（机械制造及其自动化专业论文）巨型框架海洋平台设计及优化研究.pdf

d e s i g na n do p t i m i z a t i o no fm e g a - f r a m eo f f s h o r e p l a t f o r m b y t a nh u i u n d e rt h es u p e r v i s i o no f a s s o c i a t ep r o f z h a od o n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo f j i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y2 9 ，2 0 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：递盈 e l期： 垫! l ：五：塾 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：啦导师签名：埠椠日期：业 济南大学硕卜学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 波浪载荷研究现状l 1 2 1 波浪理论l 1 2 2 波浪载荷计算方法2 1 2 3 波浪载荷对平台的影响3 1 3 海洋平台优化研究现状3 1 3 1 尺寸优化4 1 3 2 形状优化4 1 3 3 拓扑优化5 1 3 4 动力优化5 1 4 巨型框架结构研究现状6 1 5 课题主要研究内容8 1 6 ，j 、l 右8 第二章巨型框架海洋平台设计9 2 1 平台拓扑优化研究9 2 1 1 拓扑优化方法9 2 1 2 模型建立l o 2 1 3 静载荷下平台拓扑优化研究。1 l 2 2 巨型框架海洋平台构建1 3 2 3 平台自振特性分析1 5 2 4 平台承载特性分析。1 7 2 5 小结1 9 第三章波浪载荷计算及影响因素分析一2 l 3 1 巨型框架海洋平台波浪载荷理论计算2 1 3 1 1 波浪理论选择2 l 3 1 2 波浪载荷计算。2 2 3 2 结构参数对巨型框架海洋平台波浪载荷影响研究2 5 3 2 1 巨型梁位置对平台波浪载荷的影响2 5 3 2 2 巨型柱与巨型梁参数对平台波浪载荷的综合影响一2 6 3 3 巨型框架海洋平台波浪载荷计算方法分析3 0 e i 犁框架海洋、f 台设计股优化研究 3 4 小结3 4 第四章巨型框架海洋平台参数分析及优化研究3 5 4 1 正交优化理论3 5 4 2 巨型框架海洋平台结构参数优化研究3 5 4 2 1 影响因素确定。3 5 4 2 2 仿真试验安排3 7 4 2 3 平台最优结构参数确定4 2 4 3 恶劣载荷作用下m f p 平台综合性能分析4 8 4 4 巨型框架海洋平台一般性设计方法要点4 9 4 5d 、结5 0 第五章结论与展望5 l 5 1 结论51 5 2 展望5 2 参考文献5 3 致谢5 8 附录5 9 济南大学硕e 学位论文 摘要 固定式导管架平台是广泛应用于海洋石油钻采作业的海洋结构。随着石油勘 探和开采向较深水域发展，导管架平台面临许多技术难题。一是随着水深增加， 结构增大，抗弯刚度下降。在海上恶劣载荷作用下，振动更加明显和剧烈，甚至 引起平台整体破坏：二是随着结构的增大，海浪作用在平台上的载荷增加，平台 整体振动响应增大。此外，结构增大还会使平台的造价急剧上升，海上运输和作 业的时间延长，受环境的影响变大。为解决导管架平台向深海发展的瓶颈问题， 本文将巨型框架理论与传统导管架平台设计方法相结合，构建巨型框架平台，并 对其性能、影响因素进行深入研究，在此基础上，确定了平台最优参数。 第一、巨型框架结构在海洋平台设计中的移植应用和巨型框架海洋平台设计 研究。利用陆地高层建筑上应用成熟的巨型框架结构和理论构建新型海洋平台的 拓扑优化模型。在模型上施加水平方向的波浪载荷和垂直方向的重力载荷进行拓 扑优化分析。依据拓扑优化分析结果和海洋平台设计准则构建巨型框架海洋平 厶 i e i o 第二、巨型框架海洋平台性能分析及影响因素研究。利用有限元分析软件对 巨型框架海洋平台进行模态分析，得到平台的动态特性，并研究结构参数对平台 自振特性的影响；针对不同的海况，研究巨型框架海洋平台在波浪载荷作用下的 动力响应和平台承载特性。 第三、巨型框架海洋平台波浪载荷计算及影响因素研究。研究巨型柱、巨型 梁的结构参数对平台波浪载荷的影响，在兼顾平台性能的情况下进行平台结构参 数优化，减少平台承受的波浪载荷；根据巨型框架平台的结构特点，研究用于平 台波浪载荷理论计算的简化模型，为工程应用提供了理论依据。 第四、巨型框架平台结构参数动力优化研究。