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导管架式海洋平台地震破坏状态分析研究 摘要 导管架式钢质海洋平台是目前世界上近海石油开发应月 5 最广泛的一种海洋平台 结构型式。 由于处在特殊的海域环境中，海洋平台所受到的环境荷载十分复杂。对于建在 地震活跃区域的海洋平台来讲，除了波浪荷载以外，设计中还需要重点考虑地震荷 载的影u 吼虽然地震荷载没有波浪荷载出现的频率高，并且发生时持续时间也很短， 但是大的地震所造成的破坏却是十分严重的。目6 u 还没有很好的办法能够准确地预 测地震何时何地发生，以及发生多大的地震。并且，鉴于海洋平台结构本身的重要 性，平台一旦遭遇超过其设防烈度的强烈地震而发生破坏，这种破坏所造成的经济 损失和社会影响都将是十分严重的。 本文对导嘈架式海洋平台结构在地震作用下的破坏过程和破坏状态进行了深入 研究。将海洋平台结构的破坏过程按照不同的特征划分了三个阶段，针对每一阶段 的特征以及相应的分析方法进行了综述。并重点研究了导管架式海洋平台结构在进 入破坏阶段后的动力反应特性。提出了用于地震破坏分析的结构特性时变分析方法 和结构抗震安全裕度系数的概念。并对不同特性地震动作用下的导管架平台结构的 破坏状态以及抗震安全裕度进行了实例分析。指出了平台结构破坏的特点以及结构 中的薄弱环节。得到了一些有益的结论。为导管架式海洋平台的抗震设计以及抗震 安全裕度评价奠定了分析基础。 论文的主要研究成果及创新点在于： ( 1 ) 将平台结构的地震破坏过程按照不同的特征划分为三个阶段：定常反应阶 段、塑变反应阶段和破坏阶段。总结了每一阶段的状态特征和分析方法。 ( 2 ) 研究了导管架式海洋平台结构在进入破坏阶段后的地震反应特性。提出了 用于结构破坏分析的方法结构特性时变分析方法。该方法考虑了当结构中有构 件发生破坏，退出工作后，剩余结构动力特性的变化以及内力的重分布，通过模型 重组进行结构进入破坏阶段后的反应分析。在建立构件的破坏模型时，主要考虑了 强度和稳定性两种破坏准则。 ( 3 ) 对三维空间刚架结构机动性分析的计算机自动算法进行了理论上的推导。 ( 4 ) 针对导管架式海洋平台，将其构件按照受力特点和重要程度分为三类。并 根据各类构件的破坏程度将平台结构进入破坏阶段后的反应进一步划分为两种状 导管架式海洋甲台地震破坏状态分析研究 态：中等破坏状态和局部倒塌状态。定义了相应的判别准则。 ( 5 ) 在导管架式海洋平台地震破坏分析的基础上，提出了结构抗震安全裕度系 数的概念。并针对平台结构进入破坏阶段后的中等破坏状态和局部倒塌状态，给出 了相应的表达式。 ( 6 ) 根据本文论述的理论基础和技术思路，编制了考虑结构特性时变的导管架 式海洋平台结构地震破坏分析程序。为利用多条地震动输入，统计分析导管架平台 地震破坏过程特点和抗震安全裕度评价提供了计算手段。 ( 7 ) 为实现结构破坏过程的可视化，编制了三维动态模拟程序，可以直观地展 示平台结构的整个地震破坏过程。 关键词：导管架式海洋平台结构特性时变分析地震破坏状态抗震安全裕度系数 r e s e a r c ho ns e i s m i c d a m a g e s t a t e so f j a c k e to f f s h o r e p l a t f o r m s t r u c t u r e s a b s t r a c t s t e e lj a c k e to f f s h o r ep l a t f o r m sa r ew i d e l ye m p l o y e di no f f s h o r ep e t r o l e u ma c t i v i t i e s t h r o u g h o u tt h eo c e a n so ft h ew o r l da tt h ep r e s e n tt i m e f o rat y p i c a lo f f s h o r es t r u c t u r e l o c a t e di nas e i s m i c a l l ya c t i v er e g i o n ，t h ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n sa f f e c t i n go f f s h o r e p l a t f o r ms f f u c t u r e sa r ev e r yc o m p l i c a t e da n dh a r s h a n dt h ee a r t h q u a k eg r o u n dm o t i o n b e c o m e sa l l e q u a l l yi m p o r t a n td e s i g nl o a do fs t r u c t u r a le x c i t a t i o n sa sw e l la st h es e a w a v e s t h i si sd u et oa b r u p t l yc h a n g i n gs t r e s sa m p l i t u