【摘要】：海岸及海洋工程所處的環(huán)境條件非常惡劣，它們經(jīng)常遭受臺(tái)風(fēng)、寒潮等嚴(yán)重天氣過(guò)程的影響。海堤是防御海洋災(zāi)害的主要建筑物，我國(guó)沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，一旦遭遇臺(tái)風(fēng)而導(dǎo)致海堤損毀，將產(chǎn)生難以估量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡；海洋平臺(tái)造價(jià)昂貴，災(zāi)害性的天氣過(guò)程將導(dǎo)致平臺(tái)無(wú)法正常工作，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)蛊脚_(tái)傾覆、石油泄漏，污染海洋環(huán)境、造成生態(tài)破壞。影響海岸及海洋工程的環(huán)境要素主要有風(fēng)、浪、潮、流、海冰、海霧等，如何有效地構(gòu)造其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于工程結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性非常重要。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用單因素方法，將每種海洋環(huán)境要素視為獨(dú)立變量，進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。這種方法過(guò)于保守，無(wú)法反映實(shí)際的海洋環(huán)境條件。因而有必要進(jìn)行多維環(huán)境要素聯(lián)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的研究，這就需要有足夠準(zhǔn)確的多元概率分布模型作為理論支撐。目前建立的模型類(lèi)型單一，有時(shí)無(wú)法反映實(shí)際海況，擬合時(shí)誤差較大。 本文在最大熵原理的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了二維及多維最大熵模型，將其應(yīng)用于海堤和海洋平臺(tái)等的多維環(huán)境荷載聯(lián)合設(shè)計(jì)中，并將其引入多維復(fù)合極值理論、結(jié)構(gòu)可靠度分析以及風(fēng)險(xiǎn)分析中。本文的主要工作如下。 一維最大熵分布函數(shù)可以涵蓋海洋環(huán)境設(shè)計(jì)的多種分布，因而可以避免線(xiàn)型選擇的問(wèn)題。本文總結(jié)并提出了一維最大熵分布函數(shù)的7種參數(shù)估計(jì)方法，即三參數(shù)矩法、四參數(shù)矩法、經(jīng)驗(yàn)適線(xiàn)法、最大似然法、概率權(quán)重法、L-矩法和粒子群算法；對(duì)這些參數(shù)估計(jì)方法進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證和Monte-Carlo模擬，結(jié)果表明最大似然法和經(jīng)驗(yàn)適線(xiàn)法的擬合效果較優(yōu)，因而推薦使用。 由于海洋環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)的估計(jì)誤差較大，因而有必要引入置信區(qū)間的概念。本文提出了5種設(shè)計(jì)重現(xiàn)值的區(qū)間估計(jì)方法，即Woodruff法、最大似然法、樣本分位數(shù)漸近法、順序統(tǒng)計(jì)量法和符號(hào)檢驗(yàn)法。根據(jù)數(shù)值模擬和實(shí)例驗(yàn)證得出，對(duì)一維最大熵分布函數(shù)，重現(xiàn)值區(qū)間估計(jì)的參數(shù)方法優(yōu)于非參數(shù)方法；而在參數(shù)方法中，推薦使用最大似然法區(qū)間估計(jì)。 鑒于一維最大熵分布函數(shù)在應(yīng)用中的優(yōu)越性，類(lèi)似對(duì)二維情形，給出適用于海洋環(huán)境要素的約束組合，建立了二維最大熵分布函數(shù)，并推導(dǎo)出其參數(shù)的矩估計(jì)方法。基于二元Copula函數(shù)，推導(dǎo)出邊緣分布均服從最大熵分布函數(shù)的各種二維最大熵模型，并將這一類(lèi)Copula模型統(tǒng)一在最大熵原理之下，實(shí)現(xiàn)了其與二維最大熵分布函數(shù)的統(tǒng)一。利用二維最大熵模型，進(jìn)行了渤海年極值波高和伴隨風(fēng)速的聯(lián)合概率設(shè)計(jì)，以及營(yíng)口、葫蘆島海冰的同現(xiàn)概率分析。計(jì)算結(jié)果表明，二維最大熵分布模型對(duì)數(shù)據(jù)的擬合優(yōu)度良好。 針對(duì)當(dāng)前多維概率模型大多限于低維（二維或三維），很難向更高維推廣的缺點(diǎn)，根據(jù)多維聯(lián)合信息熵和最大熵原理，建立了一般的多維最大熵模型、矩約束下的多維最大熵模型，以及適合海洋環(huán)境約束的三維最大熵分布函數(shù)；鑒于建立的三維最大熵分布函數(shù)難于計(jì)算，利用多元Copula函數(shù)構(gòu)造了邊緣均服從一維最大熵分布函數(shù)的多維最大熵模型，并將其統(tǒng)一于最大熵原理之下。利用黃海某島25年的年極值波高、周期、增水?dāng)?shù)據(jù)，根據(jù)三維最大熵模型，提出了一種海堤頂高程和越浪率的聯(lián)合設(shè)計(jì)方法。 針對(duì)災(zāi)害性天氣過(guò)程中多維環(huán)境要素的兩組樣本（過(guò)程中同為極值的要素及荷載最大時(shí)伴隨的環(huán)境要素），提出了兩種新型的多維復(fù)合極值模型，進(jìn)而獲得多維復(fù)合最大熵模型。利用這些模型對(duì)青島風(fēng)暴潮的強(qiáng)度進(jìn)行了分級(jí)，對(duì)臺(tái)風(fēng)過(guò)程下導(dǎo)管架平臺(tái)的環(huán)境條件設(shè)計(jì)進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，多維復(fù)合最大熵模型描述臺(tái)風(fēng)/寒潮等災(zāi)害性天氣過(guò)程的統(tǒng)計(jì)分布是合適的；并且，其中最大荷載對(duì)應(yīng)環(huán)境要素組合下的多維復(fù)合極值分布對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)值更為安全。 將多維最大熵模型引入靜態(tài)結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算中，結(jié)合直接積分法，使得結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算的全概率法得以實(shí)現(xiàn)。鑒于靜態(tài)可靠度計(jì)算無(wú)法考慮結(jié)構(gòu)與荷載隨時(shí)間的變化，無(wú)法真正保證結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性，因而對(duì)結(jié)構(gòu)的時(shí)變可靠度進(jìn)行了相應(yīng)討論，給出了相應(yīng)服役期內(nèi)時(shí)變可靠度的計(jì)算公式。最終，結(jié)合渤海某平臺(tái)，就較為簡(jiǎn)單的情形進(jìn)行了工程驗(yàn)證。 利用標(biāo)值點(diǎn)過(guò)程理論，將災(zāi)害性天氣過(guò)程視為隨機(jī)點(diǎn)事件，將過(guò)程中各種環(huán)境荷載作為該點(diǎn)事件的標(biāo)值，建立了災(zāi)害性天氣過(guò)程的Poisson多元標(biāo)值點(diǎn)過(guò)程模型。將多維最大熵分布作為多維標(biāo)值的聯(lián)合分布，利用以上點(diǎn)過(guò)程模型，推導(dǎo)出了海洋平臺(tái)的綜合風(fēng)險(xiǎn)率，為其安全防護(hù)提供了參考。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類(lèi)號(hào)】：P75
【圖文】：

