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Abstract
Keywords
摘要
关键词
0 引 言
1 设防地震动水准
2 设定地震
3 地震动衰减关系
4 长周期地震动特征
5 结 语
参考文献
Abstract The seismic design of offshore oil platform structure requires some parameters such as peak ground motion value,response spectra, duration, and acceleration time-history. Because of the particularity of the structure and form of offshoreoil platforms, and the seismic environment in Chinese sea area, there are some particular measures to be taken in seismic ef-fect analysis of the offshore oil platforms. In this paper, some engineering seismic problems involved in the seismic effectanalysis of the offshore oil platforms are discussed, including design ground level, scenario earthquake, ground motion at-tenuation relation, long period ground motion, and so on.
Keywords offshore oil platforms, engineering seismic, seismic design, long period ground motion
摘 要 对于海洋石油平台,结构抗震设计要求提供地震动峰值、反应谱、持续时间以及速度时程等参数.由于海洋石油平台的结构和形式的特殊性,以及海域地震环境特征,考虑海洋石油平台地震动作用时要有不同的方法及侧重点.本文对海洋石油平台地震作用分析中涉及的一些工程地震问题研究进行了讨论,包括设防地震动水准、设定地震、地震动衰减关系、长周期地震动及其相关问题.
关键词 海洋石油平台,工程地震,抗震设计,长周期地震动
0 引 言
对于重大工程结构,为满足抗震设计的需要,关于地震动输入参数的确定方法及相关工程地震学问题已有不少研究[1—3].对于海洋石油平台,根据《海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法—工作应力设计法》[4]的要求,结构抗震设计则要求近地表处(海底泥面)单点的地震动峰值、反应谱及地震动持续时间、以及描述单点地震动过程的加速度过程.由于地震发生的偶然性很大,地壳介质与震源情况都复杂多变,所以地震动参数均以概率形式给出,工程重要性愈大,超越概率则愈小.这些地震动参数是大小不同、远近不同地震综合影响的结果.
对于海洋石油平台结构工程,地震对结构的影响主要是由其基础处地基(场地)的运动所引起.其结构抗震设计所要求的地震输入是结构基础处单点的地震动,目前采用的地震动确定方法是借助于概率分析方法[5],这一方法能综合反映地震环境、强地震发生的偶然性及地壳介质与震源情况的复杂性等因素的影响.本文将探讨概率分析方法确定海洋石油平台结构分析的地震动输入的一些问题,包括设防地震动水准、设定地震、地震动衰减关系、地震动长周期特征等.设防地震动水准涉及海洋石油平台的抗震设计原则及概率标定.海洋石油平台的应力分析中需要工程场点处的单点地震动峰值和反应谱、持续时间,以及加速度,这就需要确定设定地震.地震动衰减关系是估计地震对工程场地影响的关键问题之一.海洋石油平台结构具有较长的自振周期特性,地震动长周期特性十分重要.本文对这些问题的研究现状和存在的难点进行了论述,提出了针对海洋石油平台的研究方法和建议.
由于资料的限制和技术原因,这些问题的研究还处于起步阶段.但这些问题的探讨将推动未来海域地震区划和我国海洋工程的抗震技术规范的研究.
1 设防地震动水准
目前我国各行业的抗震设防中大多采用“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三级设防原则,在某种程度上包含了性态设计的思想,在国际上也是先进的.然而,如何确定三级地震动水准还是一个值得讨论的问题.在本文的讨论中,我们采用重现期来描述设防地震动水准,虽然超越概率与重现期是两个对应的概念,但重现期概念更容易理解.在《建筑抗震设计规范》[6]中,小、中、大三级地震分别取50年超越概率63%、10%和2%~3%的地震.其中50年超越概率10%的地震重现期为475年,规定当遭遇该水准的地震动时,结构进入非弹性工作阶段,但非弹性变形或结构体系的损坏控制在可修复的范围.50年超越概率63%的地震重现期为50年,这样规定的小震相当于在50年设计基准期内可望发生一次的最大地震,可以认为这种规定是基本合理的.但50年超越概率为2%和3%的地震的重现期分别为2475年和1642年,相当于50年设计基准期来说,以这种重现期的地震作为不发生倒塌破坏的大震水准,要求似乎高了[7].