d e sd u r i n gt h ee a r t h q u a k e ，w h i c h c b j lc a u s es e r i o u sd a m a g e s a l t h o u g ht h ee a r t h q u a k ed u r a t i o ni sv e r ys h o r ta n dd o e sn o t o c c u rs of r e q u e n t l ya st h ew a v e m o r e o v e r ，i ti sa p i t yt h a tt h e r ei sn oa p p r o p r i a t em e a n s a p p e a r st of o r e c a s tt h ee a r t h q u a k ew e l la n dt r u l yd u et ol i m i t a t i o n so fs t a t e - - o f - t h e a r t t e c h n o l o g y w h e r e a st h ep l a f f o r mi sav e r yi m p o r t a n ts t r u c t u r e ，o n c ec o l l a p s ei n d u c e db y s e v e r ee a r t h q u a k ee x c e e d i n g t h e “s t r e n g t h - l e v e l ”t h el o s sa sw e l la st h es o c i a li n f l u e n c e c a u s e d b y t h ec a t a s t r o p h i cr e s u l t sw i l lb ev e r y g r a v e t h ep u r p o s eo ft h i sd i s s e r t a t i o ni st o i n v e s t i g a t ec o l l a p s eb e h a v i o r sa n dd a m a g e s t a t e so f j a c k e to f f s h o r ep l a t f o r m su n d e rt h es e v e r ee a r t h q u a k e t h ec o l l a p s eb e h a v i o ri s d i v i d e di n t ot h r e es t a g e sa n dab r i e fs u m m a r i z eo fa v a i l a b l ea n a l y s i sm e t h o di nr e s p e c t t o e v e r yr e s p o n s es t a g e a n ds p e c i a le m p h a s i si sp l a c e do nt h ea n a l y s i so ft h ed y n a m i c r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa f t e rs t r u c t u r eg o e si n t ot h ed a m a g es t a g e ac h a r a c t e r i s t i c s t i m e 。v a r y i n ga n a l y s i sm e t h o da l o n gw i t ht h ec o n c e p to fs t r u c t t t r a ls e i s m i cs a f e t ym a r g i n c o e f f i c i e n ti sp r o p o s e d p r a c t i c a ld e s i g ne x a m p l ei sg i v e no n c o l l a p s ea n a y s i so f a j a c k e t o f f s h o r ep l a t f o r n ls t r u c t u r eu n d e re a r t h q u a k ew i t hd i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s a n ds o m e c o n c l u s i o n sa r ea c h i e v e d t h ea n a l y s i sr e s u l t sg i v eu s e f u li n f o r m a t i o nt os e i s m i cd e s i g n a n da s s e s s m e n to f t h es e i s m i c s a f e t yo f s t e e li a c k e to f f s h o r ep l a t f o r m t h em a i nr e s u l t so f