環(huán)境激勵(lì)下海洋平臺(tái)多維地震反應(yīng)分析及控制.pdf

1、理論研究和震害經(jīng)驗(yàn)都表明，地震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用是多分量的，包括三個(gè)平動(dòng)和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)分量。國(guó)內(nèi)外學(xué)者致力于地震作用下海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)及震動(dòng)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(shí)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的動(dòng)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(tái)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的特殊性問(wèn)題還有待于進(jìn)一步研究。因此，對(duì)于海洋平臺(tái)，研究其多維地震反應(yīng)與控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。在此背景下，本論文在以下幾方面進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和試驗(yàn)研究：

2、 (1)針對(duì)海洋環(huán)境的特殊性，研究了地震波浪的聯(lián)合作用對(duì)平臺(tái)動(dòng)力響應(yīng)的影響。以樁柱、對(duì)稱平臺(tái)、偏心平臺(tái)為研究對(duì)象，對(duì)環(huán)境荷載強(qiáng)度(地震、波浪)、場(chǎng)地土條件、平臺(tái)周期特點(diǎn)以及偏心平臺(tái)的偏心率不同時(shí)，地震波浪聯(lián)合作用對(duì)平臺(tái)響應(yīng)的影響進(jìn)行了大量的參數(shù)分析。分析結(jié)果表明：當(dāng)進(jìn)行地震波浪聯(lián)合作用分析時(shí)，有必要考慮流體附加質(zhì)量效應(yīng)和流固耦合效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響；地震烈度水平較低，中等及較大風(fēng)浪條件下有必要考慮地震波浪的聯(lián)合作用：四類場(chǎng)地土條件

3、下的長(zhǎng)周期平臺(tái)均有必要考慮這種聯(lián)合作用，短周期平臺(tái)則可以不考慮，對(duì)于中等周期平臺(tái)這種聯(lián)合作用與場(chǎng)地土條件及平臺(tái)偏心情況有關(guān)。 (2)研究了地震動(dòng)單向輸入、雙向輸入以及地震動(dòng)不同輸入方向?qū)ζ脚_(tái)結(jié)構(gòu)響應(yīng)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(tái)多維地震響應(yīng)分析中地震動(dòng)最不利輸入方向的方法。通過(guò)小波變換可以獲取地震動(dòng)有效能量輸入和有效能量輸入速率兩個(gè)重要參數(shù)，從而預(yù)測(cè)地震動(dòng)的最不利輸入方向。以某一實(shí)際平臺(tái)和一組單層平臺(tái)系統(tǒng)

4、為算例進(jìn)行了數(shù)值分析。分析結(jié)果表明：該方法可以快捷方便地預(yù)測(cè)地震動(dòng)的最不利輸入方向，且預(yù)測(cè)精度較高，可以滿足工程應(yīng)用的需要，小波能量原理在多維地震反應(yīng)分析中具有很好的應(yīng)用前景。 (3)對(duì)地震作用和地震波浪聯(lián)合作用下偏心平臺(tái)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)地震響應(yīng)進(jìn)行了參數(shù)研究，推導(dǎo)出多維地震動(dòng)輸入下可以考慮不同偏心形式的偏心平臺(tái)運(yùn)動(dòng)方程及其無(wú)量綱化形式。分析了偏心形式、地震動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)分量、偶然偏心、波浪入射方向、場(chǎng)地土條件和平臺(tái)周期特點(diǎn)對(duì)偏心平臺(tái)扭轉(zhuǎn)耦

5、聯(lián)響應(yīng)的影響。分析結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)的偏心形式對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)響應(yīng)影響較大，不可忽視，同時(shí)地震動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)分量對(duì)結(jié)構(gòu)平扭耦聯(lián)響應(yīng)也存在一定的影響；偶然偏心的存在可能增大結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)，且其對(duì)雙向偏心結(jié)構(gòu)的影響程度要遠(yuǎn)大于對(duì)單向偏心結(jié)構(gòu)的影響程度；波浪入射方向?qū)ζ脚_(tái)位移響應(yīng)的影響隨著結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)平動(dòng)頻率比ΩAx的減小而增大，且對(duì)雙向偏心平臺(tái)影響稍大；另外偏心平臺(tái)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)效應(yīng)與平臺(tái)的周期特點(diǎn)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系而與地震動(dòng)場(chǎng)地條件間的關(guān)系比較復(fù)雜，沒(méi)有明顯

