1．目的及意义

1.1研究目的及意义

当今时代,海洋在一个国家发展中的地位愈加突出，不仅在维护国家主权、国防安全和军事战略等方面具有重大意义，同时海洋对于国家经济社会发展起到的作用也更加明显。二十一世纪，世界各国都不同程度地提高对海洋的重视，越来越多的发达国家和发展中国家将海洋纳入自身经济与社会发展的战略当中。全球大陆架面积约为3000万平方米，占全球海洋面积的8%，同时海洋里也蕴藏着巨大的能量。据法国研究机构的一项调查估计：全球石油资源的极限储量为1万亿吨，可采储量为3000亿吨，其中海洋石油储量约占45%，即可采储量为1350亿吨。中东地区的波斯湾、美国和墨西哥之间的墨西哥湾、英国和挪威之间的北海、中国近海包括南沙群岛海底，均是世界公认的海洋石油最丰富的区域^[1-2]。

石油和天然气作为工业的命脉，是推动国家经济发展的重要战略物资，随着社会的发展，陆地能源的日益枯竭，人类对于海洋资源的开发利用不断发展，对石油勘探的范围也逐渐从浅海、近海扩展到了深海领域。与此同时，各式各样的海上作业平台和浮式结构应运而生。其中超大型浮体（Very Large Floating Structures简称VLFS）由于其特有的优势，引起了世界各国的重点关注。不同于传统围海造陆、填海建岛的方式，超大型浮式结构在满足人们对于陆域空间及生产生活设施要求的同时，对环境和生态的影响较小。

1924年，美国人阿姆斯特朗（Edward R Armstrong）最早提出了建立超大型海上结构物的概念，他设想建立海上机场，用于给在欧洲和美国之间飞行的飞机补充燃料。日本政府尤其重视对多浮体超大型结构的研究，从1986年起，日本就开展了为期5年的海上浮式结构物试验研究，积累了大量的实验数据^[3]。二十世纪以来，超大型浮式结构在浮式码头、浮式酒店、浮式燃料存储设施、浮式体育场、浮式桥梁、浮式机场甚至浮式城市等方面的应用都引发了国内外广泛的研究^[4]。

超大型浮式结构之所以能够引起国外学者如此大的关注和研究，主要在于它在以下几个方面发挥的巨大用途^[5]：（1）建立海上军事基地，完善国家海防，维护国家海域主权；（2）建立海上科学研究基地、资源开发基地和海上中转基地等，充分开发和利用该海域的海洋资源；（3）建立海上浮式机场和大型海上娱乐设施等，可以远离人类聚居区，避免噪音影响人们正常生活；（4）建立海上核电站、废物处理厂和空港等，将一些原有陆域上的生产生活设施移建或新建至海上，从而达到降低城市环境污染和噪音的目的。综合以上用途分析，研究超大型浮式结构对于国家军事、政治以及经济社会发展具有重大意义。

1.2国内外的研究现状

超大型浮式结构物由于尺寸和排水量巨大，长度一般都超过千米，工程上很难做到整体建造，因此为了建造方便和减小内部应力，模块化设计建造是普遍的选择，模块之间通过连接体相连。连接体根据其力学特性又分为刚性连接体和柔性连接体。现在较少使用完全刚性连接体, 因为其缺点较为明显，随着模块数量的增加^[6], 浮体尺寸的增加，完全刚性连接体的载荷急剧增加, 甚至远大于材料强度极限。

目前超大型海洋浮式结构物通常有两类结构型式:厢式(Pontoontype 或Boxtype)和半潜式(Semi-submersibletype)。厢式浮体构造简单, 维护方便, 日本的“Mega-float”海上浮动机场就采用这种形式^[7]。半潜式浮体虽然构造比较复杂, 但具有更好的水动力性能, 能够抵抗较为恶劣的海洋环境。在超大型浮式结构物的模块拼装过程中，连接体是整个结构系统中的一个薄弱环节。日本的箱式浮体方案采用模块焊接连接方式，而美国的半潜式浮体方案提出了刚性连接、铰链连接、柔性桥连接等方式。

连接体的设计载荷主要有四类模型，刚性模块柔性连接体(RMFC)模型、柔性模块刚性连接体(FMRC)模型、刚性模块刚性连接体(RMRC)模型以及柔性模块柔性连接体(FMFC)模型^[8]。模块之间采用柔性连接体是超大型浮体连接方式的发展趋势，允许连接模块之间的相对纵摇以减少连接体的纵向设计载荷。从简单铰接式连接体到柔性连接体，连接体系统的功能不断增强，其工作原理也有了很大的改进，但整个系统结构也变得更加复杂。另外，随着超大型浮式结构物及其连接体的不断发展，柔性连接体设计准则也在不断的改进。

王志军等^[9，10]采用三维线性水弹性理论研究了箱式超大型浮体结构分别在规则波和不规则波中的动力响应。在规则波中，通过建立Bernoulli-Euler 梁模型研究结构的动力特性，用弹性体三维势流理论计算结构的水动力系数，给出了垂向弯曲模态的位移、弯矩随波浪频率的变化规律。在不规则波中，以浮体结构动力响应传递函数为基础 ,进行了结构动力响应的短期预报和长期预报 。计算结果表明 ,浮体结构的垂向弹性变形与刚体升沉运动幅值相当 ,波浪诱导弯矩和应力的长期预报值均较大。

陈芳等^[11]以薄板理论与边界元法为理论基础,对超大型浮体模型进行了数值模拟计算，考虑弹性振动模态与流场的相互作用，采用模态综合法计算波激振动响应，将计算数据与试验数据对比，结果显示基本吻合，并解释了存在差异的原因是由于阻尼的不确定性、振动的非线性以及结构变形对压力场分布等因素的影响。