海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要度分析.pdf

浙江大学硕士学位论文海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要度分析姓名：罗宏申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：金伟良;李海波2000.1.1海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要度分析摘要本文以结构可靠度理论、统计分析理论和结构优化理论为基础，充分考虑了海洋平台结构的特点，利用M a t l a b 软件平台，对海洋平台的环境荷载和荷载抗力分项系数的优化进行了研究of 具体的研究工作是：基于可靠度设计的要求，对涉及工程结构设计的基本资料，如环境资料(波浪、流、风、冰、地震、海生物、水温、水位)、地质资料(土的物理力学性质等)和结构资料等，提出相应的基本要求和依据。运用统计分析理论对绥中3 6-1 油田的一座平台和涠1 I-4 C 平台的环境荷载和抗力进行统计分析，给出它们的概率分布形式并进行相应的检验同时基于有限元分析软件S A C S 计算结果和最小二乘法原理在M a t l a b 软件平台基础上进行平台基底总剪力的表达形式拟合拟合结果对于平台整体可靠度衣疲劳可靠度提供了所需的基本数据资料根据结构优化理论，提出系数重要度分析方法，并选择绥中3 6-I 油田的一座平台进行M a t l a b 编程计算系数重要度本文的研究工作是浙江大学结构工程研究所承担的两个研究项目：“涠1 1 4 C-T-台结构可靠性研究”与基于可靠度的海洋平台结构设计的基础研究”的组成部分少一关键词：海洋结气萝魔结构优怨笋；环警札重移；竺h 6j，E E 目!E j E|目g 目E 自!E ge浙江大学硕士学位论文，2 0 0 11海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要度分析A b st a c tU s i n gM a t I a bs o f t w a r e，t h et h e o r ya n dm e t h o do fs t r u c t u r a lo p t i m u md e s i g nf o re n v i r o n m e n t1 0 a d sa n dt h ed e s i g nc o e f f i e i e n to f1 0 a da n dr e s is t a h o eo fo f f s h o r eP 1 a t f or i l l sa r em a i n l ys t u d i e do nt h eb a s eo ft h et h e o r i e so fs：r u e t u f a lr e l i a b i l i t y，s t a t is t i c a la n a l y s isa n ds t r u e t u r a lo p t i m i z a t i o n，a n dc o n si d e ri n gc o m p r e h e n si v e l Yt h ec h a r a c t e rso fo p ti m u md e si g nf o ro f f s h o r eP 1 a t f o r m s T h em a j o rc o n t e n t si nt h ist h e s isa r es u m m a r i z e da sf 0 1 1 0 W S：O nt h er e q u i r e m e n to fs t r u e t u r a lr e l i a b i l i t y，t h eb a s i cr e q u ir e m e n t sf o rb a s i cd a t ao fs tr u c t u r a ld e s i g nd a t a，s u c ha se n v ir o n m e n td a t a(w a v e、c u r r e n t、w i n d、i c e、e a r t h q u a k e、眦t e rt e m p e r a t u r e、w a t e rl e v e l)，g e o l o g i c a ld a t a(e a r t h yp h y s i c a lc h a r a