利用正交优化试验方法对在正 弦载荷作用下，探讨巨型柱直径、倾角、巨型梁直径和巨型梁位置四因素对巨型 框架平台结构的影响程度，对平台进行尺寸和形状优化研究，得到较理想的巨型 框架平台，并通过仿真试验分析了优化的巨型框架平台在恶劣工况下的承载性 能。 第五、巨型框架海洋平台一般性设计方法的建立。总结巨型框架海洋平台力 i 犁框架海洋甲台设计硬优化研究 学性能、承载特性、波浪载荷计算方法、结构参数影响显著性及规律等，得出巨 型框架平台指导性设计方法，为工程应用提供了理论支持。 关键词：巨型框架海洋平台；巨型框架；海洋平台；波浪载荷；结构优化 i i 济南大学硕1 学位论支 a b s t r a c t t h ef i x e dj a c k e tp l a t f o r mi st h ec o m m o no f f s h o r es t r u c t l l r ew i d e l yu s e di no i l e x p l o r a t i o na n dp r o d u c t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo i le x p l o r a t i o na n de x p l o i t a t i o n g o i n gi n t od e e pw a t e r , t h ef i x e dj a c k e tp l a t f o r m sa r ef a c i n gm a n y t e c h n i c a lc h a l l e n g e s i nt h ef i r s tp l a c e ，a l o n gw i t l lt h ew a t e rd e p t ha n dt h es t r u c t l l r e s s i z e si n c r e a s e ，t h e b e n d i n gs t i f f n e s so f t h ep l a t f o r md e c r e a s e s u n d e rt h ea c t i o no fs e v e r el o a d si nt h es e a , t h ef i x e do f f s h o r ep l a t f o r m sv i b r a t em u c hm o r eo b v i o u s l ya n ds e v e r e l ya n dm a yb e i n t e g r a l l yd a m a g e d s e c o n d ，w i t ht h ee n l a r g e m e n to ft h es 仃u c t u r e s ，t h ew a v el o a d i n g o nt h ep l a t f o r mw i l la l s oi n c r e a s e sa n dw i l lc a u s et h ep l a t f o r m s o v e r a l lv i b r a t i o n r e s p o n s e i na d d i t i o n ，t h ee n l a r g e m e n to ft h es 仃u c t i l 佗w i l lm a k et h ec o n s t r u c t i o nc o s t o ft h ep l a t f o r mi n c r e a s es h a r p l y ，t h et i m eo fm a r i n et r a n s p o r t a t i o na n do p e r a t i o n sb e l o n g e r , e f f e c to ft h ee n v i r o n m e n tb el a r g e r i no r d e rt os o l v et h eb o t t l e n e c kp r o b l e m s w h i c hh i n d e rt h ed e v e l o p m e n to ft h ef i x e do f f s h o r ep l a t f o r mi n t od e e pw a t e r , an e w p l a t f o r mn a m e dm e g a - f r a m eo f f s h o mp l a t f o r m ( a b b r e v i a t e dt om f p ) i sd e s i g n e db a s e o nb o t ht h ed e