极端环境下海洋结构物随机响应分析及动力可靠性研究

本文对极端海洋环境（波浪和地震环境）下海洋平台结构物进行了随机非线 性动力响应分析及动力可靠性研究。对于极端海洋环境下海洋平台结构物的动力 可靠性研究，本文主要进行的研究工作包括：海洋环境荷载及其荷载效应的研 究；海洋结构物的动极限承载能力分析；随机波浪载荷、地震作用下的海洋平台 结构随机动力响应分析及其响应参数的统计；结合工程应用，进行中国南海某三 腿海洋平台结构的动力可靠性评估，得到极端环境下平台结构动力可靠度。本文 的主要研究成果有： 1）在极端环境条件下，对平台结构系统进行极限承载能力分析，并且按双重破 坏准则确定动极限承载能力。动极限承载能力的提出，突破了原有的静极限 承载能力的范畴，对于结构动力可靠性理论的发展和完善有着重大的意义。 然后再对多自由度体系结构进行随机振动分析基础上，进行动力可靠性分 析。 2）采用动力Winkler地基梁模型模拟桩-土动力相互作用，土按Winkler地基来 处理，桩为埋置于土中的长梁，土反力由一系列频率相关的非线性弹簧和阻 尼器进行模拟。然后结合中国南海涠洲湾某三腿海洋平台所在的海域场地的 数据，即t-z曲线、Q-z曲线和p-y曲线，系统地研究了结构-桩-土动力相互 作用影响的范围和程度。 3）在极端海况下海洋平台结构波浪动力可靠性分析过程中，采用了两种计算模 型：结构-桩-土相互作用模型和固端模型（泥面线以下六倍桩径处固定）， 系统地考虑了场地土的不确定性、海洋环境的不确定性、不同波浪理论、非 线性结构-桩-土相互作用、流体-结构相互作用等因素对海洋平台结构物动力 响应的影响；结合中国南海涠洲湾某三腿平台，应用确定性理论和随机理论， 采用Pierson-Moskowitz谱或JONSWAP谱，进行了极端海洋环境下海洋平台 的随机动力响应分析，并应用动力可靠性理论，在国内首次进行了波浪动力 可靠性研究；分析结果显示该平台波浪动力可靠指标为2.6，位于目标可靠指 标范围（2.5～2.8）之内，因此它在实际工程应用中是安全的、合理的和可行 的。 4）在地震作用下的海洋平台结构动力可靠性分析过程中，应用随机振动理论， 摘耍 将海洋平台结构简化为非线性多自由度系统，分析了海洋平台结构物随机地 震作用下的抗震动力可靠性；同时，考虑了场地土的不确定性、地震作用的 随机性（地震烈度、地震作用方向、不同地震波）、结构－桩．土相互作用等 因素的影响；结合工程应用，对中国南海涸洲湾某三腿海洋平台进行了动力 可靠性评估；分析结果表明：考虑结构－桩－土相互作用后的地震结构响应将 会比固端模型的结构响应要来得小，地基土具有一定的抗振消能的作用是明 显的；考虑XY方向地震联合作用的结构响应将大于仅考虑单方向作用地震 谱的情况。研究结果表明该平台在地震作用下其动力可靠指标要小于目标可 靠指标，是安全可靠的。 5）研究了随机波浪荷载下海洋平台结构的混合分析方法，寻求海洋平台动力响 应的简化分析方法，即将结构的解析分析和数值求解方法相结合的固定式海 洋平台随机响应混合求解方法，考虑了波浪．结构相互作用和基于最小二乘方 原理的非线性曳力的影响。 本文的研究工作得到了国家自然科学基金和中国海洋石油总公司的联合资 助，是国家自然科学基金“九五”重大项目“大型复杂结构的关键科学问题及设 计理论”（项目批准号：59895410）、国家自然科学基金“超载作用下的诲洋平 台体系可靠性研究”（项目批准号：59779002）和中国海洋石油研究中心科研项 目“涸 114C海洋平台结构可靠性研究”的组成部分。