t h i ss t u d ya r ea sf o l l o w s ( 1 ) d i v i d i n g t h ec o l l a p s er e s p o n s e p r o c e s si n t ot h r e es t a g e s ：s t a g eo f i n t a c tc o n d i t i o n s t a g eo fp l a s t i cd e f o r m a t i o n ，a n ds t a g eo fd a m a g e ab r i e fo u t l i n eo ff e a t u r e so fs y s t e m b e h a v i o ri n e v e r yr e s p o n s es t a g ea n dc o r r e s p o n d i n ga v a i l a b l ea n a l y s i sm e t h o da r e d i s c u s s e d ( 2 ) t h ed y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i sa f t e rs t r u c t u r eg o e si n t ot h ed a m a g es t a g ei s p e r f o r m e di n t r o d u c i n gt h ep r o p o s e dm e t h o d ，c h a r a c t e r i s t i c st i m e - v a r y i n ga n a l y s i sm e t h o d i l l 导管架式海洋、r 音地震破坏状态分析研究 t h e p r o p o s e dm e t h o d e n a b l e st h ee f f e c t so ft h es u c t i l r a ld a m a g et ob ec o n s i d e r e d d u r i n g ac o l l a p s ea n a l y s i s t h i sw a yo f t a k i n gd a m a g ei n t oa c c o u l t i s i m p o r t a n tb e c a u s et h e s t r u c t u r a lc o n f i g u r a t i o na tt h em o m e n ti nw h i c ht h ed a m a g eo c c u r si sd i f f e r e n tf r o mt h e u n d e f o r m e dc o n f i g u r a t i o na n dc o n s i d e r a b l er e d i s t r i b u t i o no ff o r c e st a k e sp l a c ew h e nt h e d a m a g e dm e m b e rf a i l s t o a c c o m p l i s hi t s s t r u c t u r a lf u n c t i o n a n di nt h em o d e l i n go f d a m a g e ds t r u c t u r a lm e m b e r s ，s t r e n g t hd a m a g ea n db u c k l i n go f s t e e lt u b u l a rm e m b e r sa r e c o n s i d e r e d ( 3 ) at h e o r e t i c a la l g o r i t h mf o ra u t o m a t i c a l l ya n a l y z i n gk i n e m a t i c a li n s t a b i l i t y o f t h r e e d i m e n s i o ns p a c es t r u c t u r e sa r ei n t r o d u c e d ( 4 ) f o rt h e j a c k e t o f f s h o r ep l a t f o r ms t r u c t u r e ，t h em e m b e r so f w h i c ha r ed i v i d e di n t o t h r e ec l a s s e sb ym e a n so ft h ef o r c e dc h a r a c t e r i s t i c sa n ds i g n i f i c a n c e s a n dt h ed i f f e r e n t d a m a g e s t a t eo fa p l a t f o r ms t r u c t u r ec a n b ed e f i n e da st h er e p a r a b l ed a m a g es t a t ea