s i g nt h e o r yo ft h et r a d i t i o n a lp l a t f o r ma n dt h em o d e m m e g a - s 仃i l c t l e t h eo p t i m a lp a r a m e t e r so ft h em f pa r ed e t e r m i n e do nt h es t u d yo ft h ep e r f o r m a n c e a n di t sa f f e c t i n gf a c t o r sf o rt h en e wo f f s h o r es t r u c t u r e f i r s t l y , t h em e g a - f r a m es t i u c t i l r ei sa p p l i e di nt h ed e s i g no ft h em e g a f r a m e o f f s h o r ep l a t f o r m b a s e do nt h eu s eo fg i a n tf r a m ea n di t st h e o r ym a t u r e l ya p p l i e do n h i g h - r i s eb u i l d i n go nl a n d ，t h em o d e lo ft h eo f f s h o r ep l a t f o r m si s c o n s t r u c t e do n w h i c hh o r i z o n t a lw a v el o a d i n g sa n dv e r t i c a lg r a v i t yl o a d i n g sa r ei m p o s e df o r t o p o l o g yo p t i m i z a t i o n t h em e g a - f r a m ep l a t f o r mi sc o n s t r u c t e db a s e do nb o t ht h e r e s u l t so ft h et o p o l o g yo p t i m i z a t i o na n a l y s i sa n dt h ed e s i g nc r i t e r i ao ft h eo f f s h o r e p l a t f o r m s s e c o n d l y , t h em f p sp e r f o r m a n c ea n di t sa f f e c t i n gf a c t o r sa r es t u d i e di nt h e a r t i c l e m o d e la n a l y s e s ，w h i c hc a ns h o wt h em f p sd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，a r e e x e c u t e du s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r e t h ee f f e c to fs t r u c t u r a l p a r a m e t e r so nt h ep l a t f o r mv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si sa l s oa n a l y z e db yt h es i m u l a t i o n a n a l y s e s t h ed y n a m i cr e s p o n s ea n dl o a d - b e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h em f pa r e s t u d i e du n d e rt h ew a v el o a d i n gi nt h ed i f f e r e n tg i v e ne n v i r o n m e n t t h i r d l y ，t h ew a v el o a d i n gc a l c u l a t i o nm e t h o da n di t si n f l u e n c i n gf a c t o r so fm f p a r es t u d i e di nd e t a i l t h ep a r a m e t e r so ft