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海洋平台的概率地震分析土-桩-结构相互作用的不确定性
关键词：不确定性，导管架式海上平台，综合交互增量，动态分析(综合互动），采用模拟退火(SA)优化，结构性能
摘要
本文提出了一种考虑地震荷载不确定性的新方法，在概率评估中对结构、模型参数和性质的描述，对地震活跃区现有导管架式海上平台的地震相关破坏进行了研究。这一方法的目的是促进土壤与树木之间的相互作用的概率分析(SPSI)通过实现全面的交互增量动态分析(全面的交互方法，涉及与三个独立元素相关的不确定性的卷积:结构、桩和支承土。本定量地震分析程序包括适用于强震记录，并能进行全面的交互作用现有固定平台的ear模型;b)将IDA的综合交互结果归纳为多种百分位性能界限;c)将结果与危害强度-复发进行积分将关系转换为概率地震格式。为了解决和传播这些不确定性，拉丁超立方体与模拟和优化相结合的技术被用于评估其效果对结构响应进行了相对较少的仿真。建议的方法包括现有平台中包含不确定性的能力可以有效地用于评估结构其他行业的诚信。
1.介绍
在过去的二十年里，破坏性的自然灾害如地震和飓风对现存的生物造成了严重的破坏基础设施，如建筑物、桥梁和海上平台。在在许多情况下，这种损害本来是可以减少或防止的设计人员有更好的工具来评估结构的脆弱性和功能在不同的严重载荷条件下的适用性。作为严重性和预期自然事件的不良后果的发生频率在未来几年的增长中，发展具有重要的意义可用于更好地合并相关的工具和技术结构脆弱性评估所涉及的不确定性承受极限载荷。解决这种需求是一种重大的挑战和每种类型的基础设施都有自己的独特之处因此，一个理性的方法来处理这个问题是通过调查每一个独立的基础设施类型。本文正是对这一需求的回应重点研究海上平台的地震风险评估。
导管架式海上平台是石油和自然资源勘探、生产中最重要的结构之一获得海上油气资源，已获得重大投资在过去的几十年里，在建造这样的平台都是如此世界各地。因为这些平台和安装的设备发挥作用在油气生产线上起着非常重要的作用，任何损坏它们可以在自然灾害中维持，比如地球地震，可能导致毁灭性的物理破坏以及业务中断的损失。美国石油学会API-RP2A的抗震设计标准包括强度和延性确保结构在不同载荷条件下保持其结构完整性的要求。在低于海平面的地震中，200年的地震不会造成重大损失返回时间。对于延性地震，结构破坏是可接受，前提是防止崩溃发生在1000到5000年重现期。
由于改造现有设施以满足现代设计的要求，从经济和社会的角度来看，成本往往高得令人望而却步，1993年，美国石油学会(API) [1]成立由杰出地震工程师组成的专家小组进行检讨建筑钢研究学报101 (2014)265-279⁎通讯作者:K.N. Toosi技术大学土木工程系米尔达马德十字路口19967号Valiasr街1346号，邮政信箱15875-4416，德黑兰,伊朗。电话: 98 21 8877 9623;传真: 98 21 8877 9476。电子邮件地址:a_ajami@dena.kntu.ac。ir (A. Ajamy)， mzolfaghari@kntu.ac.ir(核磁共振Zolfaghari) asgarian@kntu.ac。ir (B. Asgarian)， ventura@civil.ubc。ca(石球Ventura)。http://dx.doi.org/10.1016/j.jcsr.2014.05.0240143-974X/copy;2014爱思唯尔有限公司保留所有权利。内容列表可在ScienceDirect期刊上找到建筑钢研究杂志在地震评估和可接受的每对现有陆上设施的性能进行评估，以制定一个统一的海上结构设计和改造标准。作为一个序列，海上工程界是最早合并的将大型非线性静力和动力分析纳入设计过程[2,3]。