n dt h e f a i l u r es t a t e ( 5 ) t h ec o n c e p to f s t r u c t u r a ls e i s m i cs a f e t ym a r g i nc o e f f i c i e n ti sp r o p o s e d a n dt h e c o r r e s p o n d i n ge x p r e s s i o no f t h e c o e f f i c i e n ta c c o r d i n gt od i f f e r e n td a m a g es t a t ei sg i v e n ( 6 ) b a s e d o nt h ea b o v et h e o r yac o m p u t e rp r o g r a mp h f xh a sb e e nd e v e l o p e d t h e p r o g r a mi se s p e c i a l l ya i m e da tc o l l a p s ea n a l y s i so fj a c k e to f f s h o r ep l a t f o r ms t r u c t u r e s u n d e r e a r t h q u a k eu s i n g t h ep r o p o s e dc h a r a c t e r i s t i c st i m e - v a r y i n ga n a l y s i sm e t h o d ( 7 ) a n o t h e rp r o g r a m f o r c o m p u t e rd y n a m i c s i m u l a t i o ni sw o r k e do u t t h e v i s u a l i z a t i o no f c o l l a p s ep r o c e s so f t h r e e - d i m e n s i o ns t r u c t u r e si sc a r r i e do u t k e yw o r d s ：j a c k e to f f s h o r ep l m f o r m s e i s m i cd a m a g es t a t e s c h a r a c t e r i s t i c s t i m e - v a r y i n ga n a l y s i s m e t h o d s t r u c t u r a ls e i s m i cs a f e t ym a r g i nc o e f f i c i e n t 1 绪论 1 1 选题背景及意义 占地球表面面积7 1 的海洋中蕴藏着比陆地丰富得多的自然资源，“向海洋进 军”已成为社会经济发展的必然。用于近海石油和天然气等海底矿藏开发的海洋平 台结构是海洋资源开发的基础性设施，是海上佳产和生活的基地。 世界上第一座固定式海洋平台建于1 8 8 7 年，它安装在美国加利弗尼亚的油田 上，实际上是一座木结构的栈桥。二战后，用于战争中的许多先进科学技术成果被 应用到海洋丌发中。1 9 4 7 年在美国墨西哥湾水深6 米处成功地安装了世界上第一座 设备齐全的钢质导管架平台。开创了海洋丌发的新时期。这种导管架式平台在随后 的多年中逐渐地扩展到更深的水域和更恶劣的海洋环境中。这些平台以勘探、开发 海洋资源为主，其中尤以开发、储减石油和天然气的平台占多数。海洋平台工程已 经成为国际社会的一个重要产业部门。各技术先进国家诸如美国，英国，挪威，同 本等，在近海大陆架中建造了大量海洋平台。迄今为止，世界上已建立起各种功能 4 i 同的海洋平台近万座。 图i _ l 中给出的是几种典型的海洋平台示意图。 o f i s h o r e s t r u c t u r e s c o m p l i a n tf i x e d 厂人、厂l _ 、 f l o a t i n g t e n s i o nl e g - 广 鼬 倒7 l ii 1 i ll | g u y e d 激罂哥 断a v n y 图卜1 儿种典型海洋平台示意图 导管架式海洋、f 台地震破坏状态分析研究 由于海上工作环境的特殊性和海洋平台结构本身的重要性，一旦发生事故，所 造成的经济损失和社会影响极其严重。1 9 5 5 年美国钻井平台a n a t a m i a 号在墨西哥 湾作业时骤然翻倒；1 9 8 8 年挪威菲利普公一j 的“亚历山大基兰”号海洋平台在北 海作业时，五根拉腿中的一根拉断，1 j 分钟内即倾覆沉没，一百多人死亡，造成重 大损失，我国的海洋平台也发生过倒塌事故。因此，为了海上生产作业和生命财产 的安全，首先必须要保证海洋平台的结构安全性，这已经成为人们的共识。 自卜世纪四十年代美国安装使用了f ! = f = 界上第一座钢质导管架式平台( s t e e l j a c k e to f f s h o r ep l a t f o r m ) 以来，这种结构已经成为中浅海海洋平台的主要结构 型式。