海岸與海洋工程多種海洋環(huán)境動(dòng)力要素聯(lián)合設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究

董勝，陶山山，趙玉良

（中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院,山東 青島 266100）

多種海洋環(huán)境動(dòng)力要素聯(lián)合設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是海岸與海洋工程設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，隨機(jī)分布理論是其理論基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)使用期內(nèi)，海岸與海洋工程結(jié)構(gòu)往往遭受風(fēng)、浪、流、潮等環(huán)境要素的共同作用，傳統(tǒng)的采用單一條件的設(shè)計(jì)重現(xiàn)值，例如百年一遇的風(fēng)、百年一遇的浪、百年一遇的流及百年一遇的潮，再同時(shí)施加于海洋結(jié)構(gòu)的做法，導(dǎo)致聯(lián)合重現(xiàn)期遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了百年。特別是在開展結(jié)構(gòu)可靠度研究時(shí)，無法獲得客觀的評(píng)估結(jié)果。國(guó)內(nèi)外學(xué)者與規(guī)范制訂機(jī)構(gòu)對(duì)此開展了深入研究，取得了豐碩的科研成果。本文對(duì)海岸與海洋工程多種海洋環(huán)境動(dòng)力要素聯(lián)合設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)開展綜述。

1 海洋環(huán)境要素多元設(shè)計(jì)方法

目前，有關(guān)海岸和海洋工程的海洋環(huán)境要素設(shè)計(jì)值的推算仍以單因素設(shè)計(jì)為主，國(guó)內(nèi)外規(guī)范也多以此作為標(biāo)準(zhǔn)。但實(shí)際上，應(yīng)考慮多種海洋環(huán)境動(dòng)力要素極值的聯(lián)合概率分布，據(jù)此推算的海洋環(huán)境動(dòng)力要素聯(lián)合設(shè)計(jì)值，才能夠真正反映海岸和海洋工程結(jié)構(gòu)的防護(hù)能力。

1.1 海洋環(huán)境要素設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

海堤是重要的海岸防護(hù)工程，海洋平臺(tái)在海洋工程中應(yīng)用廣泛。本節(jié)以二者為例，簡(jiǎn)述海岸和海洋工程中海洋環(huán)境要素的設(shè)計(jì)方法。

1）海堤工程設(shè)計(jì)

海堤的防御標(biāo)準(zhǔn)是指海堤工程防御風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害的能力，通常以設(shè)計(jì)潮位和設(shè)計(jì)波浪（或設(shè)計(jì)風(fēng)速）的重現(xiàn)期作為標(biāo)準(zhǔn)[1]。關(guān)于海堤設(shè)計(jì)中各要素重現(xiàn)期的組合方法，我國(guó)沿海省市自治區(qū)的做法大致可分為2種：一種主張潮、浪重現(xiàn)期相同，如浙江、廣西，《海堤工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]也如此建議；另一種主張兩者重現(xiàn)期不同，如福建[2]。前者從風(fēng)暴潮發(fā)生的實(shí)際過程出發(fā)，認(rèn)為潮浪關(guān)系密切，重現(xiàn)頻率類似，宜采用相同重現(xiàn)期；后者則從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，認(rèn)為若二者同頻率，將導(dǎo)致設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)過高，投資收益率降低。

2）海洋工程設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)海洋工程時(shí)，國(guó)內(nèi)外一般采用單因素方法，即分別取各環(huán)境要素（如波高、風(fēng)速和海流）均為100 a一遇值等作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[3]。顯然，以此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是非常保守的。對(duì)于老齡平臺(tái)，由于剩余油氣儲(chǔ)量有限，延壽時(shí)間短，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其進(jìn)行加固，無疑將增加平臺(tái)的加固維修成本，導(dǎo)致部分油田失去繼續(xù)開采的價(jià)值。

客觀合理地確定環(huán)境要素設(shè)計(jì)參數(shù)是海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)與建造的前提。針對(duì)固定式海洋平臺(tái)，美國(guó)API規(guī)范[4]提出了3種確定設(shè)計(jì)條件的標(biāo)準(zhǔn)：①風(fēng)速、流速、波高均取100 a重現(xiàn)期的組合；②100 a重現(xiàn)期波高及“相伴”的風(fēng)速和海流；③風(fēng)速、波高和海流速度的任何合理組合，其結(jié)果是得到100 a重現(xiàn)期的組合平臺(tái)響應(yīng)，如基底剪力和傾覆力矩等。

英國(guó)勞氏船級(jí)社[5]針對(duì)近海移動(dòng)式平臺(tái)，提出了風(fēng)、浪、流的聯(lián)合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，即：①波浪和風(fēng)速100 a一遇、流速10 a一遇的組合；②波浪和流速100 a一遇、風(fēng)速10 a一遇的組合。

在我國(guó)，中國(guó)船級(jí)社[6?7]過去一直采用的是獨(dú)立分布標(biāo)準(zhǔn)，即對(duì)于海上平臺(tái)在自存工況下的設(shè)計(jì)環(huán)境要素，建議取其重現(xiàn)期均不小于50 a。雖然獨(dú)立分布標(biāo)準(zhǔn)是一種沿用至今的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，但是它忽略了多種環(huán)境要素之間的相關(guān)性，致使其概率意義不清楚，對(duì)結(jié)構(gòu)做出的可靠性評(píng)價(jià)與客觀情況差別較大，往往導(dǎo)致過高的經(jīng)濟(jì)投入[8?9]。有鑒于此，我國(guó)海洋石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[10]也采用了美國(guó)API標(biāo)準(zhǔn)提出的3種準(zhǔn)則進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.2 多維概率分布理論研究現(xiàn)狀