1988年，Bea等人开发了一个框架来评估和维护老平台。石油工业工业研究所进行的研究尽管一些较老的导管架式海上平台没有达到当时的设计准则，他们可能还会保留吗定制[4].In1992 Iwanetal。[5]提出了一种海洋平台地震安全性评估的方法，其结果是选择依赖方法来解决结构完整性问题老化的平台。在Bazzurro和Cornell[6]的另一项研究中，采用常规地震危险性分析来计算年际地震危险性导管架式比地震性能水平的超过率海上平台。1995年，Cornel[7]提出了一种鲁棒方法评估海底结构的失效概率极端负载。他提出了一套推荐的简化方法可靠性分析、设计准则的制定和风险管理离岸结构体系的。2004年，国际标准组织(ISO19901-2)[8]在全球范围内发表了《海上地震》区域地图和提供更多的现场土壤分类，超越那些iden-由API整理。此外，还提出了评价固定资产的新特征钢结构海洋结构在地震作用下的抗震性能可靠性水平。2007年，Ronalds等人采用了另一种方法其中加载模式对应于故障的返回周期-保证是利用。2010年，Asgarian和Ajamy[10]把他们的研究重点放在对非线性动力行为的理解提出了一种新的设计方法通过对导管架式海上平台的增量动力分析(IDA)，并定义了地震性能中的极限状态。此外,Asgarian和Shokrgozar在2013年[11]对地震perfor-进行了评估现有导管架式海上浮式平台mance采用概率方法对桥面进行了年平均估计频率和信心水平。
基于性能的地震工程(PBEE)框架最早由Krawinkler和Cornell[12]在2000年提出在许多研究中被用来评价地震结构性能，同时考虑了偶然性的不确定性(如以及认知的不确定性。与关于不确定性的处理，目前的模型有哪些在使用中有几个缺点，以解决认识的不确定性这是必须纠正的。因此，本文提出了一种概率冰毒-在气味学中，偶然性和认知不确定性是用来估计损伤阶段使用一个定义的极限状态函数的概率为导管架类型的离岸平台。以吸收这种非er-的综合作用污点，使用拉丁超立方体采样的有效方法并采用模拟退火技术。结果与相似的情况进行比较，但没有认识上的不确定性，即与地面运动记录相关的随机不确定性只使用。
2.处理不确定性
2.1简要概述地震性能和可靠性技术
本论文以概率框架理论为核心，以和平地震工程研究中心为核心，阐述了地震方法科学的本质可靠地估计结构的抗震需求和抗震能力。这是由于经验主义的高度和预测的不确定性对地震性能进行了详细的非线性响应历史分析是否需要同时包含任意和认知的不确定性结构模型。近年来，有几种方法应用于评价相关建模不确定性的影响地震的要求。这些方法可以提供以下方法分别研究一个或多个随机变量的影响同时进行。
Porter和Kiremidjian[13]采用敏感性分析进行评价结构建模参数不确定性的影响依次为预测崩溃前的性能。还有敏感性的结果Aslani[[14]]的分析表明，与系统参数相关的不确定性会显著影响地震性能。因为仅仅进行敏感性分析是不够的在综合评价地震危险性的不确定性影响下，可以应用专门的结构可靠度方法传播和包含不同类别的不确定性。以Ibarra[15]为例，对其极限破坏能力的敏感性进行了评价利用一阶二阶矩法(FOSM)对系统参数进行不确定性分析，验证了FOSM结果的准确性通过蒙特卡罗模拟。在另一项研究中，Lee和Mosalam[16]讨论了钢筋混凝土参数不确定性的影响使用FOSM方法构造响应。Haselton[17]也用FOSM方法提出了建模不确定性的研究它们对加固后的音乐会专用动力框架倒塌能力的影响由于FOSM方法简单，对于概率较低的情况，其精度是不能接受的失效(pfb10 - 5)或高度非线性响应。
其他近似方法，如一阶可靠度方法(表)和二阶可靠度方法(SORM)，可用于结构可靠度的近似分析极限状态函数。如果破坏面具有近似线性的行为围绕设计点，表单通常工作得很好。相反，如果失败是高度非线性的，那么结果就会得到改善在失效函数中使用二阶近似。这些技术要求了解hellip;的均值和标准差随机变量和故障函数的定义。在小规模的结构问题，形式和SORM简单合理计算时间和保证非常准确的结果，但在大型和更复杂的结构，如海上平台，的在动态过程中，密集的计算任务显著增加加载条件。此外，它需要使用蒙特卡罗仿真(MCS)方法验证了上述方法的准确性，特别是在强非线性失效函数[18]中。MCS的实现涉及到概率的知识所有输入随机变量在进行可靠性分析前的分布函数。例如，Singhal和Kiremidjian[19]使用MCSmethod建立了结构损伤的运动损伤关系在钢筋混凝土抗弯矩框架中。在另一项研究中,Porter和Kiremidjian[13]将MCS应用于估计统计量的概率二元组合脆弱性函数的开发建筑物维修费用的参数作为地面运动强度的函数。Shinozuka等人[20]也利用MCS方法进行了估计对桥梁的损坏以及对运输的进一步影响网络性能。2008年，Liel和Deierlein应用了这个响应曲面法作为函数关系之间的随机输入结构响应的变量和极限状态准则，如崩溃的能力极限。他们使用了MCS和响应面传播模型不确定性，并拟合响应面敏感性分析结果。他们用非常非线性的方法证明了这一点结构响应方面，建模不确定性的影响可以更大重要的[21]。
