一种海工结构的等效冲刷深度预测方法及系统与流程

本发明涉及海工结构状态监测，具体涉及一种海工结构的等效冲刷深度预测方法及系统。

背景技术：

1、海工结构是指在海洋环境中用于开采能源、进行海洋工程建设或其他海上活动的各种工程结构，桩基式海工结构是其中一种常见的结构类型，主要用于海上钻探平台、海洋风力发电机组等。对于桩基式海工结构物，当海流流过海工结构物的桩基础时，桩基的存在改变了周围的局部流场，导致桩基周围发生局部冲刷。随着冲刷深度的增加，桩基在泥土中的埋置深度减小，往往会增加桩的悬臂长度，从而降低桩的基础承载力，导致结构固有频率的降低以及动力响应的增加，甚至导致结构的共振现象。因此，对海工结构的冲刷情况进行监测并准确评估冲刷对桩基结构承载力的影响，对于保障海工结构的安全运行而言具有重要的工程意义。

2、目前，对海工结构的冲刷监测主要依靠运维船利用多波束设备进行定期的冲刷深度扫测，从而获取桩周冲刷坑的演变。然而，目前对海工结构的冲刷监测手段仍具有较大的局限性，具体而言，一方面，受成本与测试条件所限，目前的监测手段只能进行定期的扫测，受天气条件制约、监测周期长、成本高，监测范围受限于运维船的活动范围，可达性差，尤其是随着海工结构的离岸距离增加，运维时间更长、成本更大，并且对运维窗口期的要求更高，给海工结构的冲刷监测带来了巨大的挑战；另一方面，不同地质条件、不同桩基尺寸的海工结构，在相同冲刷深度下的影响程度是不同的，但是目前的冲刷监测手段扫测得到的冲刷深度无法反映桩基结构真实的约束变化，导致无法准确评估冲刷对桩基结构承载力的影响，不利于对海工结构安全状态的评估。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提出了一种海工结构的等效冲刷深度预测方法及系统，旨在实现冲刷深度的实时监测，克服冲刷深度难以反映桩基结构真实约束变化的技术困难，同时提高等效冲刷深度预测的可靠性。

2、为此，本发明采用如下技术方案：一种海工结构的等效冲刷深度预测方法，包括以下步骤：

3、步骤s1，在海工结构水面以上的不同位置布置若干个加速度传感器作为测点，获取不同测点的振动加速度；

4、步骤s2，基于不同测点的振动加速度，提取海工结构的一阶频率以及在不同测点的一阶位移向量；

5、步骤s3，基于海工结构泥面以下的不同固定约束位置分别建立等效约束有限元模型，所述等效约束有限元模型用于将海工结构的桩土约束等效为基底的固定约束；

6、步骤s4，对等效约束有限元模型进行模态分析，得到等效约束有限元模型的一阶频率以及在全部测点的一阶振型向量，全部等效约束有限元模型的一阶频率以及一阶振型向量构成有限元模型数据库；

7、步骤s5，将海工结构的一阶频率以及一阶位移向量分别与有限元模型数据库中的一阶频率以及一阶振型向量进行匹配，基于匹配结果计算得到等效冲刷深度的预测值。

8、其中，一阶频率（first mode frequency）指海工结构在振动时的基本振动频率，是结构体系的固有频率，它反映了结构在振动时的基本振动特性。一阶位移指海工结构在以一阶频率为振动频率振动时的位移分量，它反映了结构在一阶频率下的振动大小。相同时刻不同位置的一阶位移的集合构成了一阶位移向量。一阶频率以及一阶位移均可反映结构的振动特性和动力响应特征。有限元模型是一种工程分析方法，用于对结构、零部件或系统进行数值分析和模拟。一阶振型（first mode shape）指海工结构在一阶频率振动时的振动模态形态。不同位置的一阶振型的集合构成了一阶振型向量。