在海岸與海洋工程的設(shè)計(jì)中，單因素設(shè)計(jì)方法以各環(huán)境要素的極值樣本（一般選用年極值數(shù)據(jù)）為依據(jù)，選擇合適的線型對(duì)其進(jìn)行擬合，從而推求一定的重現(xiàn)值作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在我國(guó)，求解重現(xiàn)值時(shí)，對(duì)波高和周期的長(zhǎng)期序列，建議選用皮爾遜Ⅲ型曲線進(jìn)行擬合[11]；對(duì)受徑流影響的潮汐河口地區(qū)，其設(shè)計(jì)潮位宜采用皮爾遜Ⅲ型曲線，在海岸地區(qū)可采用Gumbel分布或皮爾遜Ⅲ型曲線[1]。另外，《漁港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]也推薦，有條件時(shí)以實(shí)際觀測(cè)序列與經(jīng)驗(yàn)累積頻率擬合最佳為原則，可選用其他線型，如Weibull分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、廣義極值分布、廣義Pareto分布等。國(guó)際上，Haver[13]認(rèn)為對(duì)于長(zhǎng)期波高，利用對(duì)數(shù)正態(tài)分布或Weibull分布來擬合其尾部結(jié)果較優(yōu)。在諸多線型中，如何選擇最合適的曲線擬合實(shí)際的環(huán)境要素序列極為重要，這需要進(jìn)行分布的擬合檢驗(yàn)等工作。

單因素方法無法反映海洋環(huán)境對(duì)工程結(jié)構(gòu)的綜合影響，這一問題在設(shè)計(jì)中逐漸凸顯。因此，人們?cè)絹碓疥P(guān)注多種環(huán)境要素聯(lián)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的研究，這需要多維概率分布理論的研究作為基礎(chǔ)。近年來，國(guó)際海洋工程界、各國(guó)的石油公司和規(guī)范制訂單位（API、DNV等）都非常重視多因素設(shè)計(jì)法的研究，將風(fēng)、浪、流對(duì)結(jié)構(gòu)的聯(lián)合作用作為主要研究方向之一。以下簡(jiǎn)述幾種主要的多因素設(shè)計(jì)方法。

1）全概率方法

構(gòu)造多種環(huán)境要素的聯(lián)合概率分布時(shí)，最基本的方法是通過全概率公式（即條件分布與邊緣分布的乘積）獲得。由于特征波高為影響海洋工程的主導(dǎo)因素，所以Haver[13]、Guedes等[14]及Gregersen和Haver[15]以特征波高服從的分布為邊緣分布，以不同波高下譜峰周期服從的分布為條件分布，通過全概率方法得到二者的聯(lián)合分布。該方法的缺點(diǎn)是條件分布受到邊緣區(qū)間選取的限制，經(jīng)常離散，導(dǎo)致聯(lián)合概率分布不連續(xù)，而且平滑方法復(fù)雜[16]。

2）隨機(jī)模擬法

多元概率統(tǒng)計(jì)是多元正態(tài)分布推廣發(fā)展而來的?；诙嘣龖B(tài)分布，可以得到多元對(duì)數(shù)正態(tài)分布、Wishart分布等[17]。Ochi[18]、Fang和Hogben[19]和Dong等[20]分別采用二維對(duì)數(shù)正態(tài)分布，建立了波高和譜峰周期（或上跨零周期），以及波高和風(fēng)速的聯(lián)合分布。除了這些與多元正態(tài)分布關(guān)系密切的聯(lián)合分布外，之前要得到其他類型的多元概率分布非常困難。

20世紀(jì)80年代初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，人們得以通過隨機(jī)模擬方法（如Monte-Carlo方法等[21]）進(jìn)行多元概率的近似計(jì)算。但隨機(jī)模擬方法在求解設(shè)計(jì)值或失效概率的精確解時(shí)非常耗用機(jī)時(shí)，針對(duì)該缺點(diǎn)，Schu?ller和Stix[22]提出了重點(diǎn)抽樣技術(shù)（Importance Sampling Procedure Using Design，ISPUD），并以其模擬多種隨機(jī)荷載引起的失效概率。該方法以聯(lián)合分布最重要的區(qū)域?yàn)槟M域，避免擴(kuò)展到整個(gè)定義域上進(jìn)行抽樣，其耗時(shí)短，且在求解失效概率時(shí)精確度高。Liu和Kiureghian[23?24]利用ISPUD對(duì)聯(lián)合概率進(jìn)行了計(jì)算，使得對(duì)非多元正態(tài)的聯(lián)合分布求解得以突破。劉德輔等[25?27]利用ISPUD對(duì)海洋立管、海冰荷載和海洋平臺(tái)的綜合環(huán)境條件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了隨機(jī)模擬。李曉冬等[28]利用ISPUD對(duì)海洋平臺(tái)的風(fēng)險(xiǎn)分析進(jìn)行了研究評(píng)價(jià)。

3）降維法

鑒于多維概率模型構(gòu)造的困難性，在海洋工程中，有人根據(jù)降維法（又稱極值響應(yīng)法），利用荷載與多元環(huán)境要素之間的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，將多元變量轉(zhuǎn)化為一元變量，然后用一元極值理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。Wen和Banon[29]在海洋平臺(tái)的風(fēng)、浪、流設(shè)計(jì)中，根據(jù)三者與傾覆力矩間的關(guān)系，利用極值響應(yīng)法，求解多年一遇的傾覆力矩及其對(duì)應(yīng)的環(huán)境荷載組合，并將其作為聯(lián)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4）正態(tài)變換方法

