罕遇地震下導(dǎo)管架平臺動(dòng)力災(zāi)變機(jī)理與倒塌控制研究

地震是一種突發(fā)性自然災(zāi)害，具有極大的危害性和不可預(yù)測性，對海洋結(jié)構(gòu)物構(gòu)成極大的威脅。本課題面向固定式海洋石油平臺的抗震工程，系統(tǒng)研究了強(qiáng)震作用下導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的動(dòng)力倒塌分析方法、平臺動(dòng)力災(zāi)變過程模擬技術(shù)以及結(jié)構(gòu)抗震魯棒性評價(jià)與損傷控制方法。首先通過能力譜法、MPA方法以及，IDA方法分析了平臺的非線性力學(xué)行為及抗震性能，探討了其內(nèi)力重分布機(jī)制及倒塌模式，有效揭示罕遇地震下海洋導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的動(dòng)力災(zāi)變機(jī)理；基于LS/DYNA顯示動(dòng)力分析，綜合考慮接觸、碰撞和斷裂失效等因素，發(fā)展了地震載荷下導(dǎo)管架平臺災(zāi)變?nèi)^程的高效數(shù)值模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)平臺倒塌全過程的可視化，再現(xiàn)平臺從桿件屈曲斷裂、至局部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、最終至整體倒塌的動(dòng)態(tài)災(zāi)變?nèi)^程，為平臺抗震性能分析與設(shè)計(jì)提供了有效工具；從確定性角度和概率角度，建立了導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)魯棒性的定量評價(jià)方法，明確了海洋倒塌過程中失效路徑傳遞與變化規(guī)律，有效確定平臺關(guān)鍵構(gòu)件及主要失效路徑，為平臺倒塌破壞模式的合理設(shè)防和控制技術(shù)提供依據(jù)；基于BRB，對平臺結(jié)構(gòu)抗震性能分析，有效實(shí)現(xiàn)對平臺在罕遇地震作用下的振動(dòng)控制，使得平臺整體倒塌失效模式具有可預(yù)見性與可控性，從而降低平臺在強(qiáng)震作用下的倒塌失效概率與失效后果。本課題研究將推動(dòng)海洋工程結(jié)構(gòu)地震環(huán)境下抗倒塌設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展，為我國海洋平臺結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)與安全運(yùn)行提供理論與技術(shù)支持，降低震區(qū)海域海洋油氣開采的風(fēng)險(xiǎn)性，具有良好的學(xué)術(shù)價(jià)值與工程應(yīng)用前景。 2100433B

本課題面向固定式海洋石油平臺的抗震工程，系統(tǒng)開展強(qiáng)震作用下導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的動(dòng)力倒塌分析方法、平臺動(dòng)力災(zāi)變過程模擬技術(shù)以及結(jié)構(gòu)抗震魯棒性評價(jià)與損傷控制方法的研究。試圖揭示罕遇地震下海洋導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)的動(dòng)力災(zāi)變機(jī)理，明確倒塌過程中平臺失效路徑傳遞與變化規(guī)律，探討結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布機(jī)制及平臺倒塌模式；致力于發(fā)展地震載荷下導(dǎo)管架平臺災(zāi)變?nèi)^程的高效數(shù)值模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)平臺倒塌全過程的可視化；研究海洋平臺結(jié)構(gòu)魯棒性的定量評價(jià)方法以及平臺倒塌破壞模式的控制技術(shù)，對平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能優(yōu)化，使其整體倒塌失效模式具有可預(yù)見性與可控性，降低其倒塌失效的概率與失效后果。本課題研究將推動(dòng)海洋工程結(jié)構(gòu)地震環(huán)境下抗倒塌設(shè)計(jì)理論與方法的發(fā)展，為我國海洋平臺結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)與安全運(yùn)行提供理論與技術(shù)支持，降低震區(qū)海域海洋油氣開采的風(fēng)險(xiǎn)性，具有良好的學(xué)術(shù)價(jià)值與工程應(yīng)用前景。