h em f pi n c l u d eb o t ht h em e g ac o l u m n sa n d i i i h 型框架海洋、p 台设计及优化研究 m e g ab e a m s s t r u c t u r a lp a r a m e t e r s i nc o n s i d e r a t i o no ft h ep l a t f o r m sp e r f o r m a n c e ， s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa l e o p t i m i z e d t or e d u c ew a v el o a d i n gf o rt h ep l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fm f p ，as i m p l i f i e dt h e o r e t i c a lm o d e li s o b t a i n e di no r d e rt ot h e o r e t i c a lw a v el o a d i n gc a l c u l a t i o n ，w h i c hc a nc o n s t r u c tat h e o r y f o rt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no f 旺甲 f o u r t h l y , t h ed y n a m i co p t i m i z a t i o n o fm f pi sc a r r i e d b yo r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g nm e t h o d t h ei n f l u e n c eo ff o u rf a c t o r sw h i c hi n c l u d et h ep i p e s d i a m e t e r so f m a j o rb e a m ，l e gb a t t e r , t h ep i p ed i a m e t e r so ft h em a j o rc o l u m n sa n d t h e h e i g h to f t h em a j o rb e a mi ss t u d i e du n d e rt h es i n el o a d i n g s b yt h es h a p eo p t i m i z a t i o n ， ad e s i r a b l em f pi sf o u n do u t a n dt h em f p sl o a d - b e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h e w o r s ew o r k i n gc o n d i t i o n sa r es t u d i e db yt h es i m u l a t i o na n a l y s e s f i f t h l y , ag e n e r a ld e s i g nm e t h o d f o r t h em e g a - f r a m eo f f s h o r ep l a t f o r mi s e s t a b l i s h e d n 圮i n s t r u c t i o n a lc o n s t r u c t i n gp r i n c i p l e so fm f pa lef o u n do u tb a s e do n t h es u m m a r i z i n ga n da n a l y z i n gt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，l o a d b e a r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ， w a v el o a d i n g sc a l c u l a t i o nm e t h o da n dt h el a wo fs t r u c t u r a lp a r a m e t e r ss i g n i f i c a n c e t l l i sd e s i g nm e t h o dw i l lg i v et h eg u i d et h e o r e t i c a l l