除多元正態(tài)分布外，其他多維概率模型的解析形式很難獲得。所以，有學(xué)者將原有分布轉(zhuǎn)化為正態(tài)分布進(jìn)行多維概率分析。正態(tài)變換的方法主要有Box-Cox變換[30]、Hermite多項(xiàng)式變換[31]、Nataf變換[32]、Winterstein近似公式[33]、Rosenblatt變換[34]（等效變換）、Orthogonal變換[35]等。Hermite多項(xiàng)式變換和Winterstein公式對(duì)樣本矩的精度要求較高，因而轉(zhuǎn)換時(shí)誤差較大；相比之下，Nataf變換、Rosenblatt變換和Orthogonal變換對(duì)樣本的要求相對(duì)較低，擬合時(shí)較為精確[36]。Wright[37]利用最大似然法求解Box-Cox變換的轉(zhuǎn)換參數(shù)，并給出了聯(lián)合環(huán)境的設(shè)計(jì)參數(shù)。Gregersen等[38]將該方法與全概率法進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，對(duì)波高而言二者結(jié)果相差不大，對(duì)風(fēng)速則相差較大。Wist等[39]利用Nataf變換，構(gòu)造了連續(xù)波高和波周期的二維聯(lián)合分布；Sagrilo等[40]基于Nataf變換，提出了三維環(huán)境參數(shù)（波高、風(fēng)速和流速）的聯(lián)合概率分布。Dong等[41]利用等效變換方法構(gòu)造了極值波高和相應(yīng)風(fēng)速的聯(lián)合分布，并建立了其聯(lián)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。劉偉[42]構(gòu)造了三維等效最大熵模型，用于推算海洋平臺(tái)環(huán)境要素（波高、風(fēng)速、流速）的聯(lián)合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

5）理論二維模型

除以上模型外，學(xué)者們還構(gòu)造了其他類型的多元分布，主要是一些二維模型。Rice[43]提出了一種二維Weibull分布模型，Longuet-Higgins[44]、Myrhaug等[45]和Wist等[46]分別將其應(yīng)用于波群統(tǒng)計(jì)、浮式裝置橫搖運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)分析，以及二階非線性波關(guān)于連續(xù)波峰高度與連續(xù)波槽深度的二維統(tǒng)計(jì)分析中。葛明達(dá)[47]利用二維Nagao-Kadoya-Rice(NKR)模型，進(jìn)行了連云港海區(qū)波高和波周期的二維聯(lián)合概率分析。

Izawa[48]以兩個(gè)Gamma分布為邊緣，提出了一種二項(xiàng)Gamma分布，其形狀參數(shù)和尺度參數(shù)是可變的，但其參數(shù)有一定的取值范圍，因而其實(shí)際工程應(yīng)用受到了限制。Moran[49]通過二維正態(tài)變換，提出了一種二維Gamma模型，其邊緣變量間的相關(guān)關(guān)系由相關(guān)參數(shù)決定，該模型為Kelly和Krzysztofowicz[50]提出的Meta-Gaussian模型的特例。另外，Morgensten[51]、Gumbel[52]和Farlie[53]給出的FGM模型也可以用來構(gòu)造二維Gamma分布模型[54]，但是其弱相關(guān)性限制了它的應(yīng)用范圍。覃愛基[55]推導(dǎo)出了一種二維聯(lián)合皮爾遜Ⅲ型分布，可用于水文頻率分析中，其結(jié)果得到了解析值、數(shù)值模擬及實(shí)際資料的驗(yàn)證。

6）多元極值理論

在一元極值理論的基礎(chǔ)上，基于多維極值的漸近性質(zhì)，人們提出了多元極值分布理論[56]。該分布族主要包括分量最大值模型、超閾值模型和點(diǎn)過程模型等，可以反映多元變量間尾部的相關(guān)關(guān)系，因而在多維環(huán)境設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。其參數(shù)法得到的多元極值分布有清楚的解析表達(dá)，參數(shù)估計(jì)簡(jiǎn)單、使用方便；但是該分布族下多維模型種類繁多，不同的多維數(shù)據(jù)有不同的相關(guān)結(jié)構(gòu)，因此如何選取模型非常關(guān)鍵。Coles和Tawn[57]依據(jù)概率測(cè)度的區(qū)別，對(duì)多元極值分布模型進(jìn)行了概括，主要有對(duì)稱Logistic模型、非對(duì)稱Logistic模型、非負(fù)對(duì)稱Logistic模型、Dirichlet模型、Bilogistic模型、嵌套Logistic模型。其中，多維對(duì)稱Logistic模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛，其他模型均為其擴(kuò)展。Shi[58-60]、史道濟(jì)和馮燕奇[61]給出了多維對(duì)稱Logistic模型的矩估計(jì)、極大似然估計(jì)和分步估計(jì)方法，并將后兩種方法進(jìn)行了比較，提出了其各自的適用情況。Yue[62]，Ji等[63]及Morton和Bowers[64]分別將二維Gumbel Logistic分布應(yīng)用于風(fēng)暴潮的水文頻率分析，不同海區(qū)年極值風(fēng)暴增水的同現(xiàn)頻率分析，以及波高和風(fēng)速聯(lián)合概率分析中。Coles和Tawn[57]針對(duì)英格蘭東海岸波高、周期和風(fēng)暴增水?dāng)?shù)據(jù)，利用負(fù)二維Logistic模型，建立了變量間的二維聯(lián)合分布，并相應(yīng)提出了結(jié)構(gòu)的聯(lián)合設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。實(shí)際的多維數(shù)據(jù)多不具有對(duì)稱關(guān)系，故McFadden[65]和Tawn[66]提出了嵌套Logistic模型。后者利用三維嵌套Logistic模型處理了英格蘭東海岸三個(gè)地點(diǎn)的水位相關(guān)關(guān)系問題；而Zachary等[67]則采用三維Logistic模型計(jì)算了波高和伴隨周期、風(fēng)速的聯(lián)合同現(xiàn)概率。Shi和Zhou[68]提出了三維嵌套Logistic模型相關(guān)參數(shù)矩估計(jì)的顯式表達(dá)，為工程應(yīng)用提供了便利，他們另給出了3種邊緣分布均為標(biāo)準(zhǔn)Gumbel分布的四維嵌套Logistic模型。

