導(dǎo)管架海洋平臺(tái)地震響應(yīng)研究.pdf

1、處于海洋環(huán)境中的導(dǎo)管架海洋平臺(tái)，除了承受結(jié)構(gòu)自重以及甲板設(shè)備重量等靜荷載作用外，還經(jīng)常受到風(fēng)、波浪、海流、地震等各種環(huán)境動(dòng)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(dòng)力荷載。目前對(duì)于波浪荷載作用下平臺(tái)的動(dòng)力反應(yīng)研究得比較多，而對(duì)地震作用下平臺(tái)的動(dòng)力反應(yīng)研究得還相對(duì)較少。雖然地震荷載沒(méi)有波浪荷載和風(fēng)荷載出現(xiàn)的頻率高，且發(fā)生時(shí)持續(xù)時(shí)間也很短，但是強(qiáng)烈的地震所造成的破壞卻是非常嚴(yán)重的。我國(guó)渤海、黃海、南海等海域位于大陸板塊的邊緣，

2、地震活動(dòng)強(qiáng)烈，海洋平臺(tái)一旦遭受地震災(zāi)害，還將產(chǎn)生嚴(yán)重的次生災(zāi)害，特別是造成海洋環(huán)境的污染，所以海洋平臺(tái)抗震分析是十分必要的。 相比陸地上的結(jié)構(gòu)，鋼質(zhì)導(dǎo)管架海洋平臺(tái)是一個(gè)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)-樁-土-水體系，無(wú)論是結(jié)構(gòu)型式還是所處的環(huán)境都有其自身的特點(diǎn)。而對(duì)這一復(fù)雜體系的動(dòng)力分析更是一個(gè)十分龐大的課題，所涉及的領(lǐng)域也十分廣泛，如流體力學(xué)、地震工程學(xué)、隨機(jī)振動(dòng)理論、土動(dòng)力學(xué)等。在滿足精度要求的前提下選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算模型和分析方法是研究者目前亟待

3、解決的問(wèn)題。本文對(duì)導(dǎo)管架海洋平臺(tái)地震響應(yīng)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究，具體內(nèi)容有： (1)開(kāi)展Ritz法的相關(guān)研究。首先簡(jiǎn)要介紹變分原理和虛擬激勵(lì)法的基本理論，以及Ritz集的選擇方法。然后利用虛擬激勵(lì)法將平穩(wěn)隨機(jī)振動(dòng)分析轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)諧振動(dòng)分析的特點(diǎn)，推導(dǎo)了梁在隨機(jī)激勵(lì)作用下系統(tǒng)的泛函表達(dá)式。根據(jù)變分原理，不將泛函的極值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解振動(dòng)微分方程問(wèn)題，而是給出所求函數(shù)的近似表達(dá)式，直接利用泛函極值的必要條件確定表達(dá)式中的待定參數(shù)，以近似計(jì)算

4、結(jié)構(gòu)在隨機(jī)地震激勵(lì)作用下的受迫振動(dòng)響應(yīng)。利用文中推導(dǎo)的公式，分析了不同Ritz集的維數(shù)和類型對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。研究表明，在滿足位移邊界條件的基礎(chǔ)上再滿足部分力的邊界條件的Ritz集并不一定使計(jì)算結(jié)果得到改善。Ritz集在選擇時(shí)主要要求其滿足位移邊界條件，關(guān)于力的邊界條件是次要的。最后對(duì)評(píng)判Ritz集優(yōu)劣的評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(yīng)使系統(tǒng)的泛函取得極值。因此對(duì)于整個(gè)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(duì)算例的泛函極值進(jìn)行了比較。 (2)隨著大型有限元軟件的不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用，越來(lái)越多的實(shí)際工程結(jié)構(gòu)采用三維有限元分析。理論上講計(jì)算模型越接近真實(shí)情況，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，但這往往大大增加了建模和計(jì)算時(shí)間，不利于工程實(shí)際應(yīng)用的需要。在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，計(jì)算模型和分析方法的科學(xué)簡(jiǎn)化可以顯著提高計(jì)算效率，是工程實(shí)際應(yīng)用的重要條件。文中提出了一種基于梁理論的導(dǎo)管架海洋平臺(tái)隨機(jī)動(dòng)力響應(yīng)簡(jiǎn)化計(jì)算模型，將Ri

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

7、洋平臺(tái)隨機(jī)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算模型簡(jiǎn)便有效。 (3)采用不同的計(jì)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(duì)三維平臺(tái)結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)結(jié)果進(jìn)行了比較研究。研究表明，考慮土-樁-水相互作用效應(yīng)使結(jié)構(gòu)體系的自振周期延長(zhǎng)，振動(dòng)速度和加速度減小。分別采用土-樁-水相互作用的三維平臺(tái)模型和經(jīng)簡(jiǎn)化后的一維梁模型計(jì)算平臺(tái)的固有頻率，通過(guò)比較兩種模型的計(jì)算結(jié)果，對(duì)一維梁簡(jiǎn)化模型進(jìn)行了頻率修正，提出修正系數(shù)關(guān)系曲線。應(yīng)用簡(jiǎn)化的一維

8、梁模型計(jì)算平臺(tái)的振動(dòng)特性，通過(guò)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(tái)的振動(dòng)特性，節(jié)省計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算精度，為海洋平臺(tái)的振動(dòng)計(jì)算提供參考。 (4)介紹反應(yīng)譜理論和相關(guān)概念，應(yīng)用該方法對(duì)導(dǎo)管架海洋平臺(tái)地震響應(yīng)進(jìn)行譜分析。通過(guò)有限元軟件分析得到平臺(tái)的自振頻率，根據(jù)《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》中規(guī)定的地震響應(yīng)譜計(jì)算地震載荷，經(jīng)過(guò)振型組合考慮各振型分量對(duì)總響應(yīng)的貢獻(xiàn)，得到平臺(tái)的地震響應(yīng)。 (5)詳細(xì)介紹時(shí)程分