随着海洋石油开发的迅速发展，导管架式海洋平台被广泛用于海上油田开发、 海上观光以及海洋科学观测等方面。迄今为止，世界上建成的大、中型导管架式海 洋平台约有2 0 0 0 余座。工作水深已达到四、五百米。 我国的油气资源十分丰富，石油资源的开发有着非常广阔的前景。1 9 6 6 年我国 依靠自己的技术力量在渤海海域成功地安装了第一座导管架式海洋平台。近年来随 着近海石油丌发的迅速发展，我国的平台设计、制造和安装也有了突破性进展。自 上世纪六十一年代以来，已经陆续建造了近百座海上平台。从渤海、南海以及国外的 海上油阳开发来看，水深5 - 2 0 0 米范围内，导管架平台是应用最多的一种平台型式， 约占9 0 以上。并且海上油田丌发实 践证明，这类平台是比较行之有效的 一种结构型式“1 。 “导管架”的取名基于管架的各 条腿柱作为管桩的导管这一实际。固 定式钢质导管架海洋平台主要由两部 分组成：部分是由导管架腿柱和连 接腿柱的纵横杆系所构成的空间构 架。腿柱( 或称导管) 是中空的，钢 管桩是一根细长的焊接圆管，它通过 打桩的方法固定于海底，由若干根单 桩组成的群桩基础把整个平台牢牢地 固定于海床。腿柱和桩共同作用构成 了用来支撑上部设施与设备的支撑结 构：另一部分由甲板及其上面的设施 与设备组成，是收集和处理油气、生 活及其它用途的场所。图卜2 为典型 的导管架式海洋平台结构的示意图。 倒1 - 2 钢质导管架式海洋平台示意图 绪论 处于海洋环境中的导管架平台，除了承受结构自重以及甲板设备重量等静荷载 作用外，还经常受到诸如风、波浪、海流、地震、船舶撞击等各种环境动力荷载的 作用，其中波浪和地震是两种比较典型的动力荷载。目前对于波浪荷载作用下平台 结构的动力反应研究的比较多，而对地震作用下海洋平台结构的反应分析还相对较 少。事实卜，海底与陆上一样也是经常发生地震。虽然地震荷载没有波浪荷载和风 荷载出现的频率高，且发生时持续时间也很短，但是大的地震所造成的破坏却是非 常严重的。我国是一个多地震国家，多数近海地区处在地震活动性强烈的大陆板块 边缘，渤海、黄海以及东南沿海地区均属地震带，尤其是台湾东西两侧海域的地震 更为强烈。我国的海洋平台有相当大一部分建造在位于环太平洋地震带上的渤海湾 中，历史上渤海湾曾发生过强烈地震，也曾多次发生海洋平台破坏的事件。1 9 7 6 年 的唐山大地震对海洋平台造成了定程度的震害。由于海洋平台结构的安全关系到 生产的效益与生命财产的安全，因此，海洋平台的抗震安全问题已受到越来越多研 究人员的重视。 近海海洋平台的抗震设计原则是要求平台结构与其基础均能安全地承受两级地 震：较低的称为设计地震，要求结构与基础在经受设计地震时，无显著的破坏；较 高的称为罕遇强震，要求结构与基础有足够的储备能力，容许结构与基础共同体系 有1 些损坏，但不倒塌，即要求结构有足够的延性。为适用于桩基导管架结构，美 幽石油协会提出了a p i 和r p i a 规范，并对此做出规定：在强震作用下，平台结构至 少能吸收四倍于设计地震时土结构共同体系的最大应变的能量而不倒塌。这一 基本设计原则是与重要工程现代设计原则一致的。海洋平台当前的主要抗震设计规 范都采用了上述基本原则。而目前我国海洋平台的抗震设计基本上还是沿用陆地建 筑的抗震规范，采用“小震不坏，中震可修，大震不倒”的抗震设计准则。要做到 “小震不坏”不难，问题是要做到“大震不倒”而又不过多的增加投资，至今尚无 另人满意的解决途径。究其根本原因，是强震作用下结构的破坏状态以及破坏过程 机理不明。目前设计中经常采用的增大安全系数等方法不能准确反映出结构在强震 作用下的破坏过程和破坏特点，从而也就无法准确估计平台结构在强震时倒塌的可 能性：进而采取有针对性的抗震措施。所以有必要进行这方面的研究，使海洋结构 物设计得既有安全保障，又能发挥结构潜力。 同一般陆地建筑物相比，导管架式海洋平台有以下比较突出的特点：( 1 ) 平台 上大部分质量都集中在结构的顶部；( 2 ) 海洋平台所处的特殊的海域环境，必须要 考虑到结构与海水的相互耦合作用问题：( 3 ) 相比陆地上的结构，导管架式海洋平 台具有很高的冗余度；( 4 ) 海洋平台造价昂贵，属于重大工程结构，一旦破坏，经 济损失和社会影响都十分严重。 海洋平台在抗震设防标准内的地震激励下通常都在弹性范围工作，结构并不会 产生破坏。但由于地震是一种很特殊的荷载，其特点是不确定性和突发性。对于海 底地震尤其如此，由于海洋这个特殊的环境，使得无论是地震的监测还是各海域地 震动峰值的确定等都比陆地上更难实现。对于如何准确地进行地震预测，目前还没 3 导管架式海洋中台地震破坏状态分析研究 有很好的解决办法。由于海底地震的不确定性，使得海洋平台的选址以及平台的抗 震设计具有一定的风险性。因为在强烈的海底或海岸带地震作用下，海洋平台结构 势必进入很大的非线性，甚至会发生局部破坏乃至整体倒塌。鉴于此，人们自然会 提出以下的一系列问题：、一旦发生超出设防标准的强震的情况，导管架海洋平台会 产生多大程度的破坏? 破坏过程怎样? 有多人的损失? 按照抗震设防标准设计的平 台在这样的罕遇地震动作用下能有多大的抗震安全裕度? 要正确合理地回答以上问 题，还有很多的研究工作需要做。 