0 引　言

目前，随着全球人口的不断增长，陆地资源和能源日趋紧张，各国都把发展的方向和趋势转向占地球表面积71%的海洋上，并逐渐形成了投资高、风险大、高新技术密集的能源工业新领域。而深水半潜式平台有着特殊的结构形式，水线面积小，在对波浪和海流的响应方面有着良好的性能^[1]，作为海洋油气开发重要装备形式之一，目前已经成为国际上深海勘探的主流装备形式。由于世界上的深水油田多分布在环境恶劣的海域，且半潜式平台与一般航行船舶不同，在遇到恶劣海况时不能规避，因而在结构设计阶段必须要考虑其在生命期内可能要遭遇的海况，要具备足够的强度，以保障平台上人员及设备的安全^{[2, 3]}。深水浮式平台系统承受的风、浪、流等环境载荷，按频率带可划分为平均环境载荷、波频载荷、低频载荷和高频载荷。而波浪载荷是平台所受环境载荷的主要部分^[4]。波频载荷是直接作用在平台浮体、系泊和立管上并引起平台一阶波浪运动的波浪循环载荷，出现频率较高，在平台构件力和系泊系统力中占主要成分，其波浪周期一般介于5～20 s之间，是平台强度分析、结构设计与安全评估中一个非常重要的载荷，正确计算和评估波浪载荷对结构安全性具有重要意义^[5]。目前各大船级社规范均规定半潜平台的波浪载荷估算需通过基于三维水动力理论的设计波法进行预报^{[6 – 8]}。与船舶类似，试验手段对于了解半潜平台在海浪中的运动和载荷特性具有重要意义，水池模型试验仍然是最易操作和经济的试验手段。但就目前的资料显示，平台的水池试验目前大多集中在运动方面的测量，波浪载荷的试验非常少，其主要原因在于平台波浪载荷及测量系统的复杂性。

本文采用模型试验和数值仿真2种方法对半潜式平台的波浪载荷进行研究，采用安装了低频软弹簧的分段模型来开展模型试验，低频弹簧系统的主要作用是模拟动力定位和锚泊系统对平台的作用。本次模型试验在中国船舶科学研究中心（CSSRC）开展。相应的数值仿真采用SESAM软件进行计算。通过对比分析，试图对平台波浪载荷的特性、主要影响参数以及计算方法进行研究，该研究成果对工程实践具有一定的指导作用，可为工程设计人员提供借鉴。

1 模型试验 1.1 试验模型

本次模型试验在中国船舶科学研究中心的耐波性水池开展，该水池长69 m，宽46 m，深4 m。试验模型缩尺比为1:40，模型线型与平台几何相似，重心位置、惯性半径等参数按照相似准则与半潜平台一致^[4]。试验模型和测点布置如图1所示。本次试验中所用的缩比模型由弹簧系统、测量梁及玻璃钢船体等组成。由于深水半潜平台的定位系统可能采用动力定位系统或者系泊系统。而模型试验中无法完全模拟其对波浪载荷的影响，因而在纵向的首尾位置采用4根低频软弹簧固定，以达到目标平台在波浪中稳定的运动状态。本次模型试验采用双梁测试（双梁分别标定。测量结果由测量梁A和测量梁B的结果在时域上合成获得）。

试验中，规则波采用不同的波长和波高组合进行模拟，不规则波采用ITTC推荐的双参数谱。主要试验工况详见表1。

1.2 规则波试验结果

本次试验主要测量4种载荷，包括中纵剖面上的垂向弯矩Mv，垂向剪力Qv，剖面上的分离力Fs以及扭矩Mt，分别由2条梁上测得的剖面载荷进行合成得到。对中纵剖面上的4种载荷成分作传递函数分析，其载荷传递函数如图2~图5所示。从图中可以看出，对于横浪下的垂向弯矩，其出现最大响应的周期在1.534 s附近；对于横浪下的垂向剪力，其出现最大响应的周期在1.23 s附近；对于横浪下的分离力，其出现最大响应的周期在1.534 s附近；对于150°顶斜浪下的扭矩，其出现最大响应的周期在1.402 s附近，分离力及扭矩峰值出现的区域均与规范中的规定较为接近。垂向弯矩和分离力的响应周期及传递函数形式具有一定的相似性，在波浪周期为1 s左右2种载荷均存在一个较大的响应峰值。