c t e re t e)a n ds t r u c t u r a ld a t ae t c a r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r U s i n gs t a t is t i c a lt h e o r y，s t a t i s t i c a la n a l y s isf o re n v ir o n m e n tl o a d sa n df e b is t a n c e so fa no f f s h o r eP l a t f o r mi nS Z 3 6 一lo f f s h o r eo i lf i e l da n dW 1 卜4 Cp l a t f o r ma r eg i v e n，t h e nt h e ird e n s i t yf u n c t i o n sa r eg a i n e d，a n dt h ev e t i f yisd o n e B a s e do nt h er e s u l tc o m p u t i n gb yt h eS A C Sf i n i t ee l e m e n ta n a l y s iss o f t w a r ea n dl e a s es q u a r ep r i n c i p l e，t h ef o r m u l ao ft o t a ls h e a r i n gf o r c ei nap l a t f o r mb e t t o miss i m u l a t e d a n dt h ef o r m u l aist h eb a s i cd a t af o re v a l u a t i n gt h eP 1 a f r o ms y s t e mr e l l a b i I i t ya n df a t i g u er e I i a b i l i t y T h ep a p e rp r e s e n tst h ec o e f f i c i e n ts e n s i t i v i t ya r i a l y s ism e t h o da c c o r d i n gt ot h em e t h u do fs t r u c t u r eu p t i m u m，a n dc a l c u I a t e st h ec o e f f i c i e n ts e n s i t i v i t yo fa no f f s h o r eP 1 a t f o r mi nS Z 3 6 1o f f s h o r eo i lf i e l du s i n gM a t l a bs o l t w a r e T h isw o r kb e l o n g st op r o j e c t：“T H EW l l 一4 CP L A T F O R MS T R U C T U R ER E L I A B I L I T YS T U D Y I N G”a n dp r o j e c t：“T H EF O U N D A T I O NS T U D YO FT H EO F F S H O R EP L A T F O R MS T R U C T U R ED E S I G NB A S E DO NR E L I A B I L I T Y”w h i c ha r es t u d i e db yZ h e j i a n gU n i v e r s i t yI n s t i t u t eo fS t r U C t u r a lE n g i n e e r l a g K e y w o r d s：E i s i i i i _ _ _ _ I _ _ l _ _ _ _ _ _-_ _ _ 自_ l _ 目目I _-I _ _ _ l _ _ _ _ _ l _ _-_ _ _ _-_ l _ _ _ _ _ _-_ _ 浙江大学硕士学位论文2 0 0 1n；耋童兰垒篁丝星耋堡兰篁塑至丝鍪堡坌丝堡塞圣耋坌丝o f f s h o r ep l a t f o r m；s t r u c t u r et e l i a b i l i t y；s tr u c t u r eo p t i m u mm e t h o d；e n v ir o n m e n td a t a；$e n S i t i V i t y；M a t l a b浙江大学硕士学位论文2 0 0 1。