7）Copula函數(shù)法

Copula函數(shù)基于Sklar定理[69]，可以精確描述多維邊緣間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，它是聯(lián)結(jié)多元分布與其一元邊緣相關(guān)關(guān)系的橋梁[70]。Copula函數(shù)主要分為橢圓型Copula和Archimedes Copula等[70]。自1998年開始，Copula函數(shù)在金融、保險(xiǎn)等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用[71]。相較于多維極值理論，Copula函數(shù)構(gòu)造多維模型時(shí)，其一維邊緣只要與數(shù)據(jù)序列擬合優(yōu)良，則可以選取任意類型的邊緣分布。因此，近年來國(guó)內(nèi)外工程界開始逐漸重視采用Copula函數(shù)來建立多變量聯(lián)合分布函數(shù)。

在近海工程方面，Hanne等[72]用二元正態(tài)Copula 建立了波高和波周期的聯(lián)合分布，并成功應(yīng)用于日本海域的海洋工程；de Waal和van Gelder[73]利用Burr?Pareto?Logistic （BPL）Copula建立了極值波高和波周期的分布，并與物理模型結(jié)果進(jìn)行了比較；De Michele等[74]利用條件Copula思想，基于二元Copula函數(shù)構(gòu)造了特征波高、風(fēng)暴持續(xù)時(shí)間、風(fēng)暴方向與風(fēng)暴間隔的多維概率模型；Muhaisen[75]在碎石防波堤的最優(yōu)化設(shè)計(jì)中，根據(jù)Copula建立了特征波高和風(fēng)暴持續(xù)時(shí)間的二維概率模型。

Copula多維概率模型的參數(shù)估計(jì)方法主要有精確極大似然法、兩階段估計(jì)法[76]、偽極大似然估計(jì)法[77]、非參數(shù)核估計(jì)法[78]和半?yún)?shù)法[79]等。Copula模型的選擇方法有均方根誤差法、Akaike Information Criteria（AIC）法、BIC法[80]、K-S檢驗(yàn)法、QQ圖法、χ2檢驗(yàn)法、“Hit”檢驗(yàn)法[78]等。Copula的擬合優(yōu)度檢驗(yàn)主要包括經(jīng)驗(yàn)Copula法、Kendall轉(zhuǎn)換檢驗(yàn)法和CIPRosenblatt轉(zhuǎn)換法[80]等。

綜上，國(guó)內(nèi)外對(duì)Copula函數(shù)在水文及海洋工程方面的應(yīng)用有如下特點(diǎn)：①大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用都集中在二元Copula上，三元及四元Copula的應(yīng)用較少，高維的Copula應(yīng)用更少；②邊緣分布的選擇及相關(guān)參數(shù)的估計(jì)方法各異；③對(duì)于Copula函數(shù)的選擇，不同學(xué)者的標(biāo)準(zhǔn)各異。

2 設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究熱點(diǎn)和前沿問題

近年來，在海岸和海洋工程設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的研究中出現(xiàn)了很多新的方法和熱點(diǎn)問題，本節(jié)僅介紹其中3個(gè)方面：多維最大熵模型法、多維復(fù)合分布法、結(jié)構(gòu)響應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、防災(zāi)結(jié)構(gòu)可靠度，以及環(huán)境等值線法確定不利荷載組合。

2.1 多維最大熵模型的提出

Shannon[81]于1948年提出了信息熵的概念，把熵作為一個(gè)隨機(jī)事件的不確定性或信息量的度量。Jaynes[82]于1957年提出了最大信息熵原理，指出在所有可以定義信息熵的概率分布中，使得在某些約束條件下信息熵達(dá)到最大值的分布，即為在該約束條件下最可能發(fā)生的分布型式。1996年，吳克儉和孫孚[83]將該原理應(yīng)用于海浪波高的統(tǒng)計(jì)分布，指出在Rayleigh分布為理想狀況下，波高達(dá)到最大混亂程度時(shí)必然遵循一種分布，但將其用于描述實(shí)際波浪會(huì)有偏差；同時(shí)他們提出Weibull分布為某些約束條件下所得最大熵分布的特殊形式。