但迄今为止，国内外对导管架式海洋平台结构在地震作用下的动力行为的研究 多数还停留在弹塑性阶段，对进入破坏阶段后平台结构的各种动力特性与逐步破坏 过程的认识还很不够。在强烈地震作用下，结构的某些构件会发生破坏而失效，导 致结构状态的完全改变。但实际上当一些构件因破损而退出工作后，结构整体并不 一定发生倒塌，仍有可能会继续工作。而结构体系在濒临倒塌的阶段其动力性能与 弹塑性阶段相比会有很大的不同，目前对这一过程中海洋平台结构的地震破坏状态 和破坏特性的研究还是空白。 本论文将针对以上提出的问题展开研究。将导管架式海洋平台结构在地震作用 下的破坏过程划分不同的阶段，总结出各阶段的特征以及相应的分析方法。并重点 针对平台结构进入破坏阶段后的破坏状态以及分析方法进行深入的研究。这是一个 包含很多未知因素的富有挑战性的课题。通过给出具体的地震破坏分析方法，可以 为进一步认清导管架平台结构的破坏状态和破坏过程提供科学的手段，从而帮助我 们确定现役的或设计中的导管架平台的抗震安全性，合理地评价其抗震能力，防止 其破坏和倒塌。 1 2 国内外研究现状 近海海洋平台结构在受到波浪和地震等动荷载而发生运动时其周围的流场和地 基也会发生变化或变形，它们反过来使结构所受到的流体力和土壤力发生变化，形 成流体一结构，土一结构的相互耦合作用。一般讲，这类耦合作用都是非线性的。 即流体力矢量和土动力矢量是结点位移和速度的非线性函数。目前在处理导管架式 海洋平台结构所受到的波浪力时通常都采用m o r i s o n 公式，通过附连水质量和动水 阻尼来反映导管架结构与水的相互作用，已经有很多学者对此进行了专门的研究。卜 。3 。桩、土的相互耦合作用也是导管架海洋平台动力分析中的一个重要研究课题， 需要考虑许多复杂因素。对这方面的研究比较多“。目前主要有两种计算模型。 其中简化的等效线性桩模型是把非线性桩用一系列等效线性桩来代替，而这种等效 线性桩的几何性质由静力分析结果确定。这种方法的特点是简单，而且能够部分地 计及土的非线性效应，但比较粗糙。还有一种非线性土弹簧模型，即把周围的土用 一系列非线性土弹簧代替，每一组弹簧是作用于桩上同一点的两个互相垂直的水平 弹塑性弹簧和一个竖向弹塑性弹簧。而弹簧的非线性恢复力曲线由土的p y 曲线 4 1 绪论 确定，可以是非线性弹性模型或弹塑性模型。该方法能够更准确地反映土对桩的非 线性作用，因而得到了广泛的应用。 随着固定式海洋平台向深水发展，其支撑系统变得越来越柔，因此，动力效应 就越来越重要。关于海洋平台的动力反应分析已经研究了几十年。下面进行简要综 述： 国外海洋结构物的地震反应研究始于7 0 年代，当时主要集中于水中构造物的地 震反应以及水的存在对其反应大小的影响的评价。 具体到导管架式海洋平台的地震反应分析，最早是由p e n z i e n 和k a u l 开始进行 的。他们同时考虑了结构物运动和地震的不确定性，提出了系统的分析方法。他们 的研究由于是针对管材构成的导管架平台，所以计算海水流体力时采用的方法是考 虑了结构物变形的m o r i s o n 公式，并利用等价线性法进行线性化，考虑计算中的非 线性阻尼力项，然后在频域内给出概率反应解。 七十年代初期，p e n z i e n 等人提出了一种随机方法用于分析近海平台结构在波 浪和强烈地震作用下的反应，并应用这一方法对一简单的二维平台结构进行了动力 反应分析，得出了在平台结构地震反应分析中应考虑周围水的惯性力和拖曳力的影 响以及至少要考虑前三阶振型的结论。并建议在平台抗震设计中采用两种地震烈度： 较低的烈度用于平台的弹性设计，较高的烈度用于允许平台有一定程度的非弹性变 形的情况“。随后p e n z i e n 等人又将这一随机方法发展到了计算三维平台结构，并 考虑结构与基础的相互作用以及疲劳破坏的影响“。 八十年代初d e m o s t h e n e sc a n g e l i d e s 、j j c o n n o r 和s s h y a ms u n d e r 等 人将整个平台等效为弯剪型的串联多自由度体系，并以一系列阻尼器和弹簧来考虑 桩一土的作用，计算了结构反应受各种因素( 如甲板质量、波高分布、m o r i s o r t 公 式中的c 。和c 。，) 的影响“”“。 g e d e l e u i l 等提出了二阶谱分析方法来近似考虑波浪力中的非线性拖曳力， 采用三维空间模型计算了频域内海洋平台的动力响应，并与时域分析结果进行了对 比“1 。 同本的y a m a d a 等人( 1 9 8 9 ) 分析了同时受到地震和波浪作用的导管架海洋平台 的动力反应，重点考虑了地震反应分析时土一结构相互作用和非线性动水阻尼的影 响，并指出在地震和波浪同时作用下结构反应由于波浪动水阻尼的影响有时会比地 震单独作用时的反应要小“。 2 0 0 0 年会德印分别用时域方法和频域方法进行了相同的研究，并将二种计算结 果进行了对比，得到了相同的结论“。h k a r a d e n i a ( 1 9 9 9 ) 也进行了类似的研究“。 国内在这方面的研究工作开始得比较晚。俞载道等( 1 9 8 4 年) 采用堆聚质量法 对海洋平台结构进行了地震反应分析，计算中考虑了桩一土一结构的动力相互作用 导管架式海洋卜台地震破坏状态分析础f 究 以及非线性流体作用力的影响。