6、的規(guī)律性。 (4)利用隨機(jī)振動(dòng)理論研究了地震、波浪作用下調(diào)諧液柱阻尼器(TunedLiquidColumnDamper，簡(jiǎn)稱TLCD)對(duì)平臺(tái)的振動(dòng)控制效果，重點(diǎn)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(dòng)譜模型)選取對(duì)TLCD阻尼器參數(shù)優(yōu)化及結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制效果的影響。分析中為了更好地反映實(shí)際波浪特點(diǎn)，在采用波面譜的同時(shí)引入波浪的方向譜，比較了考慮波浪方向分布對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)控制的影響。分析結(jié)果表明：按波浪譜模型對(duì)TLCD阻尼

7、器參數(shù)模型進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果，不考慮波浪方向分布特性可能會(huì)高估TLCD的減振效果，建議實(shí)際工程中應(yīng)選擇波浪譜模型，并考慮波浪方向分布函數(shù)進(jìn)行TLCD阻尼器的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，從TLCD最優(yōu)振動(dòng)控制效果來(lái)看，地震荷載作用時(shí)的控制效果要好于波浪荷載作用時(shí)的情況。 (5)在普通粘彈性阻尼器的基礎(chǔ)上通過(guò)構(gòu)造上簡(jiǎn)單的改變?cè)O(shè)計(jì)了一種能同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)兩水平方向振動(dòng)和繞豎軸扭轉(zhuǎn)振動(dòng)進(jìn)行控制的新型粘彈性

8、阻尼器，并對(duì)阻尼器的恢復(fù)力模型及其對(duì)結(jié)構(gòu)震動(dòng)控制參數(shù)進(jìn)行了理論分析。針對(duì)傳統(tǒng)恢復(fù)力模型中關(guān)于阻尼器溫頻特性描述所存在的問(wèn)題提出了兩種改進(jìn)模型，解決了模擬精度的問(wèn)題。利用時(shí)程分析方法對(duì)新型粘彈性阻尼器在海洋平臺(tái)多維震動(dòng)控制效果進(jìn)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(yīng)頻率對(duì)振動(dòng)控制效果的影響規(guī)律，并對(duì)阻尼器數(shù)量的選取、位置的布設(shè)進(jìn)行了初步的探討。在此基礎(chǔ)上利用反應(yīng)譜法對(duì)阻尼器震動(dòng)控制效果進(jìn)行了理論分析，并給出合理的解釋。

9、 (6)對(duì)新型粘彈性阻尼器的力學(xué)性能及其對(duì)結(jié)構(gòu)震動(dòng)控制效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究。通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)，測(cè)定了粘彈性材料的剪切模量、損耗因子隨激勵(lì)頻率、應(yīng)變幅值和環(huán)境溫度的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)一組單層平臺(tái)框架(對(duì)稱平臺(tái)、不同偏心形式的偏心平臺(tái))的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，驗(yàn)證了新型粘彈性阻尼器的多維震動(dòng)控制效果。試驗(yàn)結(jié)果表明：不同頻率下阻尼器剪切變形時(shí)恢復(fù)力理論模型的模擬精度很高，且扭轉(zhuǎn)變形和扭剪組合變形試驗(yàn)時(shí)，恢復(fù)力模型也具有滿意的模擬精度；另外震動(dòng)

10、臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了阻尼器多維震動(dòng)控制效果，阻尼器的增加除了為主體結(jié)構(gòu)附加了一定的初始剛度，還在結(jié)構(gòu)震動(dòng)過(guò)程中消耗了大量的震動(dòng)能量；對(duì)對(duì)稱框架結(jié)構(gòu)，粘彈性阻尼器能同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)雙向加速度響應(yīng)有明顯的控制作用，對(duì)于位移響應(yīng)而言，雖能同時(shí)對(duì)雙方向響應(yīng)起到控制作用，然而當(dāng)兩主軸響應(yīng)相差很大時(shí)，對(duì)于響應(yīng)較小的結(jié)構(gòu)主軸方向，控制作用不明顯；對(duì)偏心框架結(jié)構(gòu)，粘彈性阻尼器對(duì)結(jié)構(gòu)雙向加速度和位移響應(yīng)都具有明顯的控制效果；當(dāng)考慮水下環(huán)境震動(dòng)時(shí)，粘彈性阻尼器對(duì)平臺(tái)