l“目m-海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要度分析第一章绪论1 1 课题背景石油和天然气在能源结构中占有相当重要的地位，是工业生产和社会生活中不可缺少的能源随着陆上油气资源长期和大规模的开发，世界范围内的油气勘探与开发已转向了广阔的海洋，并逐渐形成了投资高、风险大、高新技术密集的能源工业新领域海洋平台是海洋石油天然气开发的基础性设施，是海上生产作业和生活的基地，它的设计和建造水平，在一定程度标志着海上石油开发水平海洋平台结构复杂、体积庞大、造价昂贵，特别是与陆地结构相比，它所处的海洋环境十分复杂和恶劣，海风、海浪、海冰和潮汐时时作用于结构，同时还受到地震作用的威胁这些不利因素都将导致平台结构构件和整体抗力衰减，影响结构的服役安全度乖耐久性如何正确地分析海洋平台这些不利因素，是正确地评估海洋平台可靠度的首要前提：同时，对荷载抗力分项系数在可靠度评估中的影响进行研究，也有利于我4 I l i A-J R 各种荷载和抗力因素的重要程度1 2 平台结构可靠性评估简介在建筑结构设计领域内，结构可靠性理论自本世纪四十年代末开始研究以来，王,j-e 十年代已取得了丰硕的成果目前许多国家都在致力于以可靠性理论为基础，建立结构设计的规范新体系国际标准化组织(I S O)曾于1 9 7 3 年提出结构安全性验证的总原则(I S 0 2 3 9 4)，1 9 8 6 年又公布了修订版，易名为结构可靠性总原则，以促进工程结构可靠性设计法的推广为适应我国开发海洋石油气资源的需要，中华人民共和国能源部于1 9 9 2 年5 月4 日等同采用美国石油学会(A P I)的海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法(R P 2 A)发布了中华人民共和国石油天然气行业标准S Y T4 8 0 2 9 2 而在此推荐作法的说明中就明确指出，原标准中关于风、浪、流、冰、温度、地震等环境条件数据或定量计算方法，凡是切合我国实际的均可参照使用，否则，应使用符合我国环境条件实际的数据和定量计算方法而这些环境条件实际的数据对荷载和抗力的分项系数有着巨大的影响此后，中国海洋石油总公司于1 9 9 6 年8 月1 2 日等同采用美国石油学会的海上固定平台规划、设计日E E E g 量昔浙江大学硕士学位论文2 0 0 1l海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要度分析和建造的推荐作法荷载和抗力系数设计法发布的中华人民共和国石油天然气行业标准S Y T10 0 9-1 9 9 6i d tA P IR P2 A L R F D：19 9 3 而目前的设计法仍采用工作应力指标法(W S I)法)，这是由于所推荐的作法一荷载和抗力系数设计法(L R F D法)中的荷载和抗力的分项系数是根据美国的海洋环境条件数据及其其海上固定平台设计实践所确定的，由于我国所建海上固定平台所处海域的海洋环境条件数据与美国的不同，这样将这些荷载和抗力的分项系数应用到我国海上固定平台设计中就不一定准确，因此非常有必要结合我国环境条件实际的数据对美国石油学会的海上固定平台规划、设计和建造的推荐作法一荷载和抗力系数设计法中所采用的荷载和抗力的分项系数进行校核，并确定其目标可靠指标是否满足我国所规定的目标可靠指标浙江大学结构研究所承接中国海洋石油天然气总公司的“基于可靠度的海洋平台结构设计的基础研究”课题中，对于平台可靠度评估采取具体研究方法和技术路线是：l、荷载的调查统计工作为了比较确切地描述海上平台所受各种荷载(如风、浪、流、冰、地震及潮位)的统计特征，应收集整理历史资料，如有必要可进行实测调查工作，以获得比较准确的统计资料，从而确定各种荷载的概率分布及统计参数，以便应用数学推理的方法来求得设计基准期内最大荷载的概率分布及统计参数，和荷载效应组合基准期内最大值分布2、结构构件抗力的调查统计工作为了确定结构构件抗力的统计特征，应对影响结构构件抗力的各种主要因素分别进行统计分析，确定其概率分布及统计参数，然后通过抗力与各有关主要因素的函数关系，推求结构构件抗力的概率分布及统计参数在分析中我们主要考虑三种影响结构构件抗力的主要因素：材料性能的不定性，几何参数的不定性和计算模型的不定性3、荷载及荷载效应计算模型的确定由于海上平台所受各种荷载非常复杂，其计算模型存在着很大的不确定性，而荷载和抗力系数的确定的精确度如何在一定程度上取决于荷载及荷载效应计算模型的选取因此，必须对其进行分析，选取比较确切的荷载及荷载效应计算模型，并确定其偏差_ E E!