计算结果表明：海洋平台结构的抗震分析应考虑桩 一土一结构的相互影响，体系的第振型对结构反应起着摔制作用“。 针对堆聚质量法无法考虑结构空间耦合作用的缺点，周昌年等( 1 9 8 5 年) 采用 自由度凝聚方法，以等效线性桩顶弹簧来代表非线性的桩一十体系，以附连水质量 来表示杆件一水的相瓦作用影响，采用响应谱方法来分析海洋导管架式固定平台的 动力特性及其地震响应。并初步考察了桩基刚度、平台荷重分布等参数变化的影响， 还对堆聚质量法和自由度凝聚法的计算结果进行了比较。“。 曲乃泅对水中任意空间杆系结构的随机地震反应进行了详细研究，讨论了水中 结构在随机地震反应分析中存在的某些规律。1 。 金德印在p e n z i e n 等人的工作基础上，计算了三维平台结构在单向随机波浪力、 地震力、波浪力和地震力、风与波浪联合作用下结构的随机反应。利用振型叠加法 在频域内求解。最终给出了结构的反应方差以及一定持时的反应极值3 。 李宏男、林皋( 1 9 9 2 ) 给出了考虑多维地震作用时，计算导管架海洋平台随机 响应的一种方法“多维随机振动的振型加速度法”。 郑忠双对极端海洋环境( 波浪和地震) 下海洋平台结构物进行了随机动力响应 分析及动力可靠性研究。应用随机振动理论，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 构一桩一土相互作用等因素的影响”。 c t c h a n g 等( 1 9 7 8 ) 采用直接积分方法，分析了地震作用下结构一水基础 非线性体系的反应n 。 a l g a c o u t i n h o 等( 1 9 8 5 ) 在振型分解法基础上，提出了一种基于一组正 交向量的坐标转换方法，对海洋平台的动力反应进行了计算。”。 秦小军( 1 9 8 8 ) 利用时域内的直接积分方法分析了考虑桩一土耦合作用的三维 导管架平台的地震反应o 。 王生( 1 9 9 8 ) 研究了用直接积分方法和模态叠加方法分析计算波浪荷载作用下 由于桩基导致海洋平台结构非线性的动力响应。1 。 海洋平台所受的风、浪、地震等荷载都是不可重复的，随机的。只能根据荷载 的历史资料，统计出它们的特性，在概率意义下，计算结构在此种荷载作用下的反 应。因此，研究工作大多采用随机理论。而用确定性方法的很少。但是，随机方法 也有其局限性。由于这种非确定性方法是建立在叠加原理上的，只能应用于线弹性 体系，当结构进入弹塑性阶段后，由于材料的应力、应变不再是线性关系，叠加原 理不再适用。所以目前随机方法还无法考虑材料的弹塑性特性。而确定性分析方法 却可以很好地解决这一问题。并且，随着计算机技术的飞速发展以及试验水平的不 断提高，近些年在这方面也取得了大量的研究成果。 6 绪论 确定构件的空间滞回模型，进而建立构件单元的空间弹塑性刚度矩阵，是实现 结构空间弹塑性动力反应分析的关键。针对空间钢框架结构构件，国内外已有很多 学者进行了这方面的研究。 r 洁民等( 1 9 8 9 ) 在对杆件中弹塑性区作出合理假定后，运用贝塞尔函数和子 结构方法，推出了弹塑性杆单元的切线刚度矩阵”：李国强等( 1 9 9 4 ) 在钢柱空问 滞回模型研究的基础一h ，建立了空间受力钢柱的弹塑性单元刚度方程，该方程考虑 了b a o u s c h i n g e r 效应、应变强化效应和强度退化效应的影响，能够准确地描述钢柱 在空间交变地震作用下的非线性连续空间恢复力状念，并通过箱形和h 形钢柱的空 问滞回特性试验验证了其理论的可行性与可靠性。”1 。k k a y v a n i 与f b a r z e g a r ( 1 9 9 6 ) 针对近海平台结构圆管构件的弹塑性滞回特性，以及己有的几种模型的特 点及局限性进行了评述，提出了比较合理的基于有限元构造模型的方法，并与试验 结果进行了对比。”1 。p o w e l l 曾提出了纤维多个切片理论( m u l t is l i c e ) 。这种单元 的研究对象是薄壁梁柱单元。在沿着这种单元长度方向上布置着许多切片( s l i c e ) ， 每个切片截面又分为若干个次单元( s u b e l e m e n t ) ，这些次单元的刚度首先被确定下 来。它们具有弹塑性性质。每个切片的刚度是由这个切片中的那些次单元求和得到 的，整个单元每个端点有六个自由度。切片的变形由形函数与整个单元相联系。这 些形函数在单元屈服时就发生变化。每个次单元被假定成平面应力状态。虽然这种 方法精度很好，但对于整个结构而言，特别是结构单元数目较多时，需要的计算机 时将非常巨大，并不实用。郑宏等( 1 9 9 9 ) 建立了形式上比较简单又能够比较全面 和客观地反映钢材特性的复合强化本构模型”1 。k e ed o n gk i m ( 2 0 0 0 ) 、张文元( 2 0 0 0 ) 等学者也进行了这方面的研究。“1 。 天津大学的柳瑞杰( 1 9 9 0 ) 提出了一种空间梁单元切线刚度矩阵以及弹塑性刚 度的显式形式，利用综合刚度法对处于过渡状念的单元进行刚度修正，确定了适用 于海洋导管架平台单元的屈服函数并且计及剪力、轴力、弯矩之间的相互作用。采 用w i l s o n 一目法解动力方程，同时利用增量切线刚度法求解非线性拟静力平衡方程。 