海洋环境载荷模型研究：流荷载的相关性分析和极值预测模型

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引言（INTRODUCTION）

海流荷载是海洋工程结构设计的核心环境荷载。海水冲刷会产生强大的拖曳力，而涡激泄放过程则会引发立管系统的涡激振动（VIV）。拖曳力和VIV现象将导致水下结构的强度和动力失效，尤其当现有浮式结构往深水区发展时，上述影响将会更加凸显。因此针对水下结构不同的失效准则建立相应的海流荷载模型尤为必要，对海洋工程结构设计意义重大。

现场监测（MEASUREMENT）

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流场监测数据取自我国南海流花海域布设的原型监测系统。流花11-1海域位于中国南海海域珠江口盆地，坐标位置东经115°42´，北纬20°49´。海流数据按水深分为14层，每层间隔7m，深度范围30~121m。

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LH11-1海域地理位置

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监测系统布置图

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海洋环境载荷监测系统汇总

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海洋环境监测子系统

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监测信息

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性能参数

风

风速、风向

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海面上10m, 塔架 80m，1Hz

波浪

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波高、周期

2 A; s2 V1 N! x, |, p; J0 X

海面上20m，采样间隔1min

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海流

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流速、流向

水下15m，水下17m，采样间隔10min

现流剖面相关性分析（CORRELATION ANALYSIS OF CURRENT PROFILE）

传统的极值设计方法将海流分层进行极值分析，最终将同一重现期极值的包络线作为设计指标。这种包络线设计思想具有明显的保守性，其根本原因是忽略了流场层间的相关性。

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首先将实测流速数据按层数分成了14个一维时间序列，通过互相关函数和相关系数进行相关性分析。由第1层流速分别与第2、7、14层的计算结果，可以看出它们的相关性主要集中在较短的时间延迟内，且空间临近层之间相关性最强。此外，给出了所有流层间相关系数分布图，图中对角线附近区域的数值再次表明了该海域海流流速在邻近空间上的强相关性。因此，传统的分层理论必然会导致结果偏于保守，所得的剖面形态也与包含内在相关性的真实剖面不符，建立考虑相关性的流荷载模型十分必要。

不同流层的互相关函数

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不同流层间的相关系数

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基于ISORM的流剖面极值模型（CURRENT ENTREME PROFILE MODEL BASED ON ISORM）

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本课题组在南海实测海流数据的基础上，针对水下结构强度失效准则，开展了基于模态降维的流速剖面分析研究。基于降维结果结合ISORM（逆二阶可靠性）方法，改进了Forristall等的极值预测方法，可以更准确地处理非线性程度较强的可靠度问题。

空间模态降维技术

对实测流速剖面进行模态降维分解结果如图1所示，模态贡献率如图2所示。可见前两阶阶模态的贡献率之和达到95%，剩余高阶模态贡献率之和不足5%，因此从方差贡献率的角度，选取前两阶模态进行流速剖面的变量重组，精度可达95%。另外，一阶模态接近于均匀流，与一般的潮流形态相似，体现出海流的正压性质；二阶模态接近于剪切流，与风生流形态较为类似，体现出斜压性质。

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  模态方差贡献率

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逆二阶可靠度的极值预测技术

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对于水下立管等结构而言，强度设计中主要考虑海流对整个结构所产生的拖曳力影响，因此可取拖曳力作为目标函数，进而通过ISORM确定相应的多年一遇设计域及设计点。得到了1、5、10年三个重现期下的流速设计剖面，可以看出，1、5、10年一遇的设计剖面在空间形态上较为相似，均反映出较强的剪切流特征。

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1、5、10年一遇重现期的流速设计剖面

结论（CONCLUSION）

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本课题组针对水下结构强度设计，在考虑空间相关性基础上对流剖面进行物理建模，采用逆可靠性方法确定了多年一遇极值参数，最终基于不同的工程设计需求给出了多年一遇的强度设计的实测流荷载模型。其中，利用空间相关性分析实现了变量维数缩减；逆可靠性方法则将原本的多维极值问题转化为了约束优化问题，采用了二阶可靠性理论保证了更高的数值精度。研究成果实现了传统分层设计指标的优化，实现了深水流剖面模型的精确性预测。

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