对于海洋石油平台,其设防地震动水准应从下列几个方面考虑:
(1)考虑平台的使用期限,《建筑抗震设计规范》[6]中的地震动水准是按50年基准期考虑的,实际的海洋石油平台的使用期限可能达不到50年,海洋石油平台的实际使用年限为30年左右,过高估计了设计地震动,会在平台的结构分析中过分注重地震力的作用,相应地降低了风、浪、水流、潮汐等作用力的影响,这将不利于平台的结构形状和材料的选择.
(2)重要性和设计准则的考虑,海洋石油平台属于产生次生灾害的结构,一旦发生破坏,将会造成严重的环境破坏,应根据其破坏效应的特殊性,确定其设计原则.目前国际上海洋石油平台的设计原则要求经受两级地震动[8],即设计地震,结构与基础在经受此地震时无显著破坏;罕遇地震,结构与基础在此地震动下无生命损失和严重污染,容许结构与基础有一些损坏,但不倒塌.这一设计思路具有借鉴意义.
(3)地震活动环境的因素,《建筑抗震设计规范》[6]中的地震动水准是根据我国华北、西南、西北地区45个城镇的地震危险性分析结构统计得到的,具有一定的局限性.我国海域内的地震环境是不同于陆地的,不同地震环境条件不同,地震危险性的特征是不同的,在抗震设防中考虑地震危险性的差异是必要的.
2 设定地震
采用基于地震动参数模拟地震动时程,进行海洋石油平台的动力结构分析时,需要地震动峰值、反应谱、持时等参数,以及描述地震动时域非平稳性的时程包络参数,这些均需利用设定地震.
设定地震的概念是基于直接模拟真实地震影响的思想,它是目前在工程地震研究中人们较为关注的课题.其基本思想是直接模拟真实的地震影响,最基本问题是必须确定物理概念上的地震,即确定地震的大小及地震发生的空间位置,也就是要设定一个假想的地震,即设定地震.对已发生地震进行模拟时,设定地震较为简单,它即为该已发生地震.但对于未来地震的影响(危险性)进行分析时,设定地震问题则较为复杂,其设定将与所要分析的工程问题有关,从而形成设定地震的不同定义及确定方法.目前确定设定地震的方法主要有确定性方法和概率分析方法,确定性方法虽然有着明确的物理意义,能合理地反映未来某一可能发生的地震的影响,但它难以对地震环境影响较全面地反映.概率方法是目前主要的工程地震动输入方法[2],它基于综合考虑总体地震环境影响的思想.它以地震影响强度参数(地震烈度或地震动参数)值及对应的超越概率值来表述总体地震环境影响,以给出未来地震危险性水平及程度.这里仅讨论基于地震危险性分析的概率方法分析结果确定设定地震.
设定地震起初是用于在地震危险性分析的概率方法中所指的“等效地震”、“主要贡献地震(期望震级与距离)”等概念,用以确定地震动持续时间参数,现已在地震灾害分析中得以应用.设定地震本身应不具有概率含义,但由于概率方法中等效形式的引入,使得设定地震可具概率含义.不具概率意义的设定地震很容易被理解,它是某一地震或未来某一可能发生的地震.而具概率意义的设定地震将没有那么明确的意义,它既不是某一历史地震也不一定是未来某一可能发生的地震,而是概率等效意义上的地震.
因此,设定地震的作用可从以下几方面来理解:(1)确定描述地震动过程的参数;(2)估计地震活动断层的地震危险性程度;(3)对历史地震事件影响的模拟;(4)地震损失评估;(5)对工程结构的地震影响分析.因此,对于海洋石油平台,设定地震的确定原则可归纳为:(1)对工程场地产生的地震动要与给定的设防水准一致;(2)能反映出对工程场地地震动危险性水平贡献较大的地震;(3)反应出工程结构的动力特征.