_ _-_ j _ _ _ 目-_ _ 自E _ _ _ _ _=E!E _ _ 自目!|_ _ 自t E 目_ _|-_ _ _ _=昔E浙江大学硕士学位论文2 0 0 12海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要度分析4、目标可靠指标p 值的标定目标可靠指标是根据由对现有的具有不同水深和不同几何形状的根据w s D 法所设计的选取一些具有代表性的海上平台的构件进行审查以后获得的确定了目标可靠指标D 值后，并据此来确定荷载和抗力系数设计法格式中的荷载和抗力的分项系数5、实用设计表达式的确定长期以来，设计人员已习惯于采用基本变量的标准值(如荷载、强度等)和分项系数(如荷裁、强度等)进行结构设计，并已积累了大量的工程实践经验考虑到这些情况，因此，对荷载和抗力系数设计法仍确定一种设计表达式，在形式上仍采用分项系数表达的形式，使得设计时无需直接进行概率方面的运算，而按该设计表达式所设计出的结构构件所具有的可靠指标接近于预定的目标可靠指标6、荷栽和抗力的分项系数的确定根据已确定的目标可靠指标D 值及荷载和抗力的概率分布及统计参数。为了确定已建立的设计表达式中荷载和抗力的分项系数，对每种构件(如弯曲、桩、管节点等)进行大量的计算，经优化后确定荷载和抗力的分项系数7、校核通过上述的分析。确定荷载和抗力系数设计法中的荷载和抗力的分项系数为了分析其设计表达式中荷载和抗力的分项系数的合理性，必须应用荷载和抗力系数设计法对已存在的海上平台，选取一些具有代表性的(如浅，中深水)平台进行校核该项目以海洋工程结构物为对象，采用结构可靠度的一次二阶矩法；结合国内外已有成果的基本资料和渤海湾的海域特征，进行了基于可靠度的工程结构设计方法的基础研究，为全面实施可靠度设计方法提供理论依据和技术储备1 3 国内外平台结构优化设计及海洋环境荷载的研究进展海洋平台结构荷载抗力系数重要度问题实质上是一个结构优化问题目前有关海洋平台结构优化设计和敏度分析的一些研究进展如下：1 基于多级模糊优选和非结构性模糊决择的海洋平台选型优化针对海洋石油开发中经常面临的平台结构设计方案的优选问题，将多因素，多海洋平台结构可靠厦评估的环境数据分析和重要度分析级模糊优选引入平台的选型优化中，建立海洋平台选型的多级模糊优选模型对影响平台选型优化的因素多为非结构性因素且确定隶属函数主观因素较强的情况，用非结构性模糊决择单元集理论确定其相对隶属度扣权重2 导管架海洋平台结构模糊优化设计考虑约束条件边界的模糊性，建立导管架海洋平台结构模糊优化设计模型对模糊优化模型申的设计变量、目标函数和约束条件进行了模糊处理3 基于可靠度的导管架海洋平台结构优化设计研究根据导管架平台结构可靠性指标及功能要求的不同，建立基于构件可靠度的平台优化设计模型和基于体系可靠度的平台优化设计模型探讨导管架平台结构主要失效模型和平台结构期望失效费用的确定方法4 海洋平台结构动力响应优化设计与灵敏度分析研究海洋平台结构动力响应优化设计以及结构动力响应的灵敏度计算方法给出结构稳态频率响应和瞬态时程响应的灵敏度分析算法海洋环境荷载的研究主要集中在概率模型选取和联合概率分布方面概率模型的选取是建立极值环境荷栽概率模型的重要问题极值随机变量的概率模型通常在经典的极值I 型、极值n 型、极值m 型以及最近发展的基于跨阀取样(P e a kO v e rT h r e s h o l d。P O”的广义P a r e t o 模型(G e n e r a l i z e dP a r e t 0 1)i s t r i b u t i o n，G P D)中选取极值风速最初被认为服从极值型，后来更多的研究则认为板值I 型更合适目前对极值环境要素联合概率的分析主要采用荷载效应法、条件概率法和多变量极值分析法如果能够将多变量极值的联合概率分布转化为单变量的分布，将使问题得到大大简化此单变量如取结构荷载效应，这就是荷载效应法对于深水固定式平台结构，取基底倾覆力矩作为结构控制效应平台结构在风、浪和流作用下的基底倾覆力矩的概率分布就代替了它们的联合概率分布荷载效应法直接用结构内力概率分布表示环境要素极值的联合概率分布，给结构可靠度分析和荷载组合带来了极大的方便，但是这种方法也存在两个明显的局限性。一是根据具体结构得到的荷载效应概率分布与特定结构型式和参数有关，不具有普遍性，二是不能给出产生最大荷载效应相伴随的环境要素极值条件板值法是采用一种主要环境要素的极值概率分布(称为主极值)和相伴随_ _-_ _-_ 一浙江犬学顿士学撩埝变2 日麟叠*鬻j 毒i?j I，=；，静，；毒碧骛零萋溪熬鞠彝黪矗。