yf o rt h em e g a - f f a m eo f f s h o r e p l a t f o r m se n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：m e g a f r a m eo f f s h o r ep l a t f o r m ；m e g af r a m e ；o f f s h o r ep l a t f o r m ；w a v e l o a d i n g ；s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n i v 济南人学硕i 一学位论之 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 导管架海洋平台是大型空间刚架结构，广泛应用于海上石油作业。平台在海 上服役期间，经常遭受风、波浪、海流等多种载荷的作用。其中，波浪载荷是最 常见和最主要的外载荷，是平台设计的主要载荷依据。随着平台向深水发展，导 管架平台面临更多问题需要解决： ( 1 ) 平台增大致使外载荷增加，载荷对平台的影响增大，平台变形增大、 振动更加明显和剧烈，甚至引起平台整体破坏； ( 2 ) 平台结构复杂致使建造、运输及安装费用相应增n t l 。2 】。 因此开发适于在深水作业的新型海洋平台以控制振动，减少变形，降低钢材 消耗量，降低成本，具有重要的工程应用价值。 本课题拟设计新型抗振巨型框架海洋平台并进行相关研究，以解决制约导管 架平台向深水域发展的瓶颈问题。参照陆地巨型框架结构的设计准则构造巨型框 架海洋平台结构，研究其在各种载荷下的振动响应，并且在满足各种工作条件的 前提下进行结构参数优化，以获得最优平台结构。巨型框架海洋平台的构造理论 和设计、优化方法的提出，可以为新型海洋平台的设计和构造提供有利的指导和 参照。同时将巨型框架结构推广用于海洋平台，可以进一步推动现代巨型框架体 系理论的成熟和完善，具有较显著的理论意义和工程价值。 1 2 波浪载荷研究现状 1 2 1 波浪理论 海洋平台工作水深的不同，致使其受到的波浪载荷也不同，至今还没有能应 用于任何波高、水深和周期的规则波理论，而各种波理论只在一定的波况范围内 与实际相吻合。通常确定波浪载荷须选用合适的波浪理论进行计算【3 训。目前最 常用的波浪理论为微幅波理论和有限波理论。微幅波理论又称为正弦波理论；有 限波理论又分为s t o k e s 波理论、孤立波理论、椭圆余弦波理论等【5 。8 】。 由理论分析和实验研究可知：深水波区可采用三弦波理论和s t o k e s 波理论 进行计算。其中正弦波理论主要应用于深水小幅波浪，其计算方法较为简单，但 能清晰地表达波动特性，是研究有限振幅波和不规则波的基础，被经常应用于平 e 一型框架海洋f 台设计股优化研究 台动力响应分析。对于有限振幅波浪，不能忽略自由水面波动所引起的非线性影 响，应采用非线性波理论来分析海水质点的速度。s t o k e s 有限振幅波理论考虑了 波浪的非线性，在工程中分析非线性波浪时得到了广泛的应用。马汝建等【9 1 0 1 应 用理论推导及数值计算方法，分别对s t o k e s 随机波，二阶s t o k e s 波的谱特性进 行了分析，得到了海水质点水平速度和加速度的谱密度。 浅水波区是一个复杂区域，目前主要是用孤立波理论和椭圆余弦波理论来计 算，但只能用于“定性的分析，因此还需进行深入研究【8 1 。 1 2 2 波浪载荷计算方法 目前，波浪载荷的计算方法主要有两种：m o r i s o n 公式和绕射理论。对于小 型的结构物( 平台构件的截面尺寸与波长的比值小于0 2 ) ，波浪的惯性力和拖曳 力为主要载荷，在工程设计中广泛采用m o r i s o n 公式来计算波浪载荷；对于大型 的结构物，波浪的绕射力和惯性力是主要载荷，应采用线性绕射理论来计算波浪 载荷。由于海洋平台中普遍应用的管状结构直径较小，在工程设计中m o r i s o n 公 式应用更为普遍。 在计算波浪载荷时需要解决两方面内容：选用合适的波浪理论和流体动力系 数。由于影响水动力系数的因素非常复杂，公式中的惯性力系数c m 和拖曳力系 数c d 并不能直接从理论上给出，为此国内外学者做了大量的实验研究，以确定 合适的c d 和c m 。w o l f r a m i n 通过波浪水池试验，得到小尺度圆柱在纯波和波流 的共同作用下的受力资料，并据此对已有的各种预测水动力系数的方法做了综合 分析。张宁川等【1 2 l 通过试验研究了在不规则波作用下孤立桩上的水动力系数c d 和c m 随时间( 相位) 的变化规律。此外，俞聿修等【1 3 1 考虑了波浪的不规则性和 多向性，通过试验研究了多向不规则波对桩柱的作用力。 