在海洋環(huán)境荷載設(shè)計(jì)中，Gumbel分布、Weibull分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、皮爾遜Ⅲ型分布等線型均可用來擬合長(zhǎng)期數(shù)據(jù)序列。但是，由于線型很多、參數(shù)估計(jì)方法多樣，因而導(dǎo)致在數(shù)據(jù)擬合時(shí)不易選取。Wang等[84]在指數(shù)型Gamma分布的基礎(chǔ)上，提出了一種水文氣象統(tǒng)計(jì)通用概率模型（也稱廣義Gamma分布）。該模型可以涵蓋11種水文頻率分析中的概率模型，如皮爾遜Ⅲ型分布、Kritsky和Menkel分布、Weibull分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布、Gumbel分布等。而基于最大熵原理和一定的約束條件，Zhang和Xu[85]提出了一種最大熵分布函數(shù)，并將其應(yīng)用于非線性海浪水面高度的統(tǒng)計(jì)分析中。該最大熵分布函數(shù)與廣義Gamma分布在形式上是一致的，因此它們雖基于不同的物理背景，但具有相同的作用。Zhang和Xu[85]同時(shí)給出了該最大熵分布函數(shù)的三參數(shù)矩估計(jì)方法；董勝等[86]提出了經(jīng)驗(yàn)適線法，并將其應(yīng)用于風(fēng)暴增水、臺(tái)風(fēng)波高[87]以及港口設(shè)計(jì)潮位[88]重現(xiàn)值的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)中。最大熵分布的參數(shù)估計(jì)方法還有很多，值得進(jìn)一步研究。最大熵分布函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為：①該分布有4個(gè)待定參數(shù)，可以更加細(xì)致地?cái)M合觀測(cè)數(shù)據(jù)和更廣泛地適用于各種情況下的非線性海浪，并且?guī)缀跛谐Ｓ糜诟劭诠こ淘O(shè)計(jì)中的分布都是該分布的特例，避免了線型選擇的問題；②未知參數(shù)可由高階矩表示出來，容易由觀測(cè)數(shù)據(jù)確定；③公式簡(jiǎn)潔，便于理論與實(shí)際應(yīng)用。

實(shí)際上，無論一維還是多維，國(guó)際通用的最大熵分布模型均為矩約束下的最大熵模型[89-92]，且一維時(shí)通常指前四階矩對(duì)應(yīng)的概率分布[90]。Abramov[90-91]對(duì)二維矩約束下最大熵模型的參數(shù)估計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)。劉偉[42]也利用等效方法，建立了波高和風(fēng)速的二維等效最大熵模型。鑒于Zhang和Xu[85]提出的一維最大熵分布函數(shù)的優(yōu)越性，可以類比其約束條件的選取方法，進(jìn)行二維甚至多維最大熵分布函數(shù)的推導(dǎo)，并將其應(yīng)用于海洋工程環(huán)境條件的聯(lián)合設(shè)計(jì)中。

多維最大熵模型理論上可以涵蓋或代替現(xiàn)有水文中應(yīng)用的所有多維概率分布，從而可以像一維分布一樣避免模型選擇的問題，因而繼續(xù)開展這方面的研究有重要的實(shí)際意義。

2.2 多維復(fù)合極值模型的構(gòu)建

Feller[93]構(gòu)造了一種具有普遍適用性的傳染分布族（也稱復(fù)合分布族），同時(shí)他也提出了復(fù)合Poisson分布的概念。我國(guó)很多測(cè)站波高的觀測(cè)年限較短，難以進(jìn)行重現(xiàn)值的推導(dǎo)。針對(duì)這一問題，馬逢時(shí)和劉德輔[94]利用復(fù)合分布的構(gòu)造方法，提出了適用于臺(tái)風(fēng)影響海域的復(fù)合極值分布理論。Muir和El-Shaarawi[95]將常用的6種分布類型與復(fù)合極值分布比較，結(jié)果表明后者的擬合及預(yù)測(cè)效果更優(yōu)。該方法在國(guó)內(nèi)許多港口和部門也獲得了廣泛應(yīng)用，并被編入高校教材[96-98]。馬逢時(shí)和劉德輔[94]利用Poisson-Gumbel復(fù)合極值分布來推算臺(tái)風(fēng)波浪多年一遇的設(shè)計(jì)波高；董勝等[99]采用Poisson-皮爾遜Ⅲ型復(fù)合極值分布，對(duì)風(fēng)暴潮增水進(jìn)行了隨機(jī)分析；邱大洪等[97]構(gòu)造Poisson-最大熵分布來預(yù)測(cè)臺(tái)風(fēng)海浪波高的重現(xiàn)值。Wang等[100]將臺(tái)風(fēng)發(fā)生次數(shù)和過程中的極值波高均用最大熵分布擬合，得到了最大熵復(fù)合極值分布模型。復(fù)合極值分布的缺點(diǎn)是它并非完整的分布形式，其概率積分的下限不為零。但這并不影響實(shí)際的分析和計(jì)算，因?yàn)槎嗄暌挥鲋噩F(xiàn)值只要求上限準(zhǔn)確即可。

劉德輔等利用臺(tái)風(fēng)過程中主極值下的伴隨數(shù)據(jù)，將一維復(fù)合極值分布推廣到二維[101]、三維[102]甚至有限多維[103]，結(jié)果表明：臺(tái)風(fēng)發(fā)生次數(shù)均服從某一維的離散型分布（一般取Poisson分布或二項(xiàng)分布），而海洋環(huán)境荷載（如波高、風(fēng)速、流速等）在主極值下的伴隨數(shù)據(jù)服從二維或高維的連續(xù)型分布。之后，人們陸續(xù)利用二維或高維復(fù)合極值分布的特例，如Poisson-二維混合Gumbel分布[103]、Poisson-二維Gumbel Logistic分布[104]、Poisson-二維對(duì)數(shù)正態(tài)分布[105]、Poisson-三維嵌套Logistic分布[102]、Poisson-三維對(duì)稱Gumbel分布[106]等，對(duì)海洋環(huán)境荷載進(jìn)行了聯(lián)合概率分析。

