環(huán)境激勵下海洋平臺多維地震反應分析及控制.pdf

1、理論研究和震害經驗都表明，地震時地面運動對結構物的作用是多分量的，包括三個平動和三個轉動分量。國內外學者致力于地震作用下海洋平臺結構動力響應及震動控制的研究，取得了一些成果，但主要是基于單向水平地震作用時平臺結構的動力分析，另外，海洋環(huán)境有別于陸地環(huán)境，海洋環(huán)境中平臺結構地震反應的特殊性問題還有待于進一步研究。因此，對于海洋平臺，研究其多維地震反應與控制具有重要的現(xiàn)實意義。在此背景下，本論文在以下幾方面進行了系統(tǒng)的理論分析和試驗研究：

2、 (1)針對海洋環(huán)境的特殊性，研究了地震波浪的聯(lián)合作用對平臺動力響應的影響。以樁柱、對稱平臺、偏心平臺為研究對象，對環(huán)境荷載強度(地震、波浪)、場地土條件、平臺周期特點以及偏心平臺的偏心率不同時，地震波浪聯(lián)合作用對平臺響應的影響進行了大量的參數(shù)分析。分析結果表明：當進行地震波浪聯(lián)合作用分析時，有必要考慮流體附加質量效應和流固耦合效應對結構響應的影響；地震烈度水平較低，中等及較大風浪條件下有必要考慮地震波浪的聯(lián)合作用：四類場地土條件

3、下的長周期平臺均有必要考慮這種聯(lián)合作用，短周期平臺則可以不考慮，對于中等周期平臺這種聯(lián)合作用與場地土條件及平臺偏心情況有關。 (2)研究了地震動單向輸入、雙向輸入以及地震動不同輸入方向對平臺結構響應的影響，并提出了一種基于小波能量原理的用于確定海洋平臺多維地震響應分析中地震動最不利輸入方向的方法。通過小波變換可以獲取地震動有效能量輸入和有效能量輸入速率兩個重要參數(shù)，從而預測地震動的最不利輸入方向。以某一實際平臺和一組單層平臺系統(tǒng)

4、為算例進行了數(shù)值分析。分析結果表明：該方法可以快捷方便地預測地震動的最不利輸入方向，且預測精度較高，可以滿足工程應用的需要，小波能量原理在多維地震反應分析中具有很好的應用前景。 (3)對地震作用和地震波浪聯(lián)合作用下偏心平臺結構扭轉耦聯(lián)地震響應進行了參數(shù)研究，推導出多維地震動輸入下可以考慮不同偏心形式的偏心平臺運動方程及其無量綱化形式。分析了偏心形式、地震動轉動分量、偶然偏心、波浪入射方向、場地土條件和平臺周期特點對偏心平臺扭轉耦

5、聯(lián)響應的影響。分析結果表明：結構的偏心形式對結構扭轉耦聯(lián)響應影響較大，不可忽視，同時地震動轉動分量對結構平扭耦聯(lián)響應也存在一定的影響；偶然偏心的存在可能增大結構的扭轉耦聯(lián)效應，且其對雙向偏心結構的影響程度要遠大于對單向偏心結構的影響程度；波浪入射方向對平臺位移響應的影響隨著結構扭轉平動頻率比ΩAx的減小而增大，且對雙向偏心平臺影響稍大；另外偏心平臺的扭轉耦聯(lián)效應與平臺的周期特點有一定的對應關系而與地震動場地條件間的關系比較復雜，沒有明顯

6、的規(guī)律性。 (4)利用隨機振動理論研究了地震、波浪作用下調諧液柱阻尼器(TunedLiquidColumnDamper，簡稱TLCD)對平臺的振動控制效果，重點分析了外荷載模型(高斯平穩(wěn)白噪聲模型、波浪譜模型和地震動譜模型)選取對TLCD阻尼器參數(shù)優(yōu)化及結構振動控制效果的影響。分析中為了更好地反映實際波浪特點，在采用波面譜的同時引入波浪的方向譜，比較了考慮波浪方向分布對結構響應控制的影響。分析結果表明：按波浪譜模型對TLCD阻尼

7、器參數(shù)模型進行優(yōu)化所獲得的減振效果要好于按高斯平穩(wěn)白噪聲模型進行優(yōu)化的結果，不考慮波浪方向分布特性可能會高估TLCD的減振效果，建議實際工程中應選擇波浪譜模型，并考慮波浪方向分布函數(shù)進行TLCD阻尼器的參數(shù)優(yōu)化設計。此外，從TLCD最優(yōu)振動控制效果來看，地震荷載作用時的控制效果要好于波浪荷載作用時的情況。 (5)在普通粘彈性阻尼器的基礎上通過構造上簡單的改變設計了一種能同時對結構兩水平方向振動和繞豎軸扭轉振動進行控制的新型粘彈性

8、阻尼器，并對阻尼器的恢復力模型及其對結構震動控制參數(shù)進行了理論分析。針對傳統(tǒng)恢復力模型中關于阻尼器溫頻特性描述所存在的問題提出了兩種改進模型，解決了模擬精度的問題。利用時程分析方法對新型粘彈性阻尼器在海洋平臺多維震動控制效果進行了參數(shù)分析，研究了粘彈性材料尺寸形狀、環(huán)境溫度、響應頻率對振動控制效果的影響規(guī)律，并對阻尼器數(shù)量的選取、位置的布設進行了初步的探討。在此基礎上利用反應譜法對阻尼器震動控制效果進行了理論分析，并給出合理的解釋。

9、 (6)對新型粘彈性阻尼器的力學性能及其對結構震動控制效果進行了試驗研究。通過力學性能試驗，測定了粘彈性材料的剪切模量、損耗因子隨激勵頻率、應變幅值和環(huán)境溫度的變化規(guī)律，在此基礎上通過對一組單層平臺框架(對稱平臺、不同偏心形式的偏心平臺)的振動臺試驗，驗證了新型粘彈性阻尼器的多維震動控制效果。試驗結果表明：不同頻率下阻尼器剪切變形時恢復力理論模型的模擬精度很高，且扭轉變形和扭剪組合變形試驗時，恢復力模型也具有滿意的模擬精度；另外震動

10、臺試驗結果驗證了阻尼器多維震動控制效果，阻尼器的增加除了為主體結構附加了一定的初始剛度，還在結構震動過程中消耗了大量的震動能量；對對稱框架結構，粘彈性阻尼器能同時對結構雙向加速度響應有明顯的控制作用，對于位移響應而言，雖能同時對雙方向響應起到控制作用，然而當兩主軸響應相差很大時，對于響應較小的結構主軸方向，控制作用不明顯；對偏心框架結構，粘彈性阻尼器對結構雙向加速度和位移響應都具有明顯的控制效果；當考慮水下環(huán)境震動時，粘彈性阻尼器對平臺