怎样考察平台结构的“健康”

一个人要能顺利地学习或工作，他就必须有一个健康的身体，海洋平台也是如此，它能否正常运行的基本条件就是有无抵抗各种环境载荷压力的安全裕度。为此，要认真了解它的受损情况，需要经常对它做各种检测。这就好比我们人类经常进行体检一样，对包括平台在内的各种工程结构也要做“健康”方面的监测和检测，对于“有病”的结构还要进行诊断。为了说明这个问题，我们首先以陆地上的一座铁塔为例，它是建于北京德胜门外的北京气象塔，塔高325米，用于收集低空大气的组成成分。塔的基本形成如图4所示。

塔的基础支持在球铰上，构件连接采用桅杆形式，全塔沿高度分为五层，每层以三根纤绳（直径为5厘米的钢丝绳）按120°等间隔与地面相连，整个塔体用15根纤绳固定拉紧。这样的结构在建筑学上称为无矩设计，也就是说，这种塔与地面的连接方式不同于电线杆或大树，它没有埋在地下的根，或者说它的根只是一个放在凹槽里的球，塔身能直立在地上而不会倒下来完全靠的是纤绳的拉扯。于是，当塔刚刚建成的时候出现了一种怪现象，在有流速为2～4米/秒的风吹过时，塔身就剧烈振动，声音很大，尤如惊涛拍岸，隆隆作响，扰得周围居民惊恐不安，因此无法交付使用。对于塔的振动原因人们众说纷纭，有人说是地震引起，有人说是路边火车的振动引发，也有人说是风吹塔动，但刮大风时塔并不振动，这又如何解释呢？针对这一现象，中国科学院力学研究所的科技人员进行了测试和分析，发现塔的振动是由绳的运动引起的。原来，当平稳的气流流过纤绳时，由于纤绳的圆形截面与气流的流动方向形成一个倾斜角，使得在一定条件下，气流在纤绳背面产生了漩涡，它以相反的方向交替脱落，并以垂直于纤绳轴线的交变力形式作用于纤绳，这就是涡流力，其交变频率在10～15赫兹之间。与此同时，在涡流力的激励下，还会引发与纤绳固有动力特性的耦合共振现象，从而形成纤绳的强烈振动和拍频振荡。所谓拍频振荡就是产生在纤绳上的一种低频大幅度振动，其频率表现为在每秒钟内振幅从一个最小值上升为最大值、又从最大值下降到下一个最小值的循环次数。拍频振荡是由作用在每层铁塔之三根交叉纤绳上的具有基本相同性状、又有微小差异的振动合成所致。其特征表现为幅度大、周期长，从而可拉动全塔而引起全塔晃动。说到这里，读者们可能已经明白了，上述的测试分析工作就是对铁塔的“健康诊断”。找出了铁塔“发病”（振动）的原因，接着就是如何“治病”了，即通过治疗手段将振动消除。我们使用的办法是在纤绳上安装阻尼动力吸振器进行减振。当技术人员把阻尼器装在四层和五层的纤绳下端时，塔的振动大大下降，振动量只有原来的百分之五了，于是“病塔”恢复了健康，可以正常、安全地工作了。

④北京气象塔结构示意图

⑤ W-11-4平台全景

⑥动力控制室

⑦采油管道

如果说上面的铁塔减振问题是个插曲，那么下面我们就言归正传，说说海洋平台结构的健康检测。为此，先从座落在我国南海北部湾涠洲海域的W-11-4平台谈起。这是一座典型的固定式导管架平台，整体高度近百米，其中从水面到高层甲板也有三十多米，就像是一座水上大厦，全貌可见图5。它有三层宽阔的甲板可供安排采油所需的各种动力设备，如发电机组、动力控制室等（图6） ，以及由十几口井组成的采油树（图7） 。甲板上还建有生活楼，为平台工作人员提供办公、住宿、餐饮、通讯等多种设施，尤其是通讯设备可通过卫星与世界各地交流信息。

为了了解平台导管架的“健康”状态，必须知道结构的变形、位移、加速度等参数的变化情况。这就如同医生所用的听诊器，借助它的功能可测知各种器官的活动状态。那么对于平台结构，又如何得到这些敏感信号呢？这就要在它的主体结构上装上应变、加速度、位移等各种传感器。

为了分析平台在海洋环境中受到损伤的原因，还要同时测量海风、波浪、海流等物量参数。为了做好这项工作，首先要在平台的顶部安装测风仪，它能准确地告诉我们当时的风向、风速，同时在接近水面的水下部分安装测波仪和海流计，以便通过它们确知波浪的高低和海流速度的大小。然后借助以上测得的各项结果计算出平台结构受到的风、浪、流的载荷，它们是引起平台运动和结构变形的根源所在。