编制以三维梁单元为基本单元的海洋平台弹塑性地震响应分析程序。指出，地震作 用下，导管架式平台结构最先进入塑性的是支撑单元，当结构较为对称时，立柱比 横梁更容易屈服。强腿柱，并且带有允许塑性变形充分发展的斜撑，是一种合理的 平台抗震结构。在三维地震波同时作用下，海洋平台竖直方向的抵抗变形的能力在 结构进入塑性后将迅速降低”1 。 许滨等( 1 9 9 6 ) 采用把导管架平台主腿和水面以下的斜撑构件作为非线性单元， 考虑材料非线性( 理想弹塑性) 和几何非线性的影响。其他单元采用线性单元。分 别进行了导管架平台八倍固支计算模型和考虑桩土非线性计算模型的非线性极限承 载能力分析m ，。 巴西的b e n j a m i n 等( 1 9 9 9 ) 将平台结构构件在传统的梁单元基础上按照单元长 细比分为几段，称此类单元为s l c b ( s t a n d a r dl i n e a r c u b i cb e a m ) 单元。这种基 于位移的s l c b 单元，其横向弯曲变形采用三次式进行内插，轴向和扭转变形用线性 导管架式海洋f 台地震破坏状态分析珂f 究 关系式进行内插。用于海洋平台的非线性分析( 材料非线性和几何非线性，几何非 线性采用修正的拉格朗同公式；材料非线性采用基于塑性铰理论的理想弹塑性模型， 屈服准则采用节点轴力与节点弯矩的关系式来表达) 。 文献 3 9 中( 2 0 0 1 ) 为了建立考虑空间梁柱在弹塑性状态下的弯矩和轴力的相 互影响及双向弯矩间的相互影响的力学模型，引入了塑性铰的概念。以构件进入塑 性时“塑性变形主要集中在杆件两端的截面上”这一基本假设来考虑物理非线性问 题；引入屈服面方程式作为判断梁端是否形成塑性铰的准则；考虑杆件材料具有线 性强化性质；使用z i e g l e r 随动强化塑性理论来描述屈服面的移动。塑性铰被看成 是空间的一点，没有实际长度，而杆件的其它部分一直处于弹性阶段。编制了有限 元程序，进行了多维地震荷载作用下的结构时程反应分析。 这方面的研究成果还可以参见文献 4 0 4 5 等。 就目前国内外资料来看，动力荷载作用下海洋平台结构的倒塌机制与倒塌控制 的研究已必不可少。并且随着海洋平台数量增多，以及几次大的平台倒塌事故发生 后，人们越来越意识到进行某次极端荷载作用下海洋平台的破坏状况、剩余强度以 及极限承载能力的研究具有重要的实际意义。 自上世纪中叶以来，一些学者从试验入手，研究分析了钢结构、构件的各种破 坏形式，并建立了各种各样的分析模型。但由于试验有着很大的局限性，如耗资巨 大、难以实现等。所以数值模型成为各国学者的主要研究方向。 困外这方面工作开展得比较早。轴向受压的圆管构件的破坏分析最早是由 s m 【l h 等( 1 9 7 9 ) 进行对比试验给出的。s m i t h 指出即使很小的破坏也会使构件强度 明显的丧失。 t a b y 和m o a n ( 1 9 8 5 ) 给出了一个简单的方法来评估单个钢管构件在出现局部破 坏后的强度和特性。将产生局部破坏构件的剩余强度表示为长细比、径厚比、初始 侧向变形的幅值及凹痕深度的关系式o 。m o a n 等( 1 9 8 5 ) 随后对一平台结构进行了 整体分析，考虑了破坏构件的剩余强度。指出长细比大的结构储备强度大，但是一 旦有构件发生破坏，则整体强度降低幅度也比较大。采用了逐级加载的方式，直到 结构倒塌以得到结构的剩余强度。同时还给出了可能导致近海铜质平台破坏的情况 的简要描述。指出用线性分析方法来计算破坏后平台结构的残余强度会得出保守的 结果，特别是对冗余度较大的结构。因此需要考虑几何非线性和材料非线性及荷载 的重分布。材料非线性可利用基于应力合成的塑性铰来模拟“”1 。 t h s o r e i d e 等( 1 9 8 6 ) 在前人的理论方法基础上发展了一种计算程序u s f o s 用于导管架平台结构的极限强度分析，并对某一海洋平台结构进行了波浪荷载作用 下的倒塌分析以确定它的极限荷载，计算结果表明平台结构在极端环境条件下具有 相当大的剩余强度，极限荷载能达到设计荷载的4 1 至4 6 倍”1 。 巴西学者b e n j a m i n 等( 1 9 8 7 ) 指出平台结构的破坏在所难免，因此有必要采取 定的措施减少灾难性后果。从这种意义上看，非线性弹塑性分析是十分有效的方 8 绪论 法，这种数值方法可以比较准确地计算出结构发生一定破坏后的剩余强度，有助于 确定是否有必要进行维修加固。文献中对以往的方法进行了评价，指出以前采用的 方法都没有准确地考虑到所谓的“二次破坏”即某个构件破坏后，由于变形形 状的改变和结构内部应力的重分布，导致了结构的最终破坏。同时给出了种增量 迭代的计算方法来分析结构的二次破坏和剩余强度，采用空间梁单元，考虑了几何 非线性和材料非线性，对某一高度为7 5 米的四腿平台进行了倒塌分析。1 。b e n j a m i n 等( 1 9 9 7 ，1 9 9 9 ) 随后又进行了深入的研究，并编制了相应的计算程序c a l e b 5 。 英国的t h h y d e 等( 1 9 9 9 ) 采用三维块体单元对个平面节点桁架结构进行了 非线性弹塑性静力破坏计算，并和实验结果进行了比较。文章基于材料的弹塑性行 为对单个节点( t 、y 及t y 组合