i 一4海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要度分析的其它环境要素的概率分布(称为条件极值)来表达多种环境要素的联合概率分布，荷载的取用是采用相同重现期的主极值和条件板值虽然总体上主极值和条件极值反映了它们之间的相关关系，但与五十年一遇主极值伴随出现的并不必然就是五十年一遏的条件极值多变量极值分析建立在多变量点过程理论基础上，通过分别建立各变量的边缘分布和建立描述各变量之间相关性的相关模型将它们联系起来，得到多变量极值的联合概率分布海洋环境要素极值联合概率分布给出了它们之间极值发生随机性和相关性的最完整的概率信息，是结构可靠度分析和设计最合理的荷载概率模型。1 4 研究内容本文以结构可靠性理论、统计分析理论和结构优化理论为基础，充分考虑了洋平台结构的特点，利用M a t l a b 软件平台，对海洋平台的环境荷载和荷载抗力分项系数的优化进行了研究，具体的研究工作是：基于可靠度设计的要求，对涉及工程结构设计的基本资料，如环境资料(波浪、流、风、冰、地震、海生物、水温、水位)、地质资料(土的物理力学性质等)和结构资料等，提出相应的基本要求和依据运用统计分析理论对绥中3 6 1 油田的一座平台和涠1 卜4 c 平台的环境荷载和抗力进行统计分析，给出它们的概率分布形式并进行相应的检验同时基于有限元分析软件S A C S 计算结果进行平台基底总剪力的表达形式拟舍拟合结果对于平台整体可靠度和疲劳可靠度提供了所需的基本数据资料根据结构优化理论，提出系数重要度分析方法，并选择绥中3 6-1 油田的一座平台进行M a t l a b 编程计算系数重要度第二章基本理论2 1 结构可靠度基本理论2 1 1 结构可靠度的基本概念结构可靠性的基本定义是：结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的能力而结构可靠度的基本定义是：在规定的时问内、规定的条件下、完成预定功能的概率结构可靠度是结构可靠性的概率度量；在上述的定义中，所谓规定的时间：是指设计寿命期；所谓规定的条件：是指正常设计、正常施工和正常使用的条件；所谓规定条件下的预定功能：是指结构的安全性、适用性和耐久性；设计任何建筑物和构筑物时。必须使其满足预定的功能要求，既安全性、适用性和耐久性所谓安全性：既要求能够承受在正常施工和正常使用时可能出现的各种作用，以及在偶然事件发生时和发生后，仍然能够保证必需的整体稳定性；所谓适用性：既要求在正常的使用时具有良好的工作性能不出现过大的变形和过宽的裂缝；所谓耐久性：既要求在正常的维护下具有足够的耐久性能，不发生锈蚀和风化现象2 1 2 结构的功能函数和极限状态方程设R 为结构抗力，S 为作用效应；则结构的功能函数可定义为：Z=卫一占(2 1)根据条件的不同，结构的功能函数z 有下面三种的可能性：(1)Z 0，既结构抗力大于作用效应，表示结构处于可靠状态；(2)z(O，既结构抗力小于作用效应，表示结构处于失效状态；(3)z=0，既结构抗力等于作用效应，表示结构处于极限状态：在极限状态下结构的功能函数为：Z 一詹一S=0 称为极限状态方程；从以上的三种的可能性得出结构安全可靠各种得基本条件为：z 0 2 1 3 结构的可靠概率P r 和失效概率P f姚烊槲撇一冀 _“tl。l。蕊誊灞季魏髑麟黪、参t i。，；纛蠢豫，_6海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要度分析由于结构抗力刀和作用效应s 都为随机变量，所以结构的功能函数z 也是一个随机变量，而且是结构抗力曰和作用效应J 两个随机变量的函数。假定结构抗力霄和作用效应J 是两个相互独立且服从正态分布的随机变量，则结构的功能函数z 也服从正态分布；其三个特征值为：d：=u R-P s 旷厢=薏=鲁z，失效概率只：结构不能够完成预定功能的概率；既只=p(z 0)=P(R S)(2 3)根据概率论：弓=P(z 。)=(z)以=i 击e 冲卜鱼丢笋】以c z。，令：、1f 86 rz斥 o)=P(R S)(2 7)根据概率论：P，+只=1；则：e=1 一只浙江大学硕士学位论文2 0 0 17海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要度分析2 1 4 可靠指标1 3用失效概率P，来度量结构的可靠性具有明确的物理意义，能够较好的反映了问题的实质，但是，影响失效概率的因素较多，计算失效概率尸，一般需要通过多维积分，数学上比较复杂，因此引入可靠指标B 代替失效概率B 来具体度量结构的可靠性。