摘要：我国渤海的油气资源主要是由边际油田组成，冰荷载是渤海海洋结构设计的控制荷载。自上世纪60年代至今，我国抗冰海洋平台已有100余座，设计思想经历了从认识到发展的过程。本文以渤海辽东湾为例，概述我国抗冰海洋平台结构设计的发展，指出设计中存在的主要问题，并展望抗冰结构设计的研究前景。
关键词：
一、引言
我国渤海的油气资源主要是由边际油田组成，其所处的海洋环境十分复杂和恶劣，承受着风、海浪、海流、潮汐、地震等荷载的威胁。近些年的现场监测发现，冰对海上建筑物的作用要远比其他荷载的影响甚大，因此冰荷载是渤海海洋结构设计的控制荷载。
目前，抗冰海洋平台主要以固定式平台为主，靠打桩或自身重量固定于海底，它又可分为桩式平台和重力式平台两种。在这两类抗冰结构中，导管架结构比较经济，适用于边际油田。而沉箱结构造价相对昂贵，适用于油藏比较丰富的海域，结构特点是需要大量的砂石填料，通常建于附近土源充足的浅海区域。因此，我国渤海边际油田大都采用比较经济的导管架结构。本文以渤海辽东湾为例，概述我国抗冰海洋平台结构设计的发展，指出设计中存在的主要问题，并展望抗冰结构设计的研究前景。
二、我国渤海抗冰结构设计发展
我国早在1966年开始在渤海建造抗冰海洋平台，到目前为止，已经建立了几十座抗冰海洋平台。渤海抗冰平台设计经历一个从认识到发展过程，大致可以经历了三个阶段：
第一个阶段在1969年渤海冰封期间，我国“老二号”平台在海冰的巨大推力下倒塌。这一阶段由于缺乏海冰的认识，设计中采用铁路规范，没有进行冰力核算，造成平台不具备抗冰能力，设计很不合理。
第二个阶段在1970-1986年间，标志事件是埕北油田的开发。该油田将设计条件大大提高，导致平台仅导管架重量就达到1800吨，过于保守的设计直接影响了油田的生产成本。
第三个阶段在1987-2004年间，标志事件是JZ20-2气矿的开发。我国独立自主设计建造的抗冰平台，平台的设计比较合理经济，保证了平台在极值冰力下的安全，但是平台投入运行后，发现比较严重的冰激振动问题。
三、制约我国抗冰导管架结构设计的主要问题
目前基于极端静冰力设计和安全评估的抗冰导管架结构在实际应用中已经暴露出诸多问题，这就要求抗冰结构的设计规范和安全评定不仅仅只给出静力方面的要求，同时还应过多的考虑冰激振动问题，即结构本身、上部设施、作业人员等多种性能要求。因此，需要对冰区柔性抗冰结构的失效模式及相关判据进行研究；基于多种失效准则对抗冰结构进行风险设计。由于冰荷载研究的限制以及冰与结构相互作用的复杂性，抗冰导管架结构设计发展缓慢，存在的问题如下：
1．冰荷载问题
冰荷载的研究是抗冰导管架结构基于性能风险设计的前提。冰与风和浪对结构的作用类似，包含了静力和动力作用。确定了极值静冰力，可以基本估算结构需要具备的静刚度和强度，保证结构不会被极端冰荷载推倒。静冰荷载对平台结构的作用因海冰不同的破坏形式而不同，一般采用当海冰呈现挤压破坏时的冰力作为设计冰荷载。各国学者提出了不同的静冰力计算公式。冰与结构作用是一个动力过程，结构在动冰力作用下产生振动。只有确定了动冰力的形式、大小以及周期情况，才可以对结构的振动响应准确评估。尽管冰荷载的研究已经有几十年的历史，相对波浪、地震、风荷载的研究，整体水平仍然不高。并且由于各国海域冰情、结构形式差别很大，再加上自然界中冰材料性质以及海冰与结构作用大声破坏的机理非常复杂，冰荷载问题本身难度较大。目前，抗冰结构的设计规范中，通常只给出最大静冰力的计算公式。对于动冰荷载，还没有合适、统一的计算方法。
2．冰激振动问题
冰与结构的相互作用是一个相互耦合的过程，结构的型式对冰力的形式、大小以及冰力机理都有很大的影响。冰对结构作用产生的振动是影响冰区海洋平台结构安全运营的重要因素。冰激直立结构的振动是在美国阿拉斯加库克湾的导管架平台上进行冰力测量时首先发现。锥体结构上的冰激振动问题主要发生在我国渤海的海洋平台上，岳前进等对测量得到的冰力及振动进行了分析，认为在窄锥结构上的冰力具有一定的周期性，当周期与平台固有周期接近时，会引起平台强烈振动[2]。由于冰激振动机理复杂，而且对结构形式很敏感，尽管国内外学者对此问题的研究持续不断，但目前为止还没有定论。
3.抗冰结构的失效模式问题
目前，抗冰海洋平台的规范设计及安全评估一般只考虑极端静冰力的作用，忽略了动冰力的影响。由于对冰荷载、环境条件及冰振对结构的影响认识还不够清楚，冰区抗冰结构的设计准则是从极端荷载出发，而忽略了交变动冰力造成平台的各种失效模式，很大程度上限制了抗冰结构动力分析，疲劳寿命分析以及上部设施与作业人员在冰激振动下的评估。基于对渤海导管架平台的多年监测，发现冰激振动引起平台管节点疲劳失效、上部设施的正常使用、作业人员感受问题的风险性要远大于极端荷载下结构的整体安全问题。因此，无论是平台安全保障，还是平台的优化设计都应该明确抗冰导管架结构作业系统的设计准则。
四、展望
由于冰与结构相互作用以及结构动力分析的复杂性，与抗波浪海洋平台相比，抗冰海洋平台的设计水平还处于很低的水平，尽管目前国内外在相关问题做了一些探讨，但也有很多问题没有得到很好的解决，还需要作进一步的分析和研究，主要包括：1.深入研究海冰环境参数及抗冰导管架结构冰荷载；2.深入研究抗冰导管架平台的冰振失效模式及评判标准；3.基于数学模型与专家经验的海洋平台选型优化；4.深入研究抗冰导管架平台结构优化、隔振和控制的协同设计等。
参考文献:
[1]APIRP2N.Recommendedpracticeforplanning,designing,andconstructingfixedoffshorestructuresiniceenvironments.1988.
[2]岳前进毕祥军于晓等：锥体结构的冰激振动与冰力函数.土木工程学报,2003,36(2):16-19.
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