導(dǎo)管架海洋平臺地震響應(yīng)研究.pdf

1、處于海洋環(huán)境中的導(dǎo)管架海洋平臺，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(yīng)研究得比較多，而對地震作用下平臺的動力反應(yīng)研究得還相對較少。雖然地震荷載沒有波浪荷載和風(fēng)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(qiáng)烈的地震所造成的破壞卻是非常嚴(yán)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(qiáng)烈，海洋平臺一旦遭受地震災(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)管架海洋平臺是一個復(fù)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(diǎn)。而對這一復(fù)雜體系的動力分析更是一個十分龐大的課題，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)振動理論、土動力學(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、解決的問題。本文對導(dǎo)管架海洋平臺地震響應(yīng)的相關(guān)問題進(jìn)行了研究，具體內(nèi)容有： (1)開展Ritz法的相關(guān)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(jī)振動分析轉(zhuǎn)化為簡諧振動分析的特點(diǎn)，推導(dǎo)了梁在隨機(jī)激勵作用下系統(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(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)地震激勵作用下的受迫振動響應(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。最后對評判Ritz集優(yōu)劣的評比標(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(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)管架海洋平臺隨機(jī)動力響應(yīng)簡化計(jì)算模型，將Ri

6、tz法和虛擬激勵法相結(jié)合計(jì)算平臺的隨機(jī)響應(yīng)。分別基于Euler梁和Timoshenko梁理論推導(dǎo)了平臺隨機(jī)地震響應(yīng)計(jì)算公式，編制了計(jì)算程序。通過與有限元方法比較，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)算了平臺在隨機(jī)波浪作用下的響應(yīng)。將Ritz法與虛擬激勵法相結(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)算時間。算例表明，本文提出的海

7、洋平臺隨機(jī)動力響應(yīng)計(jì)算模型簡便有效。 (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，對三維平臺結(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，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(jì)算平臺的固有頻率，通過比較兩種模型的計(jì)算結(jié)果，對一維梁簡化模型進(jìn)行了頻率修正，提出修正系數(shù)關(guān)系曲線。應(yīng)用簡化的一維

8、梁模型計(jì)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(jì)算時間，提高計(jì)算精度，為海洋平臺的振動計(jì)算提供參考。 (4)介紹反應(yīng)譜理論和相關(guān)概念，應(yīng)用該方法對導(dǎo)管架海洋平臺地震響應(yīng)進(jìn)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(yīng)譜計(jì)算地震載荷，經(jīng)過振型組合考慮各振型分量對總響應(yīng)的貢獻(xiàn)，得到平臺的地震響應(yīng)。 (5)詳細(xì)介紹時程分