圖 1-1 渤海作業(yè) 3 號(hào)平臺(tái)傾斜 45°角 圖 1-2 日本海嘯破堤圖 1-3 海上油田被海冰包圍 圖 1-4 天津港淤積情況在渤海，80 年代末 90 年代初開(kāi)始使用的平臺(tái)已陸續(xù)進(jìn)入后服役期，剩余油氣儲(chǔ)量有限，延壽時(shí)間短。傳統(tǒng)的單因素設(shè)計(jì)方法將各環(huán)境要素視為相互獨(dú)立的事件，實(shí)際上其同時(shí)發(fā)生的概率很小。以這些參數(shù)進(jìn)行加固，無(wú)疑將增加平臺(tái)的維修成本，導(dǎo)致部分油田失去繼續(xù)開(kāi)采的價(jià)值；并且由于忽略了各種環(huán)境要素之

圖 1-1 渤海作業(yè) 3 號(hào)平臺(tái)傾斜 45°角 圖 1-2 日本海嘯破堤圖 1-3 海上油田被海冰包圍 圖 1-4 天津港淤積情況在渤海，80 年代末 90 年代初開(kāi)始使用的平臺(tái)已陸續(xù)進(jìn)入后服役期，剩余油氣儲(chǔ)量有限，延壽時(shí)間短。傳統(tǒng)的單因素設(shè)計(jì)方法將各環(huán)境要素視為相互獨(dú)立的事件，實(shí)際上其同時(shí)發(fā)生的概率很小。以這些參數(shù)進(jìn)行加固，無(wú)疑將增加平臺(tái)的維修成本，導(dǎo)致部分油田失去繼續(xù)開(kāi)采的價(jià)值；并且由于忽略了各種環(huán)境要素之

圖 1-3 海上油田被海冰包圍 圖 1-4 天津港淤積情況在渤海，80 年代末 90 年代初開(kāi)始使用的平臺(tái)已陸續(xù)進(jìn)入后服役期，剩余油氣儲(chǔ)量有限，延壽時(shí)間短。傳統(tǒng)的單因素設(shè)計(jì)方法將各環(huán)境要素視為相互獨(dú)立的事件，實(shí)際上其同時(shí)發(fā)生的概率很小。以這些參數(shù)進(jìn)行加固，無(wú)疑將增加平臺(tái)的維修成本，導(dǎo)致部分油田失去繼續(xù)開(kāi)采的價(jià)值；并且由于忽略了各種環(huán)境要素之間的相關(guān)性，使得多種環(huán)境要素聯(lián)合概率意義不清晰，對(duì)結(jié)構(gòu)做出的安全評(píng)價(jià)與客觀(guān)情況出入較大，由此也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的決策。在臺(tái)風(fēng)暴潮和洪水的共同作用下，海堤因漫溢、漫頂、滑坡、管涌、風(fēng)浪淘刷、水流沖蝕而發(fā)生破壞[6]。海堤的失事風(fēng)險(xiǎn)分為可修復(fù)性風(fēng)險(xiǎn)和破堤風(fēng)險(xiǎn)，前者危害性較小，容易修復(fù)；后者致災(zāi)后果嚴(yán)重，既有經(jīng)濟(jì)損失，又有生命損失，同時(shí)伴隨著環(huán)境惡化，因而成為影響海堤安全的主導(dǎo)因素和主要控制目標(biāo)[7]。海堤破壞以越頂、滲透失穩(wěn)和整體失穩(wěn)三種形式為主[6]，導(dǎo)致這些破壞的海洋環(huán)境

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2777217