平方向上沿着周长方向360度布置。上下临近的两排凸起的垂直距离不大于可引起海洋结构振动的海冰厚度。以保证海冰与海洋结构接触位置被凸起装置所覆盖，避免海冰完全与直立海洋结构表面发生接触破坏。本实施例中上下临近的两排凸起的垂直距离不大于5cm。

本实施例主要采用在结构表面增加凸起的形式，改变冰与结构接触作用面上的接触形式，达到破坏冰的同时破碎行为，避免冰的破碎与结构振动耦合，进而消除结构冰激频率锁定振动的效果。该破冰凸起装置形式可以在海洋平台结构、海洋风电结构、桥墩、灯塔等结构上应用。本实施例可采取如下实施方法：

1)整体建造后处理局部凸起装置

本发明涉及海洋结构(1)可采用常规方式完成主体结构建造。

结构主体建造完成之后，在潮差带位置加装经过设计的破冰凸起装置(2)。破冰凸起装置与主体结构的连接应该具有足够的强度以抵抗局部的冰荷载作用。避免凸起装置在海冰的作用下，发生断裂损坏。

2)预制带凸起装置的局部结构，再进行总体建造

在分块进行建造的大型海工结构中，首先将潮差带位置的局部结构进行预制。在局部结构预制的环节将凸起破冰装置安装在局部结构上。

局部结构预制完成并加装破冰凸起装置后，按照正常程序完成结构整体制造。

实施例2

本实施例公开了一种海洋工程结构冰激频率锁定振动抑制装置，其结构如图2所示，包括设置在直立海洋结构外表面上、潮差带范围内的凸起。

所述海洋结构与实施例1相同，均为直立圆柱体。

所述凸起为螺旋三角梁3，所述螺旋三角梁3的高度为4cm，还可根据不同地区冰厚不同进行针对性设计。本实施例螺旋三角梁3采用具有防腐性能的钢材制备而成，通过焊接布置在海洋结构表面。

所述螺旋三角梁3均匀分布在桩腿1外表面，垂直方向上覆盖潮差带，在水平方向上沿着周长方向360度布置。上下临近的两排凸起的垂直距离不大于可引起海洋结构振动的海冰厚度。以保证海冰与海洋结构接触位置被凸起装置所覆盖，避免海冰完全与直立海洋结构表面发生接触破坏。本实施例中上下临近的两排凸起的垂直距离为4cm。

实施例3

本实施例公开了一种海洋工程结构冰激频率锁定振动抑制装置，其结构如图3所示，包括设置在直立海洋结构外表面上、潮差带范围内的凸起。

所述海洋结构与实施例1相同，均为直立圆柱体。

所述凸起为圆锥4，所述圆锥4的高度为5cm，还可根据不同地区冰厚不同进行针对性设计。本实施例所述圆锥4采用具有防腐性能的钢材制备而成，通过焊接布置在海洋结构表面。

所述圆锥4均匀分布在桩腿1外表面，垂直方向上覆盖潮差带，在水平方向上沿着周长方向360度布置。上下临近的两排凸起的垂直距离不大于可引起海洋结构振动的海冰厚度。以保证海冰与海洋结构接触位置被凸起装置所覆盖，避免海冰完全与直立海洋结构表面发生接触破坏。本实施例中上下临近的两排凸起的垂直距离为3cm。

实施例4

本实施例公开了一种海洋工程结构冰激频率锁定振动抑制装置，其结构如图4所示，包括设置在直立海洋结构外表面上、潮差带范围内的凸起。

所述海洋结构与实施例1相同，均为直立圆柱体。

所述凸起为螺旋三角凸起5(也称倾斜的三角短梁)，所述螺旋三角凸起5的高度为3cm，还可根据不同地区冰厚不同进行针对性设计。本实施例所述螺旋三角凸起5采用具有防腐性能的钢材制备而成，通过焊接布置在海洋结构表面。

所述螺旋三角凸起5均匀分布在桩腿1外表面，垂直方向上覆盖潮差带，在水平方向上沿着周长方向360度布置。上下临近的两排凸起的垂直距离不大于可引起海洋结构振动的海冰厚度。以保证海冰与海洋结构接触位置被凸起装置所覆盖，避免海冰完全与直立海洋结构表面发生接触破坏。本实施例中上下临近的两排凸起的垂直距离为2cm。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构形式、数量、设置位置、连接方式都是可以有所变化，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。