目前，研究波浪载荷的主要理论方法有积分法和有限元法。张对红f 1 4 1 用高斯 积分法得到了横向等效波浪结点力。万乐坤等【1 5 1 基于m o r i s o n 方程和二阶s t o k e s 非线性波浪理论研究了应用非线性波浪理论时随机波浪力谱的计算方法。张学志 【1 6 】采用非线性m o r i s o n 方程，建立了考虑流固耦合时海洋平台非线性动力方程。 分析显示，在极端海况条件下考虑流固耦合的分析方法更符合实际情况。黄华等 1 7 1 应用s t o k e s 二阶水波理论得到了综合犁圆柱式结构波浪载荷的二阶修正统一 积分算式。h s i e nh u al e e 等【1 8 l 应用非线性n e w m a r k 法计算了系统在增加阻尼装 2 济南夫学硕卜学位论文 置后的振动响应。翟瑞彩，赵春风等【1 9 2 1 1 应用有限元与无限元耦合法对三维无界 域中直立圆柱所受波浪力进行了分析。何雷【2 2 】探讨了在固定式导管架平台结构中 波浪荷载计算方法及几种波浪理论应用的算法。通过采用大型结构有限元分析和 优化设计程序系统j i f e x ，得到了线性波、s t o k e s 波及孤立波的波浪理论的求解 算法。 1 2 3 波浪载荷对平台的影响 海洋平台工作海域水深增加，会导致平台的相对柔性增加，与振动相关的自 然频率会逐渐降低。当这些低频成分与海洋波浪的频带宽相近时，将发生强烈的 能量集中，从而严重威胁工作平台的正常工作。因此，有必要对平台在随机波浪 载倚作用下的动力响应进行深入研究。 居艮国等【2 3 之4 1 对一个四桩平台在波浪力作用下进行了瞬态动力分析，并得到 了平台的各阶自振频率。张锋等【2 5 1 应用有限元分析程序得到了平台的各阶自振频 率。分别计算了随机波浪作用下不同激励方向和自由表面效应的动力响应，并分 析了二者对结构随机响应的影响。周丹等闭分析了海洋施工平台在正常工作波浪 力( 平台工作期内遇到的随机波浪荷载往复作用) 作用下的动力响应。通过比较 施工平台静、动力计算结果，建议在设计施工平台时，充分考虑波浪力的动力效 应。赵鑫磊【2 7 】应用a n s y s 有限元软件得到了在随机波浪作用下海洋石油平台的 结构动力响应。陆建辉等【2 8 】采用j o n s w a p 谱描述随机波面，对c i i 平台在环境 载倚作用下的动力响应进行了研究。y a s s e re 【2 9 1 对在桩土相互作用下的固定导管 架平台进行了波浪载荷动力响应研究。e l s h a f e y 3 0 】等采用理论分析和具体实验分 析了导管架海洋平台在随机载荷作用下的动态响应。何晓宇等【3 1 】应用a n s y s 有 限元分析软件对在地震及波浪共同作用下的导管架平台进行了动力响应研究，分 别得到了不同风浪条件下、不同地震设防烈度结构顶点的位移和加速度幅值及其 影响规律。 1 3 海洋平台优化研究现状 为提高海洋平台的承载能力，增强平台在恶劣海洋环境载荷作用下工作的安 全性，国内外学者深入研究了海洋平台的结构参数，以望得到性能最优的海洋平 台结构。对平台的优化研究主要包括平台尺寸优化、形状优化、拓扑优化和动力 ，型桁浆海洋、f 台设计及优化l 卅冗 优化等几个方面。 1 3 1 尺寸优化 目前，海洋平台结构优化设计研究主要集中在尺寸优化。设计的目标主要是 在保证功能的前提下通过调整构件尺寸以使海洋平台重量最小，造价最低。国内 外学者利用各种优化技术和分析手段对海洋平台结构进行了优化设计。 彭熙民等【3 2 。3 3 】通过有限元法对“港海一号 自升式钻井平台结构进行了优化， 解决平台强度和重量控制之间的矛盾，达到了重量轻、强度好的目的。封盛等【3 ”6 】 分析了导管架海洋平台优化设计中的应力约束、桩基横向承载力约束和构件长细 比约束，减少了约束条件数目，提高了优化模型的求解效率。鲍莹斌【3 7 1 建立了一 种张力腿平台的尺度优化模型，模型以平台造价为目标函数，以尺寸约束、强度 约束等作为约束条件，通过约束变尺度法对平台进行了优化设计。杨树耕等f 3 8 1 结合遗传算法，将简化边界条件的方法应用于桶基火炬平台结构的尺寸优化，在 满足结构强度指标的前提下，降低了结构的重量和工程造价。陆建辉【3 9 1 、付方等 【4 0 1 相继应用a n s y s 软件对c i i 导管架海洋平台进行了动力分析，以结构的总重 量为目标函数，对海洋平台进行了构件尺寸的优化设计。胡涛等f 4 1 1 考虑了固定荷 载、波浪、风、海流因素，通过应用m s c n a s t r a n 软件，对四腿导管架平台 进行了尺寸优化设计。 1 3 2 形状优化 形状优化设计相对尺寸优化设计而言，难度更大，主要原因是形状优化分析 过程中模型不断变化，必须不断重新生成优化模型进行自适应分析【4 2 1 。 