可靠指标为结构功能函数z 的平均值：与其标准差盯。之比，既：口=丝(2 8)o z根据上述公式我们可以得到可靠指标D 与失效概率只的关系为：P，=中(一)=1 一中()(2 9)则=一m 1(P，)(2 1o)D 值越大，失效概率只的值越小；反之，D 值越小，失效概率弓的值越大；因此，将D 称为可靠指标。2 1 5 可靠指标0 的计算方法一改进的一次二阶矩法改进的一次二阶矩法是由德国的拉克维茨(R a c k w i t z R)和菲斯勒(F i e s s l e t)提出的方法，它经系统改进后作为结构结构安全联合委员会(J c s s)的文件(结构统一标准规范的国际体系第一)附录推荐给土木工程界这个方法也被很多国家所采用A P IR P 2 A-L R F D 中目标可靠指标标定过程中所采用的也是此方法其基本计算方法如下：设结构基本变量x 为正态分布随机变量，相应的功能函数为：Z=g(X。，X 2，Z。)(2 1 1)令：将x 空问变换到u 空问，得U：垄!二丝(2 12)ox i浙江大学硕士学位论文2 0 0 1海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要厦分析Z=g(u l，U 2，U。)(2 13)可靠指标B 在几何上就是u 空间内从原点M(既中心点)到极限状态超曲面(z=0)的最短距离。在超曲面Z=O 上，离原点M 最近的点尸(”】，”卫，：)既为验算点。通过验算点尸+(”?，凹：)在超曲面Z=O 上的超切平面的方程式为：z 碣属硝+喜鲁k(卧哟(2 1 4)其中：由于验算点P 0：，H“：)为z：g。(“：，“：，“：)的一点，因此：超切平面的方程式为晶(?，：)=0(2 15)z=喜盖，1)【2 1 6)从原点m 到该超切平面的距离既为可靠指标令且有：口?=1，则变换到X 空间，得：口二=口=一喜蠹”?=掣?x l=”m+口。8 0 酶(2 1 7)(2 1 8)(2 1 9)(2 2 0)，詈黑!目。8 一；浙江大学硕士学位论文2 0 0 1。堑姒一海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要度分析口=一堕I，r强J i“(2 2 1)g(i，x J：J=0i 2 2 2)根据(2 20)、(2 2 1)、(2 2 2)上述三式，可以确定验算点尸(i，z：，Z)和可靠指标口：当结构基本变量x 为非正态分布随机变量时，设非正态分布随机变量z 服从某一分布，有分布函数F(r)和概率密度函数，(r)采用等价正态分布随机变量的求法。既寻找一个随机变量z，且为具有均值。争标准差仃的正态分布，在验算点尸(芏?，z：，J：)处满足：=m(孚：s，正(x)=三巧生兰(2 2 4)仃I仃，其中：中()一标准正态分布函数：()一标准正态分布概率密度函数；根据上述两个条件，可以确定随机变量x。的两个基本参数均值+和标准差盯；=x 一叮。(C(x)(2 2 5)盯：坐：!箕业!(2 2 6)正)其中：中。()一一标准正态分布函数的反函数；将各非正态分布随机变量经过上述变换后，就可以按结构基本变量X 为正态分布随机变量确定验算点J p(0，X 2+，J：)和可靠指标；对于对数正态分布，其等价正态分布的两个基本参数均值和标准差盯分别为：。=r(1 一I n x+k，)；(2 2 7 a)|目自I l l=皇墨浙江犬学硕士学位论文2 0 0 11 0海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要度分析己知：结构基本变量t(，=1,2，J，)的分布函数F(r，)和概率密度函数，(t)；均值。和标准差0 I，极限状态方程为：g(，r：，x。)=0士假定验算点P(，x：，J：)的坐标值的初值：#=u，：可靠指标初值：=0L I1对非正态分布随机变量置，进行进行等价正态分布的变换，计算两个基本参数均值a：和标准差C 7：上计算验算点#处的偏导数(警)。倦上、一o g i 仃。，一藤妾户上根据#=丘+口。盼：和g(i，r：，J：)=o 联立求解得到可靠指标值1rr 铂旭触H 躺：h 嵋陋上是可靠指标值既为所求的可靠指标，f 为验算点图2 2 可靠指标口值计算流程图!E E E，!j|目自b!目目E|曩曼浙江大学硕士学位论文2 0 0 1J J海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要度分析I I I I I仃。