以上二維或高維的復(fù)合極值分布均基于臺(tái)風(fēng)過程中主極值下的伴隨樣本，當(dāng)然也可以選取其他樣本，如：①過程中海洋環(huán)境要素同為極值的樣本；②各環(huán)境要素綜合荷載（如平臺(tái)的基地剪力、彎矩等）最大時(shí)的樣本等。

復(fù)合極值分布的優(yōu)勢(shì)在于有效利用年內(nèi)的多個(gè)極值樣本，避免年極值法對(duì)數(shù)據(jù)的浪費(fèi)，多維復(fù)合極值分布的發(fā)展可以提高多元極值樣本的利用率。

2.3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測(cè)，就是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)未知結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。利用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練完成，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)即具備結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性的預(yù)測(cè)能力，可根據(jù)已知參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的靜力和動(dòng)力響應(yīng)，為可靠度等評(píng)估提供依據(jù)。一些學(xué)者利用短時(shí)或部分有限元分析結(jié)果，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，可以對(duì)海洋結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)。Guarize等[107]利用有限元法得到的較短時(shí)程的原始結(jié)構(gòu)響應(yīng)對(duì)（Artificial Neural Network，ANN）對(duì)進(jìn)行訓(xùn)練，并利用構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間預(yù)測(cè)。混合ANN方法已被證實(shí)能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)具有強(qiáng)非線性的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。De Pina等[108]提出了一種將ANN與非線性程序相關(guān)聯(lián)的模型，該非線性模型能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)浮式平臺(tái)系統(tǒng)的響應(yīng)，其結(jié)果與基于非線性動(dòng)力分析的有限元結(jié)果基本一致。此外，De Pina等[109-110]介紹了ANN的發(fā)展，并將其用于任意錨泊布置的FPSO的系泊系統(tǒng)響應(yīng)分析。Quéau等[111]利用ANN模型對(duì)懸鏈線式立管進(jìn)行了應(yīng)力分析，包括靈敏度研究和靜態(tài)應(yīng)力范圍的近似預(yù)測(cè)。Zhao等[112]利用ANN對(duì)系泊動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)。Zhao等[113]基于ANN對(duì)海洋平臺(tái)系泊系統(tǒng)的靜力和動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合貝葉斯推斷對(duì)其可靠度進(jìn)行了評(píng)估。許小穎等[114]利用Moses軟件計(jì)算不同系泊布置方案在不同浪向下的時(shí)域運(yùn)動(dòng)位移和錨鏈?zhǔn)芰η闆r。然后，將結(jié)果作為樣本，對(duì)BP（Back Propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)Moses時(shí)域計(jì)算的仿真。孫麗萍等[115]應(yīng)用AQWA軟件計(jì)算多點(diǎn)系泊FPSO，其時(shí)域結(jié)果直接用于訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從而利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射功能替代AQWA對(duì)錨泊的時(shí)域計(jì)算，大大縮短了優(yōu)化分析所需的時(shí)間。王寬[116]采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真的方法對(duì)錨泊系統(tǒng)的優(yōu)化布置進(jìn)行了研究，建立了系泊優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型，并采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)系泊時(shí)域運(yùn)動(dòng)和錨鏈?zhǔn)芰M(jìn)行仿真。黃小光和許金泉[117]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)波流聯(lián)合作用下的固定式海洋平臺(tái)進(jìn)行了可靠度分析。徐發(fā)淙[118]構(gòu)造了基于遺傳算法的反饋Hopfied神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型，并探討了應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行海洋工程結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化的基本原理和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在海洋工程中計(jì)算研究的現(xiàn)狀與趨勢(shì)。崔曉偉等[119]在我國(guó)南海浮式平臺(tái)所開展的原型實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上，基于現(xiàn)場(chǎng)獲取的臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)，通過徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Radial Basis Function,RBF）方法開展平臺(tái)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)分析研究。樓夢(mèng)瑤等[120]基于帶外源輸入的非線性自回歸（Nonlinear Autoregressive with eXogeneous, NARX）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立單海況預(yù)測(cè)模型，利用船舶系統(tǒng)仿真器獲取了母船升沉運(yùn)動(dòng)仿真數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：NARX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)復(fù)雜海浪環(huán)境具有良好的適應(yīng)性，它的預(yù)測(cè)速度和精度均優(yōu)于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)濾波方法，在惡劣海況下仍可保持較高的預(yù)測(cè)精度。卓思雨等[121]通過構(gòu)建RBF網(wǎng)絡(luò)近似模型，分別采用自適應(yīng)模擬退火算法、多島遺傳算法、粒子群法三種優(yōu)化算法，以重量最輕為目標(biāo)，對(duì)油船整體艙段依據(jù)中國(guó)船級(jí)社制定的規(guī)范[6-7]進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。陳磊[122]根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法具有較強(qiáng)的非線性映射能力和學(xué)習(xí)功能的特點(diǎn)，通過對(duì)影響單樁極限承載力因素進(jìn)行分析，依據(jù)靜力觸探資料建立了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的單樁軸向極限承載力預(yù)測(cè)模型。人工智能算法可大大提高分析效率，在結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測(cè)方面已得到了廣泛應(yīng)用。