9、本发明的技术构思为：基于冲刷会造成海工结构桩基础的约束变化，进而改变结构的振动响应特征，为此，本发明首先通过在海工结构水面以上的不同位置布置若干个加速度传感器作为测点，测量结构在风浪等海洋环境作用下的动力响应，获取不同测点的振动加速度，进而从中提取反映结构动力特征的一阶频率和一阶位移；其次，桩土约束表示泥土土体对海工结构的桩基础的约束，海工结构的桩基埋置在海床土壤中，通过与泥土土体的相互作用来承担结构的重量和外部荷载，但是桩土相互作用分析以及土体模拟的过程较为复杂，为此，本发明基于海工结构泥面以下的不同固定约束位置分别建立等效约束有限元模型，基于动力等效原则，将桩土约束等效为在泥面以下的基底的固定约束，即等效约束位置，将冲刷造成的桩周土体流失导致的桩基础真实的约束变化用等效约束位置的变化来衡量；接着，对等效约束有限元模型进行模态分析，得到等效约束有限元模型的一阶频率以及在全部测点的一阶振型向量，全部等效约束有限元模型的一阶频率以及一阶振型向量构成有限元模型数据库，即有限元模型数据库中包括一一对应的等效约束有限元模型、等效约束位置、一阶频率以及一阶振型向量，为后续预测反映冲刷引起的桩基础的约束变化的等效冲刷深度提供量化基础；最后，将海工结构的一阶频率以及一阶位移向量分别与有限元模型数据库中的一阶频率以及一阶振型向量进行匹配，即将海工结构的一阶频率以及一阶位移向量分别与有限元模型数据库中一一对应的等效约束有限元模型、等效约束位置、一阶频率以及一阶振型向量进行匹配，基于匹配得到的等效约束位置来量化计算得到能够反映桩基结构真实约束变化的等效冲刷深度的预测值。

10、作为优选，步骤s3中基于海工结构泥面以下的不同固定约束位置分别建立等效约束有限元模型，包括：

11、设定等效约束有限元模型底部固定约束，将海工结构的桩基底端作为初始固定约束位置，并基于初始固定约束位置建立等效约束有限元模型；

12、将底部固定约束沿桩基向靠近泥面的方向移动预设约束距离，基于当前固定约束位置建立等效约束有限元模型；

13、重复执行上一步骤，直至当前固定约束位置到达海工结构泥面，得到全部固定约束位置对应的等效约束有限元模型。

14、作为优选，所述等效约束有限元模型的固定约束位置的表达式为：

15、

16、其中，表示等效约束有限元模型的固定约束位置，表示初始固定约束位置，j表示等效约束有限元模型的索引，表示移动的预设约束距离，q表示等效约束有限元模型的总数。

17、作为优选，步骤s5中将海工结构的一阶频率以及一阶位移向量分别与有限元模型数据库中的一阶频率以及一阶振型向量进行匹配，基于匹配结果计算得到等效冲刷深度的预测值，包括：

18、将海工结构的一阶频率与有限元模型数据库中的一阶频率进行匹配，基于匹配结果确定第一等效约束位置；

19、将海工结构的一阶位移向量与有限元模型数据库中的一阶振型向量进行匹配，基于匹配结果确定第二等效约束位置；

20、基于第一等效约束位置以及第二等效约束位置，计算得到等效冲刷深度的预测值。

21、作为优选，将海工结构的一阶频率与有限元模型数据库中的一阶频率进行匹配，基于匹配结果确定第一等效约束位置，包括：

22、逐一计算海工结构的一阶频率与有限元模型数据库中的一阶频率之间的相对误差，当相对误差最小时，确定当前的有限元模型数据库中的一阶频率对应的等效约束有限元模型的索引；