乒画(2 2 7 b)通过以上的分析可以看出，进行等价正态分布的变换，以及建立切平面方程，均需要预先知道验算点P(，r J：)的值，而事实上是做不到这一点的因此，在计算过程中，应先给出一个初值，可以取为各随机变量的平均值，由迭代逐步逼近，得出可靠指标口值计算流程图如图2 2 2 2目标可靠指标计算方法目标可靠指标，即设计所预期的可靠指标为了比较结合我国海域的环境数据明确A P IR P 2 A L R F D 设计法中所规定的目标可靠指标和A P IR P 2 A-W S D 设计法中所内含的目标可靠指标，分别分析了两种设计法目标可靠指标的确定方法2 2 1A P IR P 2 A W S D 设计法的目标可靠指标计算方法A P IR P 2 A W S D 设计法的目标可靠指标，理论上应根据各种结构的重要性、失效后果、破坏性质、经济指标等因素以优化方法分析确定目前限于统计资料不够，且考虑到设计规范的现实继承性，因而采用“校准法”来确定目标可靠指标所谓“校准法”，就是对A P IR P 2 A-W S D 设计法的反演分析“校准法”符合事物发展的客观规律，也是其它一些国家选取目标可靠指标所采用的方法结构设计中常遇到恒载与一种可变荷载的简单组合情况目标可靠指标主要是根据恒载与一种可变荷载的简单组合情况的基础上确定的A P IR P 2 A W S D 设计法的设计表达式可归结为：R r=K(S G。+S“)(2 2 8)其中：K 规范所取用的安全系数；，恒载标准值效应；。可变荷载标准值效应；只，结构抗力标准值采用概率方法计算时，极限状态方程为：R S。一S Q=O(2 2 9)浙江大学碗士学位论文们1 2海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要度分析其中S。恒载效应；&可变荷载效应：R 结构抗力：它们均为随机变量C当可变荷载标准值效应与恒载标准值效应之比p=等变化时，可靠指标也随。G f之变化，然而当p 为某一定值时，荷载效应的绝对值并不影响可靠指标这是因为当荷载标准值效应增大或减小时，结构抗力标准值也将按相同比例增大或减小，因而计算所得的可靠指标值不变因此，分析可靠指标时无须考虑到具体的设计值，而只需考虑可变荷载标准值效应与恒载标准值效应之比p 作为变化参数，以概括实际工程中所遇到的各种受力情况。其计算可靠指标的方法如下：1、假定可变荷载标准值效应。为某一定值，根据可变荷载标准值效应与恒载标准值效应之比p 得到恒载标准值效应。和结构抗力标准值心2、根据所得到的可变荷载标准值效应。、巨载标准值效应&。、结构抗力标准值R，及其各自的统计参数，可以确定它们的平均值和标准差3、已知各随机变量的分布函数、平均值和标准差就可以根据一次二阶矩结构可靠度计算方法求出可靠指标值2 3M A T L A B 软件平台简介M A T L A B 自1 9 8 4 年由美国M a t h W o r k s 公司推向市场以来，经历十几年的发展和竞争，现已成为(I E E E 评述)国际公认的最优秀的科技应用软件该软件有三大特点：一是功能强大(数值计算和符号计算、计算结果和编程可视化、数学和文字统一处理、离线和在线计算)：二是界面友善、语言自然(以复数矩阵为计算单元，指令表达与标准教科书的数学表达式相近)；三是开放性强(仅M a t h W o r k s 公司本身就推出了3 0 多个应用工具箱)M A T L A B 的这些特点使它获得了对应用学科(特别是边缘学科和交叉学科)的极强适应力，并很快成为应用学科计算机辅助分析、设计、仿真、教学乃至科技文字处理不可缺少的基础软件在国外的高等院校里，M A T L A B 已经成E 自E 目_ l t _ l _ _ E _-_ _ l _ _ l _-_ 目_-目l!_ _ E!_ _ E _ E 目-自l _ l 自I 自5。2 0 5 5。8 号浙江大学硕士学位论文2 0 0 1I j为大学生、硕士生、博士生必须掌握的基本技能在设计研究单位和工业部门，M A T L A B已成为研究和解决各种具体工程问题的一种标准软件!S 目自E E|!目E|!|!j g|!E j!目目E 日目!|E!|E!|自兰浙江大学硕士学位论文2 0 0 11 4海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要度分析第三章环境数据资料分析3 1 统计分析理论3 1 1 统计分析基本理论为了研究随机现象的统计规律，首先要求明确所研究的客观事物的属性，如一批钢材的某种性能；某海域的年最大波高，某海洋平台上的活荷载等等；上述每一研究对象全体都是由指定属性内的全部个体组成，称为母体或总体。