在海洋平台的形状优化研究中，c l a u s s 和b i r k 4 3 1 通过非线性算法对各种不同 类型的海洋平台进行了形状优化，从而降低了海洋平台的振动水平及制造成本。 封盛等【荆5 1 通过引入导管架层高节点坐标和反映桩基贯入深度的设计变量，对导 管架海洋平台结构进行了形状优化设计。张志强等【4 6 1 建立了轻型平台选型优化的 分析模型，通过计算得到了平台的最优型式。衣伟等【4 7 4 8 1 对混凝土平海洋台型式 进行优化设计，并确定了平台的应用范围。康海贵，翟钢军等【4 9 捌1 建立了导管架 海洋平台的结构形状优化模型和相应的优化方法，得到了较为理想的平台结构型 式。方金苗【5 2 1 根据实际工程，将导管架海洋平台视为空间框架结构，建立了导管 4 济南大学硕i 二学 ，论文 架海洋平台形状优化模型。 1 3 3 拓扑优化 拓扑优化是在满足有关平衡、应力等各类约束的前提下，改变结构的节点连 接关系和构件布局，结构内空洞的数量、位置等拓扑形式，使结构的某项性态指 标达到最优。由于满足一定性能要求的拓扑结构具有很多形式，且拓扑形式难以 定量描述或参数化，因此拓扑优化方法和理论尚不完善【5 3 1 。 在平台拓扑优化方面，马红艳等【5 5 1 研究了在多荷载模式和工况下实际导管 架海洋平台的优化设计理论和应用技术，并通过结构选型优化得到了导管架海洋 平台结构最优拓扑布局形式。郝清f 5 6 l 对海洋平台甲板建立了具有频率禁区约束的 三维有限元模型，通过删除构件，改变结构的拓扑形式，逐渐对结构进行优化。 赵红晓【5 7 】分析了基于数值计算的结构拓扑优化方法并应用a n s y s 软件的优化 设计进行了结构拓扑优化。赵东掣5 & 5 9 】应用a n s y s 软件对巨型框架海洋平台进 行了拓扑优化。 1 。3 4 动力优化 在海洋平台动力优化设计中，结构动态响应特性是主要的设计约束条件。因 此常以结构响应量如位移幅值等为目标或约束进行结构设计。由于设计变量与结 构动态响应之间的关系复杂，存在高度非线性，要求优化算法收敛性较高，因此 求解十分困难。对结构动态响应优化设计的研究仍有待进一步研究。顾元宪等【删 针对动态响应优化的难题进行研究，提出了鲁棒性很强的改进的优化求解算法。 马红艳等【6 1 1 根据随机响应分析的确定性算法，提出了海洋平台结构在随机波浪作 用下的响应灵敏度分析方法，此方法具有很高的计算精度和效率。王兴引6 2 奶1 根据地震作用下的海洋平台采用了多目标优化的方法对其进行了优化设计。动力 优化设计对优化算法要求较高，宋玉普【6 4 】首先建立了不依赖于初始设计值和优化 算法的平台优化设计模型，结合优化算法软件和结构分析软件对导管架海洋平台 进行了优化设计。王世圣等【6 5 1 以动冰载荷作为主要环境载荷，在j i f e x 软件中 对海洋导管架平台进行了结构动力优化设计。 海洋平台结构动力优化设计的方法和理论尚不完善，而目前人们对海洋结构 的动力优化设计大都集中在一些较为简单的问题上。现仅对结构固有频率为约束 5 二，型桁架海洋、f 台改汁，乏优化硼 予 或目标的优化设计取得了较多成果，而以动力响应( 动应力，动位移) 为约束的 动力优化设计工作做得较少。因此海洋平台的动力优化问题将会成为今后该课题 研究的一个重要发展方向。 1 4 巨型框架结构研究现状 巨型框架结构是陆地高层建筑上广泛应用的巨型结构，由主、次二级结构组 成。其主体结构为巨型构件组成的简单巨型的框架结构，其他结构构件组成次结 构，主次结构共同工作【6 6 1 ，如图1 1 所示。 基型羹 雠控 巨堑拄 勰集 麒乎茸 图1 1 巨型框架结构 ( a ) 现场照片( b ) 巨型框架体系( c ) l 1 9 层巨型框架 图1 2 上海环球金融中心 6 济甬人字帧l 掌位论文 巨型结构体系的梁和柱通常采用截面尺寸较大的空心立体杆件。其中巨型柱 尺寸一般超过一个普通框架的柱距，常布置于结构的四个角点。采用高度在一层 ( 或以上) 的空间格构式析架或厚板深梁体系进行巨型梁的布置，一般每隔1 2 1 5 个楼层设置一根。巨型结构的主结构是主要抗侧力体系，次结构只承担竖向荷载， 并将载荷通过巨型梁传给主结构。因此，巨型结构具有超常规的巨大抗侧力刚度 和整体工作性能1 。 巨型框架结构特点如下 7 0 - 7 1 】： ( 1 ) 结构规则对称，整体刚度大，抗侧能力较强。对于任何方向的水平荷 载，都有较大的抗推刚度和抗倾覆能力； ( 2 ) 由于巨型梁具有较强的竖向刚度，各外柱的轴向变形协调，因此整体 结构刚度分布均匀，空间协调性较好： ( 3 ) 抗震和抗风性能良好； ( 4 ) 具有良好的稳定性和经济性。 