2.4 海岸防災(zāi)結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算

目前，海岸防護(hù)工程結(jié)構(gòu)多基于結(jié)構(gòu)可靠度理論進(jìn)行設(shè)計(jì)。防波堤作為重要的海岸防護(hù)建筑物，其功能主要是抵御波浪對(duì)港區(qū)的侵襲，保證港口水域平穩(wěn)。

國(guó)際上，20世紀(jì)80年代，Toyama[123]和Suzuki[124]首先在變量均服從正態(tài)分布的條件下用可靠度方法計(jì)算了直立堤的抗滑安全性。

2000年，Balas和Ergin[125]提出了基于可靠性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型，并將二階可靠性方法在地中海土耳其Mersin港的主要防波堤設(shè)計(jì)中應(yīng)用實(shí)施，發(fā)現(xiàn)二階方法比一階方法在計(jì)算港口結(jié)構(gòu)失效概率時(shí)更為精確。2002年，他們進(jìn)一步利用水準(zhǔn)Ⅱ（如二階方法）和水準(zhǔn)Ⅲ兩種可靠性設(shè)計(jì)方法，研究了海岸結(jié)構(gòu)施工階段的損壞風(fēng)險(xiǎn)，并應(yīng)用到土耳其Mezitli（Icel）港設(shè)計(jì)中，利用二階可靠指標(biāo)方法和條件期望Monte Carlo方法分析了防波堤的安全指標(biāo)[126]。通過實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了水準(zhǔn)Ⅲ中Monte-Carlo模擬方法較水準(zhǔn)Ⅱ方法具有魯棒性的優(yōu)點(diǎn)，但前提是隨機(jī)變量的概率分布及其相關(guān)性能夠準(zhǔn)確描述。

Goda和Takagi[127]于2000年提出了極值波高下確定防波堤重現(xiàn)期和設(shè)計(jì)波高的方法，并對(duì)每一種條件進(jìn)行10 000次Monte Carlo模擬以符合實(shí)際統(tǒng)計(jì)結(jié)果，最后計(jì)算得出了沉箱防波堤的設(shè)計(jì)安全系數(shù)。由于存在隨機(jī)波浪的破碎，水深與顯著波高的比率在一定程度上可以影響沉箱防波堤的可靠性設(shè)計(jì)。2001年，Goda[128]指出沉箱防波堤的可靠性設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)暴潮高度極值分布函數(shù)的選擇非常敏感，因此引入新的擴(kuò)展參數(shù)γ50來表征極值分布函數(shù)的特征，將其定義為50 a一遇波高與10 a一遇波高的比率。通過Monte-Carlo模擬分析防波堤沉箱的滑移表明，在水深大于2.5倍有效波高等效水深左右的位置，γ50值較大的極端分布需要較大的沉箱寬度。

Van Der Meer[129]在模型研究的基礎(chǔ)上，建立了隨機(jī)波作用下防波堤護(hù)面塊體新的穩(wěn)定性公式，并基于該公式提出了防波堤護(hù)面塊體的可靠性設(shè)計(jì)方法。2002年，Suh等[130]指出波浪傳播中的波向變化對(duì)護(hù)面塊體有很大的破壞作用，若忽略波浪的方向性，估計(jì)失效概率可能會(huì)與實(shí)際失效概率相差兩倍左右。2006年，Kim和Suh[131]將可靠度設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于位于韓國(guó)東海岸的防波堤的穩(wěn)定性和沉降計(jì)算，加固之后的防波堤失效概率低于允許值，表明加固后防波堤變得穩(wěn)定。2010年，Kim和Suh[132]又對(duì)韓國(guó)12個(gè)貿(mào)易港口和8個(gè)沿海港口設(shè)計(jì)的四角護(hù)面塊體進(jìn)行了可靠度分析，指出安全系數(shù)與失效概率之間存在線性關(guān)系，安全系數(shù)越大，失效的可能性越小。2012年，Koc和Balas[133]將模糊Monte Carlo模擬方法應(yīng)用到護(hù)面塊體防波堤的可靠度風(fēng)險(xiǎn)分析中，此方法成為可靠度計(jì)算中隨機(jī)性和模糊性聯(lián)合處理的有力工具。

2003年，Kim和Takayama[134]在沉箱式防波堤的可靠度設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)不確定性和隨機(jī)變量因素對(duì)沉箱滑移距離的計(jì)算有一定影響，并提出利用雙側(cè)截尾正態(tài)分布代替原始正態(tài)分布計(jì)算沉箱滑移距離的思路。2018年，Lee等[135]提出了長(zhǎng)于完整波長(zhǎng)的防波堤概念，并分別進(jìn)行了長(zhǎng)尺度沉箱防波堤和現(xiàn)有尺度標(biāo)準(zhǔn)沉箱防波堤的可靠度分析，結(jié)果表明，長(zhǎng)尺度沉箱防波堤在波浪力作用下的可靠度高于現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)尺度下的沉箱防波堤。