母体(或总体)一般可以用随机变量(或向量)描述，它的概率分布(或联合概率分布)叫做母体(或总体)概率分布(或联合概率分布)，相应的平均值、方差、变异系数等称为母体(或，巷体)的统计参数为了研究母体(或总体)的概率分布(或联合概率分布)及其统计参数，需要从母体(或总体)中抽取部分个体进行观察，这部分个体称做一个子样(或样本)例如从某海域观测点得到最近2 0 年的年最大波高记录，这2 0 个波高数据就成为该海域年最大波高的一个子样，子样容量为2 0 如果要求根据子样的信息对母体作出科学的推断，那么对子样的选取应有所要求，如代表性等，在数理统计中，常用简单子样，其抽样方式要求子样申来自母体的每一个体具有与母体相同概率分布，而且每次抽取个体彼此问独立无关，此时子样的个体作为随机变量是相互独立的，且与母体具有相同概率分布。在抽取子样后，将子样中所包含的所有需要的信息提炼出来，针对不同的问题，构造出子样的某种函数，这种函数称为统计量具体的描述，设x。，X 2，X。，为母体x 的一个子样，若g(x，X：，x。)为一不包含任何未知参数的连续函数。则称g(x，X 2，x。)为一统计量常用的统计量有：子样平均值专砖亩丧子样标准差“=贾=土t 杰a=lz仃：_ 1 杰(x，一牙)21 1 1 鲁、盯=后再i浙江大学硕士学位论文2 0 0 111 5海洋平台结构可靠度评估的环境数据分析和重要度分析子样变异系数6：!U子样相关系数：P=(x，一戈)(Z-y)再面(3 4)根据上述子样的样本及统计量进行统计估计。统计估计包括两个方面内容，一是概率分布估计，是估计母体的分布；二是估计母体分布参数估计，是估计与概率分布有关的参数。综合以上的调查统计结果，将得到所统计的随机变量任意时点概率分布的统计参数通过分析海洋环境要素(荷栽)的特性，并考虑到近似概率方法计算时应用方便且偏于安全等因素，采用平稳二项随机过程作为海洋环境要素(风、浪、潮、流和海冰)的概率模型。平稳二项随机过程的样本函数为等时段的矩形波并具有如下特性：(1)在【O，T 时间城内可划分为，个相等的时段f，既r=T r(2)在任一时段i，事件荷载出现(即Q(f)0)的概率为p，荷载不出现(即Q(t 1 k。：认为母体的分布与假设的分布有显著的差异3 1 4 设计基准期最大荷载概率分布及其统计参数根据荷载调查统计工作，可以得到各常见荷载按平稳二项随机过程概型的三大统计要素(，P，屹(r)荷载一抗力设计法取设计基准期作为可靠度分析的基准时间，本应引入荷载随机过程的全部信息，而当前，一次二阶矩结构可靠度计算方法是将各基本变量考虑为随机变量显然取任意时点随机变量计算偏不安全，弘须考虑设计基准期内荷载的板值，即计基准期内最大荷载概率分布G：Q r2 嬲Q(f)(3 9)由于统计资料积累的时间所限设计基准期内最大荷载概率分布G 的分布特性及其参数不可能由实测调查中获得例如要得到某海域2 5 年最大风荷载，的统计参数，假若该海域的观测点已积累了5 0 0 年的记录数据，也仅能够得到职。分布母日_摹浙江大学硕士学位论文2 0 0 11 8体的2 0 个子样数而目前所提供的数据记录仅为2 2 年。因此，设计基准期内最大荷载概率分布g 的分布特性及其参数只能应用数学推理方法求得根据荷载调查统计工作在得到各常见荷载按平稳二项随机过程概型的三大统计要素(r，p，屹(r)的基础上，按平稳二项随机过程的概率特性，求得设计基准期内最大荷载概率分布0，的分布特性及其参数。设计基准期内最大荷载概率分布G 的分布函数为：坛(砷=(跏”(3 1o)其中：朋=o r，G 得概率分布函数及统计参数亦可采用M o n t e C a r l o 方法模拟求得根据平稳二项随机过程的概率特性，-j-以借助计算机模拟荷载的样本函数在 o，刀时间域内，应用M o n t e C a r l o 方法随机产生符合B(x)分布特性的荷载值共p，个，选择其中最大者即为设计基准期内最大荷载概率分布Q r 中一个随机数(记作(G)，)。重复模拟以产生,r 个样本数，将聆个(Q r)，进行统计及分布检验，从而得到设计基准期内最大荷载概率分布G 的统计参数及分布类型随着模拟次数，l 的增加，此方法的精度亦随之提高3 2 数据基本资料为比较确切地描述海上结构各种常见荷载的统计特征，比较准确的确定目标可靠指标以及荷载和抗力分项系数、荷载组合系数，需要以下数据：3 2 1 环境资料1)风A、平台所在海域(场地)的历年年最大风速记录值(推算值)及方向；B、平台所在海域(场地)的历年月最大风速记录值(推算值)及方向；C、历年风向玫瑰图；D、与历年最