要实现全面的结构评估，过程中MCS方法重复了成百上千次。自粗糙的MCS方法实现起来昂贵，而且更先进抽样方案，如方差减少技术，必须被考虑。拉丁超立方体采样(LHS)是减少模拟数量的一种合适选择需要的。该方法最早由McKay等人提出。再细分输入的理论概率分布函数随机变量被分成不等概率层。在2002年,Jones等人采用LHS方法对土壤不确定度的影响进行了评价266 A。Ajamy等/建筑钢研究学报101 (2014)265-279用离散概率描述它们的性质分布函数。Vamvatsikos和Fragiadakis[24]利用了采用LHS、点估计和FOSM技术来传播不确定性，并通过IDA对某钢弯矩的实际地震性能进行评估抵抗帧。如果将该方法与随机优化技术相结合，则可以利用目标相关控制LHS方法中的相关关系。2009年，Vorechovsky和Novak [25]提出了LHS方法和模拟退火算法(SA)运算时间化方法，建立了目标相关性，降低了相关性错误。他们还提供了它在模拟包括机架在内的实际材料加固混凝土结构的复杂行为中的应用在峰前、峰后和峰后状态下传播。在另一个在研究中，Dolsek[27]利用该策略在约束混凝土建筑中传播不确定性，并对其抗震性能进行评估艾达，Golafshani等人在2011年将该方法应用于现有导管架式海上平台的撑玛瑙不确定度计算通过概率增量法在极端波浪下进行评估波分析。
2.2提出了评估建模不确定性影响的方法
同时考虑与SPSI相关的不确定性，可以通过IDAs和综合交互IDAs来考虑。IDA方法最初是由Vamvatsikos和Cornel在2002年提出的。在此方法中，计算的是利用非线性动力分析方法对地面运动记录进行了标定反映了随机不确定性[29]的影响。综合交互IDA方法本质上是IDA的一个增强版本在这种情况下，对结构的集合模型分别进行了分析组采用非线性动力分析方法，对其影响进行了分析认知不确定性被量化。
国际开发协会全面互动的实施情况比IDA面临更多的挑战，但结果提供了更多的信息关于一个结构系统的行为比任何其他的评估-离散元方法。这些结果可以用具体的故事来表达基于所有层间漂移比(IDR)的需求模型作为损伤测量(DM)指标。综合结果相互作用也依赖于假定的认知不确定性以及选定的强度测量(IMs)。
图1说明了所提出的分析过程的主要组成部分。这个过程包括四个主要步骤，如图所示图1中的分割线。第一部分是变量的选择(如表1所示)和输入数据，这些数据考虑了偶然性和认识论的不确定性。这些数据的变化导致许多场景的结构和土壤的数值表示第二部分是模型和地震荷载。然后,地面从现场响应分析得到的运动记录用于生成第三部分为单记录综合交互IDA曲线。最后，对结构的地震反应进行了评价定义不同的极限状态。应该指出，这是一个多阶段的过程方法论是模块化的，它允许对各个阶段进行研究独立执行，然后链接到一起。
图2详细展示了综合交互法的过程。输入数据的变化导致许多可能的结构和土壤特性场景。而IDA过程需要每条记录都要按不同的IM级别进行缩放，综合交互作用IDA方法在这一过程中包含了进一步的不确定性，并且这使得分析过程比IDA方法。然而，它需要更少的计算工作来提供结果比粗糙的MCS法甚至LHS法更准确方法。
2.3传播的不确定性
不确定性的重要性因具体情况而异，也可能有所不同取决于结构类型、场地和地震作用。主要的本文所模拟的不确定因素的来源与结构特性(导管架和桩)、土壤特性和地面运动响应有关。结构不确定性包括构件强度和刚度。与土壤性质有关的不确定性包括剪切波速剖面(vs)，剪切模量减小和材料阻尼(D)曲线。为评估地震场地反应此外，还考虑了垂直剪切波速剖面以更好地评估桩在结构建模部分的行为。地震荷载的不确定性由记录记录的变异性所包含(这将在下面的章节中详细描述)。表1为研究不确定性的定量信息，包括输入随机的均值或中值变量、变异系数(COV)、分布类型、以及用于量化每个不确定性的参考文献。
图1所示，考虑不确定性来源的海
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