本項(xiàng)目通過三年的研究工作，已完成項(xiàng)目計(jì)劃內(nèi)容，并取得了一系列研究成果。 本項(xiàng)目從汶川地震收集的山嶺隧道震害資料出發(fā)，統(tǒng)計(jì)分析了汶川地震中山嶺隧道的震害資料，提出了山嶺隧道抗震風(fēng)險(xiǎn)層次分析模型，深入調(diào)查了受損隧道的地質(zhì)構(gòu)造情況，研究了跨斷層隧道的震害特征，并系統(tǒng)描述了跨斷層隧道的震害形態(tài)。 通過斷層活動(dòng)與地震耦合作用下隧道—斷層體系的災(zāi)變機(jī)理研究，提出了采用損傷指標(biāo)和能量指標(biāo)分析隧道—斷層體系的非線性反應(yīng)，建立起基于損傷指標(biāo)和能量指標(biāo)的隧道—斷層體系的安全性評價(jià)體系。并提出了在隧道斷層處設(shè)置結(jié)構(gòu)構(gòu)造的措施。 根據(jù)穿越活動(dòng)斷層隧道的地震動(dòng)力響應(yīng)特性，分析了不同影響因素下隧道縱向抗震設(shè)防長度，數(shù)值模擬結(jié)合振動(dòng)臺試驗(yàn)，提出了分級量化指標(biāo)。根據(jù)震害調(diào)查分析及模擬結(jié)果，對斷層區(qū)隧道的抗震設(shè)防進(jìn)行了分段，根據(jù)不同位置制定了不同的對策措施，并且通過現(xiàn)場測試驗(yàn)證，修改完善了設(shè)防體系，最終提出了跨斷層隧道抗震設(shè)防應(yīng)用性設(shè)計(jì)參數(shù)。 發(fā)表學(xué)術(shù)論文10篇，其中SCI收錄2篇，EI收錄7篇，部分研究成果發(fā)表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（SCI收錄）、《Disaster Advances》（SCI收錄）、《中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》(EI收錄)、計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)學(xué)報(bào)(EI收錄)、土木工程學(xué)報(bào)(EI收錄)及《現(xiàn)代隧道技術(shù)》(EI收錄)等國內(nèi)外期刊上。另外，發(fā)表學(xué)術(shù)專著一部，并獲得大連市人民政府資助出版。 2100433B

一般認(rèn)為洞口段是隧道抗震的薄弱部位，但是5.12汶川地震隧道震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)不少隧道洞身段也發(fā)生開裂破壞，甚至倒塌。究其原因，主要是這些隧道穿越地層條件多為斷層破碎帶。項(xiàng)目以西部高烈度地震區(qū)和活動(dòng)斷裂區(qū)若干隧道工程為研究對象，從隧道動(dòng)力學(xué)、地震工程學(xué)及地質(zhì)學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)理論出發(fā)，結(jié)合汶川地震跨斷層隧道震害調(diào)查資料，采用地震模擬振動(dòng)臺試驗(yàn)和三維數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)研究地震與活動(dòng)斷層耦合作用下隧道-圍巖-斷層系統(tǒng)的災(zāi)變機(jī)理與控制對策。包括引入損傷理論和能量原理建立隧道抗震安全性評價(jià)方法；提出隧道采用柔性接頭形式穿越活動(dòng)斷層，綜合考慮柔性接頭的可蠕動(dòng)性與抗震性耦合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道正常使用階段的安全性與地震發(fā)生時(shí)的大變形吸能能力的合理均衡。項(xiàng)目預(yù)期將建立隧道安全性評價(jià)理論、方法以及災(zāi)害控制對策。項(xiàng)目的研究對于深入揭示活動(dòng)斷層區(qū)隧道地震破壞機(jī)理具有重要意義，為隧道抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

在50年期限內(nèi)，一般場地條件下，可能遭遇的超越概率為2%~3%的地震烈度值。相當(dāng)于1600~2500年一遇的地震烈度值。