考虑结构不确定性及地震空间效应的海底管线随机振动研究

发布时间：2020-03-21 23:43

【摘要】：随着海洋油气开发的迅猛发展,地震作用下海底管线的动力响应分析与可靠度估计问题日益突出。此类问题的分析难点主要来源于如下几个方面:(1)由于海底管线具有较大的空间尺度,地震地面运动的空间变化效应显著;(2)竖向地震作用下海底管线与海床的动态单边接触,以及水平地震作用下海底管线的几何大变形,在分析模型中都会产生显著的非线性效应;(3)由于腐蚀、焊缝、海洋生物附着等复杂局部特征,海底管线在模型化过程中不可避免地会引入不确定性;(4)由于土壤性质的随机性和地震波的复杂传播机制,地震地面运动通常也是不确定性的。因此,针对海底管线受空间多点地震作用的问题,本文从随机振动响应求解方法、动力可靠度估计以及结构不确定性建模等多个角度开展了研究,具体内容包括:])针对包含随机结构参数的多跨连续梁受空间多点地震作用的问题,提出了一种高效的随机响应与灵敏度分析方法。对于平稳随机地震响应分析,结合多跨连续梁频响函数的解析解,给出了随机响应的显式表达。相比传统的拟静位移分解法,该方法避免了求解拟静位移且无需借助结构的振型进行降阶,因此具有更高的计算效率和精度。对于非平稳随机地震响应分析,该方法通过Fourier变换在频域内进行求解,与传统时域方法相比,避免了在功率谱密度函数每个频点上进行逐步积分运算,大幅提高了随机响应分析的计算效率。此外,由于该方法直接给出了多跨连续梁随机响应的显式表达,因此可方便地求解随机结构参数对应的灵敏度。2)结合线性互补方法和子集模拟法,提出了一种考虑单边接触非线性和地震空间变化效应的海底管线可靠度高效分析方法。将多点输入地震作用下海底管线与海床的动态单边接触问题转换为线性互补问题;基于子集模拟法,将地震作用下海底管线的小概率失效问题转换为多层级的条件概率失效问题。该方法显著地提高了海底管线地震可靠度分析效率并且具有统一的求解格式。在此基础上研究了结构和地震两方面因素对海底管线可靠度的影响,总结了这些因素的影响机制和规律,并识别出影响海底管线地震可靠度的关键因素。3)基于非参数不确定建模理论,提出了一种考虑建模不确定性和非线性效应的海底管线地震响应分析方法。应用随机矩阵从整体层面上描述海底管线的不确定性,相比传统基于参数概率的不确定性描述方法,该方法能够更方便地处理海底管线有限元模型化过程中因腐蚀、焊缝、海洋生物附着等局部细节引入的不确定性。分别针对竖向地震作用下海底管线和海床的动态单边接触非线性问题,以及水平地震作用下海底管线的几何非线性问题,建立了海底管线地震响应的不确定性分析模型。此外,通过引入一种复合逐步积分方法,解决了海底管线地震响应分析过程中由几何非线性导致的积分不稳定问题。在此基础上,研究海底管线地震响应分析中的参数不确定性和建模不确定性的传播规律。
【图文】：

分布情况,地震带,全球

底管线的腐蚀［１５？气管线的悬跨［２１—２５］等。逡逑由于突发性和不可预见性，以及对结构的巨大破坏性，地震也是威胁海底管线安全逡逑性的重要因素之一。图１．２给出了全球地震带的分布情况［２６］，可以看出大部分的地震带逡逑位于海洋或者近海岸，与图１．１对比不难发现，许多油气资源恰好处于地震带上。海底逡逑管线设计过程中，主要参考由挪威船级社（ＤＮＶ）、美国石油学会（ＡＰＩ）、中国船级社等推逡逑荐的规范｜２＞２＇然而，这些规范中只是原则性地规定在地震设防区要考虑地震对海底管逡逑线的作用和影响，并没有给出详细的地震设计和分析方法。此外，由于施工成本过高且逡逑难度过大，海底管线在铺设后通常不做锚固或者掩埋处理，而是直接布置于海床上。在逡逑地震发生时，由于缺乏土体的约束，其动力学特性与通常做掩埋处理的陆上管线有着显逡逑著的区别，，因此针对陆上管线的地震设计和分析方法并不能直接套用到海底管线上。同逡逑时

弯矩图,随机响应,功率谱密度函数,弯矩

Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｐｏｗｅｒ邋ｓｐｅｃｔｒａｌ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ邋ｏｆ邋ｒａｎｄｏｍ邋ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ：邋（ａ）邋ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ；邋（ｂ）逡逑ｂｅｎｄｉｎｇ邋ｍｏｍｅｎｔ逡逑图２．４给出了多跨连续梁的位移和弯矩的均方值，可以观察到与功率谱密度函数结逡逑果类似的现象。这些结果表明，随着拟静位移分解法选取模态数的增大，其结果将逐渐逡逑接近本章方法的结果，由此可以验证本章方法在求解随机响应时的正确性。逡逑（ａ）呡｜＾１￣￣＇￣￣＇￣１＾＾￣＾－逡逑—Ｐｒｅｓｅｎｔ邋ｍｅｔｈｏｄ逦ｒ＼逡逑ａ逦ＱＤＤＭ，邋３０邋ｍｏｄｅｓ逦＼逡逑０邋０４邋／邋＼逦－－邋ＱＤＤＭ，邋８０邋ｍｏｄｅｓ逦／邋＼逡逑侧逡逑０．０１５逦丨逦１逦１逦１１逦：逦逦１—逡逑０邋２０邋４０邋６０邋８０邋１００邋１２０邋１４０邋１６０邋１８０逡逑Ｌｏｃａｔｉｏｎ邋（ｍ）逡逑－３５－逡逑
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P756.2

【参考文献】