23、根据所述索引得到基于一阶频率匹配结果确定的等效约束有限元模型的固定约束位置，记为第一等效约束位置。

24、作为优选，将海工结构的一阶位移向量与有限元模型数据库中的一阶振型向量进行匹配，基于匹配结果确定第二等效约束位置，包括：

25、对海工结构的一阶位移向量与有限元模型数据库中的一阶振型向量进行标准化；

26、逐一计算标准化后海工结构的一阶位移与有限元模型数据库中的一阶振型之间的相对误差，当相对误差最小时，确定当前的一阶振型对应的等效约束有限元模型的索引；

27、根据所述索引得到基于一阶位移匹配结果确定的等效约束有限元模型的固定约束位置，记为第二等效约束位置。

28、其中，标准化是一种数据预处理方法，指将向量的数值除以一个基准值，使不同的向量转化成标准形式，旨在使不同变量或不同测点的数据具有可比性。

29、作为优选，对海工结构的一阶位移向量与有限元模型数据库中的一阶振型向量进行标准化，包括：

30、以海工结构在最靠近水面的测点提取的一阶位移为基准，对海工结构的一阶位移向量进行标准化；

31、以每个等效约束有限元模型在最靠近水面的测点得到的一阶振型为基准，分别对有限元模型数据库中的每个等效约束有限元模型的一阶振型向量进行标准化。

32、作为优选，基于第一等效约束位置以及第二等效约束位置，计算得到等效冲刷深度的预测值，包括：

33、对所述第一等效约束位置以及第二等效约束位置进行加权求和，得到同时计及一阶频率以及一阶位移的等效约束位置，记为等效冲刷深度的预测值。

34、作为优选，在步骤s5之后还包括以下步骤：

35、周期性获取一天内若干次各测点的振动加速度并执行步骤s1至步骤s5，得到一天内的若干个等效冲刷深度的预测值；

36、采用正态概率密度函数对一天内的若干个等效冲刷深度的预测值进行拟合，得到关于当天等效冲刷深度的拟合曲线；

37、将拟合曲线中最大概率对应的等效冲刷深度作为当天的等效冲刷深度的统计预测值；

38、基于周期性得到的等效冲刷深度的统计预测值，得到等效冲刷深度随时间的变化关系。

39、一种海工结构的等效冲刷深度预测系统，包括：

40、实测数据获取模块，用于在海工结构水面以上的不同位置布置若干个加速度传感器作为测点，获取不同测点的振动加速度；

41、实测特征提取模块，用于基于不同测点的振动加速度，提取海工结构的一阶频率以及在不同测点的一阶位移向量；

42、模型构建模块，用于基于海工结构泥面以下的不同固定约束位置分别建立等效约束有限元模型，所述等效约束有限元模型用于将海工结构的桩土约束等效为基底的固定约束；

43、数据库构建模块，用于对等效约束有限元模型进行模态分析，得到等效约束有限元模型的一阶频率以及在全部测点的一阶振型向量，全部等效约束有限元模型的一阶频率以及一阶振型向量构成有限元模型数据库；

44、等效计算模块，用于将海工结构的一阶频率以及一阶位移向量分别与有限元模型数据库中的一阶频率以及一阶振型向量进行匹配，基于匹配结果计算得到等效冲刷深度的预测值。

45、本发明采用一种海工结构的等效冲刷深度预测方法及系统，有益技术效果至少包括：

46、1、传统的冲刷深度监测手段只能定期的检测，受天气条件等制约，监测周期长、可达性差，而本发明通过海工结构水面以上的振动响应的变化来评估冲刷带来的影响，具体而言，基于海工结构实时监测的振动加速度数据，实现了海工结构的等效冲刷深度的实时预测，摆脱了现有的冲刷深度监测手段对多波束扫测运维船的依赖，为冲刷深度的远程自动化监测提供了良好的基础；

47、2、目前的冲刷监测手段往往只能获取土壤表面的冲刷深度，而难以考虑到不同地质条件、不同桩基尺寸的海工结构对桩基约束变化的影响，且桩土相互作用分析以及土体模拟的过程较为复杂，为此，本发明创造性地基于海工结构泥面以下的不同固定约束位置分别建立等效约束有限元模型，基于动力等效原则，将复杂的桩土相互作用等效为在泥面以下的基底的固定约束，将冲刷造成的桩周土体流失导致的桩基础真实的约束变化用等效约束位置的变化来衡量，避免了复杂的土体模拟，并组成含有一一对应的等效约束有限元模型、等效约束位置、一阶频率以及一阶振型向量的有限元模型数据库，为后续预测能够反映冲刷引起的桩基础的约束变化的等效冲刷深度提供量化基础；

48、3、现有技术在衡量冲刷对海工结构动力响应变化的影响时，通常是采用单独分析结构振动基频（即一阶频率）的变化或单独分析结构一阶位移的变化来实现的，但是，结构振动基频对冲刷深度的变化并不敏感，仅通过振动基频的变化来分析冲刷深度引起结构动力响应的变化得到的结果准确性较低，虽然相较于振动基频而言，一阶位移对于冲刷深度引起的结构动力响应的变化更加敏感，但是一阶位移的识别精度却比振动基频更低。为此，本发明将海工结构的一阶频率以及一阶位移向量分别与有限元模型数据库中的一阶频率以及一阶振型向量进行匹配，基于匹配得到的等效约束位置来量化计算得到等效冲刷深度的预测值，不仅实现了能够反映桩基结构真实的约束变化的等效冲刷深度的预测，还同时将一阶频率和一阶位移作为衡量冲刷引起基础约束变化的参量，从而有效降低单一来源信息导致的预测偏差，提高了等效冲刷深度预测的可靠性。

49、本发明的其他特点和优点将会在下面的具体实施方式、附图中详细的揭露。