1.3 不规则波试验结果

不规则波中典型的载荷及加速度记录曲线见图6。由图可知，在不规则波工况出现极大波高的情况下，各载荷及加速度分量均具有少部分高频振荡成分，这应该与斜浪状态下的立柱及下甲板砰击有关。对4种载荷成分Mv，Qt，Fs以及Mt的波浪成分及合成值进行weibull分布统计分析，可以看出，半潜平台在波浪下的剖面载荷响应与weibull分布符合甚好，尤其是对于各载荷分量的总响应（波浪成分+高频成分）。

2 数值计算验证

采用SESAM/Genie，根据平台线型建立三维湿表面模型，共3 357个单元。对于横撑建立Morison模型，采用Morison方程计算波浪载荷。对应于目标平台生存工况，建立相应的质量模型。质量模型确保与实际平台的总重、重心位置和惯性半径一致。

由于平台立柱与浮筒外轮廓是对称结构，采用SESAM/Genie，根据平台结构建立1/2三维湿表面模型。三维湿表面模型划分至模型顶端，共3 357个单元。对于撑杆，采用Morison方程计算波浪载荷。

由于不同的浪向、周期以及相位下，波浪对平台的作用力有很大的差异，因此应计算不同的浪向、周期的波浪在不同相位对平台的载荷，从中选取载荷最大的工况。

浪向范围取0~180°，浪向间隔15°，同时在斜浪方向上对浪向加密（40°，50°）。波浪周期范围取3~40 s，在特征周期附近取0.25 s，在其他区域取2 s。计算的响应量为剖面力和弯矩，选取中横剖面和中纵剖面为计算剖面，以确定不利波浪的参数。

试验主要测量4种载荷，包括中纵剖面上的垂向弯矩Mv，垂向剪力Qv，剖面上的分离力Fs以及扭矩Mt。对测量的4种载荷进行分析，在各载荷出现极值的工况中，模型试验结果和数值计算的对比见图7~图10。

从图7~图10可以看出，数值计算结果与模型试验结果吻合良好，典型计算工况的载荷传递函数极值周期，幅值均在误差允许范围内。从而验证理论预报方法和波浪载荷数值计算模型的可靠性及精确度。同时，极值出现周期和浪向与相关设计规范规定的一致，但值得注意的是，在波浪载荷的数值计算与试验结果中，规范规定之外的小周期5 s时，约为极值周期的1/2处，中纵剖面上的各主要载荷出现了一个高频第二峰值。而高频载荷是由2阶和频或更高阶波浪力使平台产生高频共振的载荷，其响应涉及springing（高频振动）和ringing（超高频振动），前者具有相对稳定的特征，后者具有相对瞬时的特征，可引起平台垂荡、横摇、纵摇运动，典型的固有周期是在1～5 s之间。因此在波浪载荷的数值预报中，除了相关规范规定的典型计算工况的载荷，也应关注高频波浪的响应，在波浪载荷搜索的过程中，为了更好地抓住载荷的响应特性，应将此高频波浪纳入搜索范围。

不规则波统计结果与数值计算短期预报结果的比较详见表2。其结果表明，Mv，Qv，Fs的最大响应均出现在C₀₄工况（H_1/3=329.1 mm，T_Z=1.836 s，浪向90°），Mt最大响应出现在C₀₂工况（顶斜浪150°）。从而验证了设计波方法在典型危险波浪工况计算中的准确性。不规则波试验统计结果与数值计算短期预报结果出现极值的工况一致，典型载荷响应的数值计算短期预报结果均略大于试验值统计值，且误差在25%以内。

3 结　语

本文以一座深海半潜式钻井平台为例，对其进行了波浪载荷水池模型试验和数值计算验证。分析对比了模型试验和数值计算结果后，得出以下结论：

1）典型波浪载荷计算工况的运动传递函数，剖面载荷传递函数的试验值与数值计算结果传递函数的响应极值和极值周期吻合良好，说明本模型试验方法较好地模拟了半潜式平台所承受的波浪载荷；

2）波浪载荷模型试验结果与数值仿真结果规则波传递函数吻合良好，且数值计算能更好地捕捉波浪载荷响应极值与周期；

3）模型试验结果和数值计算中，典型载荷的传递函数在1/2的极值周期处，均存在第二峰值现象，这个高频波浪不在规范要求的计算范围内，但在结构的设计和载荷的计算中需要额外注意。