目前对于巨型框架的研究主要集中在其结构性能上。包世华【7 2 1 等分析研究了 超高层建筑空间巨型框架的水平力和重力二阶效应。徐勤【7 3 1 ，淦克丽【7 4 1 等通过 研究表明巨型框架减振结构具有良好的减振效果，可有效地降低结构的地震响 应。王廷彦【7 5 1 ，朱芳振【7 6 】等分析研究表明巨型框架支撑结构体系在地震下的动 力性能优越。常磊【7 7 1 等对超高层巨型框架组合结构进行了三维弹塑性地震反应分 析，以保证结构在地震作用下的工作状况。陈麟【7 8 1 分析研究了巨型钢框架的结构 性能，尹华钢【7 9 增对北京新保利大厦进行了结构抗震设计。 巨型框架在陆地高层建筑中应用广泛。最早采用巨型框架结构的建筑是建于 1 9 6 9 年的美国匹兹堡钢铁大厦( 高2 5 6 m ) 。在美国和欧洲，有代表性的超高层 巨型框架结构有西尔斯大厦( 4 4 3 m ) 和在建芝加哥尖塔( 6 0 9 m ) 、俄罗斯塔 ( 6 4 8 m ) 。在亚洲，迪拜的哈利法塔( 8 2 8 m ) 是目前世界上已建成的最高建筑， 采用钢筋混凝土核心筒加巨型结构形式。日本设计的空中城市( 1 0 0 0 m ) 、空中 那不勒斯城2 0 0 1 ( 2 0 0 1 m ) 、x s e e d 4 0 0 0 ( 4 0 0 0 m ) 均采用空间巨型框架结构。 近年来，巨型框架结构在我国发展迅速，受到越来越多的关注。如上海环球 金融中心高4 9 2 m ，是世界主体第二高楼。环球中心的结构设计以中国规范和部 分美国规范为依据。结构采用三重结构体系抵抗水平荷载，它们分别是由巨型柱、 巨型斜撑以及带状桁架构成的三维巨型框架结构、钢筋混凝土核心筒结构以及构 7 i 型框架海洋、f 台设汁硬优化研究 成核心筒和巨型结构柱之间相互作用的伸臂钢桁架。如图1 2 所示。此外，我国 高层建筑有台北1 0 1 ( 4 4 8 m ) 、广州国际金融中心( 4 6 0 m ) 以及在建的深圳平安 保险大厦( 6 8 0 m ) 、上海中心大厦( 6 3 2 m ) 等。巨型框架结构因其良好的适应性 和材料利用率，在超高层建筑中正得到日益广泛的应用。 1 5 课题主要研究内容 本文结合传统导管架平台设计方法与现代巨型框架设计理论，构建新型巨型 框架海洋平台，并对其结构性能和优化进行研究。主要研究内容如下： ( 1 ) 巨型框架海洋平台的设计 ， 依据巨型框架理论建立巨型框架海洋平台的原始有限元模型，继而对平台进 行拓扑优化，依据拓扑分析结果和海洋平台设计准则构建巨型框架海洋平台。 ( 2 ) 巨型框架海洋平台性能分析 利用有限元分析软件a n s y s ，分别对传统导管架平台和巨型框架海洋平台 进行模态分析，并针对具体海况，进行波浪载荷作用下的平台动力响应分析。分 析结构变化对巨型框架海洋平台性能的影响，并且结合m o r i s o n 公式探讨巨型框 架海洋平台所受波浪载荷的计算方法。 ( 3 ) 巨型框架海洋平台结构优化研究 利用正交优化试验方法对巨型框架海洋平台结构参数进行优化研究，并研究 平台结构参数对巨型框架海洋平台性能的影响。进而对得到的理想平台进行振动 仿真分析。 ( 4 ) 依据前述研究结果，建立巨型框架海洋平台一般性设计方法。 1 6 小结 本章简要介绍了本课题的研究背景、意义及主要内容，对国内外海洋平台波 浪载荷计算与结构优化研究现状进行了综述。本课题研究的巨型框架海洋平台是 参考建筑领域巨型框架理论设计的一种新型平台，其设计方法与研究思路将对固 定式导管架海洋平台向深海域发展提供有益的借鉴。最后介绍了本课题的主要研 究内容。 济南，：学硕卜学位论文 第二章巨型框架海洋平台设计 巨型框架结构是随着陆地高层建筑的发展而发展起来的一种新型巨型结构， 具有超常规的巨大抗侧力刚度及整体工作性能，在高层建筑中正得到日益广泛的 应用。本文将依据巨型框架构造理论，并结合传统导管架平台设计方法设计巨型 框架海洋平台。 2 1 平台拓扑优化研究 2 1 1 拓扑优化方法 拓扑优化基本原理是在满足结构体积缩减量的条件下使结构的刚度极大化。 大型有限元软件a n s y s 提供的拓扑优化技术可用于确定系统的最佳几何形 状，其原理是使系统最大程度发挥材料利用率，并在满足工程要求条件下使整体 刚度、自振频率等获得极大或极小值。a n s y s 目前提供的拓扑优化只能基于线 性结构静力分析或模态分析，暂不支持其它分析类型【8 0 1 。因此本文进行的拓扑优 化即为基于线性结构静力分析的最大静态刚度拓扑优化设计，同时达到体积最小 化目的。 a n s y s 支持拓扑优化分析的单元类型有以下几种： ( 1 ) 二维实体单元：p l a n e 2 、p i a n e 8 2 ； ( 2 ) 三维实体单元：s o l i d 9