3 地震动衰减关系
地震动衰减关系是估计地震影响的关键问题之一.工程上所指的地震动衰减关系虽然也描述了地震震源特性对地震动的影响,但更主要是表述地震波在地球介质中传播的衰减特性.地震动衰减关系确定的主要方法是基于大量强震记录资料的统计分析.对于缺乏足够强震记录资料的地区,也可采用类比及近似转换方法[9].
总体上我国还缺乏足够强震记录资料来进行地震动衰减关系确定的统计分析,在海域尤为严重.目前我国工程界所用的方法是基于研究地区的地震烈度衰减关系,借助于参考地区的地震动衰减关系及地震烈度衰减关系,采用转换方法获得用于研究地区的地震动衰减关系.地震烈度可理解为地震动的一个综合表述量,地震烈度衰减关系特征也综合表述了地震动衰减关系的特征.因此,这一转换方法有其合理的理论基础.地震动的频谱也是地震动的主要特征量,而综合表述地震动强度的地震烈度难以表述地震动的频谱变化特征,因此,利用转换方法获取地震动的频谱特征(如地震动反应谱)衰减关系,实际上假定了地震动各频率成分对地震烈度影响相同.这使得转换方法不够完满.
地震动衰减关系研究的另一值得人们关注的问题将是震级距离分档衰减关系问题.目前我们常用的地震动衰减关系是不区分震蕉距离的.这些衰减关系在地震危险性分析的概率方法中应用并没有表现出不足,反而较为方便.因为,在概率方法中不同震级距离档的地震将综合起作用,每一震级距离档的地震的作用并不十分突出,所以,所关心的将是地震动衰减关系在不同震级距离档内的平均合理性问题.然而,对于设定地震,地震动衰减关系在该震级距离档内的合理性问题将至关重要,研究震级距离分档地震动衰减关系将十分必要.当然,这一工作需建立在更多的强震记录资料的基础上.
4 长周期地震动特征
由于海洋石油平台的工程结构具有较长的自振周期特征,一般可达2~3 s,有的甚至达到5~6 s,因此,海洋石油平台的地震动长周期特性显得十分重要.
目前,对于长周期地震动特征的研究,总体上处于相对不成熟的阶段,主要是观测资料在长周期部分的缺陷阻碍了这类研究的开展,这一点从各国的抗震设计规范的反应谱大部分只规定到周期3 s就可以看出.
我国目前研究长周期地震动的方法有利用位移记录[10].位移主要反映地震动长周期部分,使其在地震动长周期研究中具有优越性,提供适当的校正,可得到周期长达10 s的反应谱.但反应谱与地面最大位移的关系非常复杂,这种以特定地震和特定场地得到的实际地震反应谱的可靠性和实用性均需进一步探讨.
另一种方法是宽频带地震记录资料研究长周期地震动反应谱[11].数字宽频带地震仪具有良好的长周期特性,同时数字宽频带记录的噪声水平低,在周期长达20 s时,即时在弱地震动情况下,还具有较高的信噪比,特别是速度记录的质量好于加速度.数字宽频带记录的处理较为简单,不需要太多的校正步骤.但目前台站非常稀少,布设时间相对较短,特别是缺少大震近场资料.
另外,一般认为,加速度主要反映地震动的高频部分(0.1~0.7 s)、速度则反映地震动的中频部分(0.7~2.0 s)、位移主要反映地震动的长周期部分.对自振周期较长的海洋石油平台,在相应的工程地震问题中,还需要进行地震动速度衰减关系和位移衰减关系等方面12,13]的研究.
5 结 语
本文针对海洋石油平台的结构特征,讨论了平台抗震设防所涉及的设防地震动水准、设定地震、地震动衰减关系、长周期地震动及其相关问题.这些看法肯定不够全面.
由于我国海域内有关地球物理、地质构造、场地工程地质、地震等方面的研究程度还不是很高,有关海洋石油平台设计地震动参数研究的有关技术途径和规范还未开展专门的研究.本文提出的有关问题涉及到的有关研究方向为:(1)海洋石油平台抗震设防标准的研究;(2)我国海域地震动参数区划的研究.
参 考 文 献(References):
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