導管架海洋平臺地震響應研究.pdf

1、處于海洋環(huán)境中的導管架海洋平臺，除了承受結(jié)構(gòu)自重以及甲板設備重量等靜荷載作用外，還經(jīng)常受到風、波浪、海流、地震等各種環(huán)境動力荷載的作用。其中，波浪載荷和地震載荷是兩種比較典型的動力荷載。目前對于波浪荷載作用下平臺的動力反應研究得比較多，而對地震作用下平臺的動力反應研究得還相對較少。雖然地震荷載沒有波浪荷載和風荷載出現(xiàn)的頻率高，且發(fā)生時持續(xù)時間也很短，但是強烈的地震所造成的破壞卻是非常嚴重的。我國渤海、黃海、南海等海域位于大陸板塊的邊緣，

2、地震活動強烈，海洋平臺一旦遭受地震災害，還將產(chǎn)生嚴重的次生災害，特別是造成海洋環(huán)境的污染，所以海洋平臺抗震分析是十分必要的。 相比陸地上的結(jié)構(gòu)，鋼質(zhì)導管架海洋平臺是一個復雜的結(jié)構(gòu)-樁-土-水體系，無論是結(jié)構(gòu)型式還是所處的環(huán)境都有其自身的特點。而對這一復雜體系的動力分析更是一個十分龐大的課題，所涉及的領域也十分廣泛，如流體力學、地震工程學、隨機振動理論、土動力學等。在滿足精度要求的前提下選擇適當?shù)挠嬎隳Ｐ秃头治龇椒ㄊ茄芯空吣壳柏酱?/p>

3、解決的問題。本文對導管架海洋平臺地震響應的相關問題進行了研究，具體內(nèi)容有： (1)開展Ritz法的相關研究。首先簡要介紹變分原理和虛擬激勵法的基本理論，以及Ritz集的選擇方法。然后利用虛擬激勵法將平穩(wěn)隨機振動分析轉(zhuǎn)化為簡諧振動分析的特點，推導了梁在隨機激勵作用下系統(tǒng)的泛函表達式。根據(jù)變分原理，不將泛函的極值問題轉(zhuǎn)化為求解振動微分方程問題，而是給出所求函數(shù)的近似表達式，直接利用泛函極值的必要條件確定表達式中的待定參數(shù)，以近似計算

4、結(jié)構(gòu)在隨機地震激勵作用下的受迫振動響應。利用文中推導的公式，分析了不同Ritz集的維數(shù)和類型對計算結(jié)果的影響。研究表明，在滿足位移邊界條件的基礎上再滿足部分力的邊界條件的Ritz集并不一定使計算結(jié)果得到改善。Ritz集在選擇時主要要求其滿足位移邊界條件，關于力的邊界條件是次要的。最后對評判Ritz集優(yōu)劣的評比標準進行了研究。根據(jù)變分原理，在滿足位移邊界條件的所有容許函數(shù)中，正確解應使系統(tǒng)的泛函取得極值。因此對于整個系統(tǒng)而言，使系統(tǒng)的泛函

5、越接近極值的Ritz集就越好。文中對算例的泛函極值進行了比較。 (2)隨著大型有限元軟件的不斷發(fā)展和廣泛應用，越來越多的實際工程結(jié)構(gòu)采用三維有限元分析。理論上講計算模型越接近真實情況，計算結(jié)果越準確，但這往往大大增加了建模和計算時間，不利于工程實際應用的需要。在保證計算精度的基礎上，計算模型和分析方法的科學簡化可以顯著提高計算效率，是工程實際應用的重要條件。文中提出了一種基于梁理論的導管架海洋平臺隨機動力響應簡化計算模型，將Ri

6、tz法和虛擬激勵法相結(jié)合計算平臺的隨機響應。分別基于Euler梁和Timoshenko梁理論推導了平臺隨機地震響應計算公式，編制了計算程序。通過與有限元方法比較，驗證了文中計算方法的準確性。此外，該方法也被應用計算了平臺在隨機波浪作用下的響應。將Ritz法與虛擬激勵法相結(jié)合，既可不必計算結(jié)構(gòu)振型而直接求出響應量的自譜、互譜及各種譜矩，又充分利用了虛擬激勵法的精確性和快速性的特點，在保證計算精度基礎上縮短了計算時間。算例表明，本文提出的海

7、洋平臺隨機動力響應計算模型簡便有效。 (3)采用不同的計算模型，即土-樁-水相互作用模型和考慮附加水質(zhì)量的等效樁模型，對三維平臺結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應結(jié)果進行了比較研究。研究表明，考慮土-樁-水相互作用效應使結(jié)構(gòu)體系的自振周期延長，振動速度和加速度減小。分別采用土-樁-水相互作用的三維平臺模型和經(jīng)簡化后的一維梁模型計算平臺的固有頻率，通過比較兩種模型的計算結(jié)果，對一維梁簡化模型進行了頻率修正，提出修正系數(shù)關系曲線。應用簡化的一維

8、梁模型計算平臺的振動特性，通過修正系數(shù)的修正，即可得到考慮土-樁-水相互作用的三維平臺的振動特性，節(jié)省計算時間，提高計算精度，為海洋平臺的振動計算提供參考。 (4)介紹反應譜理論和相關概念，應用該方法對導管架海洋平臺地震響應進行譜分析。通過有限元軟件分析得到平臺的自振頻率，根據(jù)《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》中規(guī)定的地震響應譜計算地震載荷，經(jīng)過振型組合考慮各振型分量對總響應的貢獻，得到平臺的地震響應。 (5)詳細介紹時程分