國(guó)內(nèi)，謝世楞[136]研究了直立堤結(jié)構(gòu)可靠度計(jì)算的波浪荷載的長(zhǎng)期分布模型，并介紹了國(guó)外斜坡堤可靠度的研究進(jìn)展。劉穎和謝世楞[137]求解直立堤可靠度時(shí)，探索了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期內(nèi)的波浪荷載與結(jié)構(gòu)抗力的分項(xiàng)系數(shù)，在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)抗力與荷載分項(xiàng)系數(shù)的確定方法，針對(duì)防波堤抗滑和抗傾兩種模式，分別給出了用于設(shè)計(jì)的分項(xiàng)系數(shù)。

國(guó)外，學(xué)者分析防波堤結(jié)構(gòu)可靠度時(shí)，忽略了環(huán)境條件之間的相關(guān)性。我國(guó)學(xué)者在防波堤可靠度設(shè)計(jì)時(shí)，基于聯(lián)合分布理論，考慮了隨機(jī)變量之間的相互影響?；贖asofer-Lind方法，Qie和Li[138]采用系統(tǒng)、長(zhǎng)期的波浪浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，考慮抗力效應(yīng)與荷載效應(yīng)的相關(guān)性，給出了削角直立堤的抗滑和抗傾的可靠性指標(biāo)與分項(xiàng)系數(shù)。張磊等[139]分析了波壓與浮托力的二維Gumbel邏輯分布，提出了直立堤可靠度的直接積分計(jì)算方法。李靜靜等[140]則采用二維Gumbel-Hougaard Coplua分布對(duì)直接積分法開展了進(jìn)一步研究。張向東等[141]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與Monte Carlo法相結(jié)合，用于計(jì)算直立堤的可靠度。

圓弧面防波堤是半圓形防波堤的一種特殊型式。在總結(jié)半圓形防波堤可靠度研究成果的基礎(chǔ)上，謝世楞等[142]開展了圓弧面防波堤波浪力的物理模型試驗(yàn)，提出了相應(yīng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。郄祿文和吳進(jìn)[143]提出了半圓形防波堤分項(xiàng)系數(shù)計(jì)算的修改建議。郄祿文和秦一楠[144]完成了圓弧面防波堤波浪力測(cè)試的系統(tǒng)試驗(yàn)，并總結(jié)了簡(jiǎn)化算法?；陔[式功能函數(shù)，董勝等[145]直接將波浪特征要素（波高和周期）視為隨機(jī)變量，不再計(jì)算波浪荷載，實(shí)現(xiàn)了半圓形防波堤可靠度的計(jì)算，規(guī)避了誤差的產(chǎn)生，簡(jiǎn)化了計(jì)算流程。

2.5 不利荷載組合的環(huán)境等值線法

環(huán)境等值線法可用于確定海洋環(huán)境極端設(shè)計(jì)條件并用于求解海洋結(jié)構(gòu)的極端響應(yīng)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)環(huán)境變量的聯(lián)合模型和環(huán)境等值線的構(gòu)建已有一定的研究基礎(chǔ)。Haver[3,146]、Gregersen和Haver[15,147]提出了環(huán)境變量的聯(lián)合模型并由此估計(jì)環(huán)境等值線。Winterstein等[148]提出了IFORM方法，該方法的原理是利用Rosenblatt變換將環(huán)境變量的聯(lián)合分布轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)多元正態(tài)變量。陳曉璐等[149]將湍流強(qiáng)度作為環(huán)境變量，將其引入環(huán)境等值線法中，研究了風(fēng)湍流強(qiáng)度對(duì)Spar型海上浮式風(fēng)機(jī)極端響應(yīng)的影響。周帥等[150]將二維環(huán)境等值線與一維最優(yōu)化方法二分法結(jié)合，對(duì)Spar型海上浮式風(fēng)機(jī)長(zhǎng)期極端荷載進(jìn)行了預(yù)報(bào)。李林斌[151]利用經(jīng)驗(yàn)正交函數(shù)疊加和逆一階可靠度方法，對(duì)深水結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞設(shè)計(jì)流剖面進(jìn)行了推算。環(huán)境等值線法的優(yōu)點(diǎn)是隨機(jī)環(huán)境變量與結(jié)構(gòu)響應(yīng)解耦，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載被定義為沿等值線的所有海況對(duì)應(yīng)的最大響應(yīng)。柴子元等[152]基于環(huán)境等值線法對(duì)海上浮式風(fēng)機(jī)的長(zhǎng)期極限響應(yīng)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。宮浩男等[153]基于環(huán)境等值線法對(duì)深水浮式平臺(tái)的長(zhǎng)期極值響應(yīng)進(jìn)行了預(yù)報(bào)。Leira[154]進(jìn)行了確定等值線的隨機(jī)過程模型的比較。Jonathan等[155]和Huseby等[156]根據(jù)環(huán)境變量聯(lián)合分布模型提出了基于直接蒙特卡羅模擬的環(huán)境等值線估計(jì)方法。Haselsteiner等[157]利用數(shù)值網(wǎng)格構(gòu)建最高密度等值線，將原始變量空間離散為有限數(shù)量的網(wǎng)格單元，然后估計(jì)每個(gè)單元的概率，并進(jìn)行數(shù)值積分。Haselsteiner等[157]還對(duì)不同環(huán)境等值線構(gòu)造方法的特點(diǎn)進(jìn)行了富有啟發(fā)性的分析。Haver[146]、Jonathan等[155]和Haselsteiner等[157]尋求可以描述環(huán)境變量分布的環(huán)境等值線。Winterstein等[148]和Huseby等[156]通過一定的假設(shè)，給出了環(huán)境等值線與結(jié)構(gòu)失效之間的直接聯(lián)系。Vanem和Bitner-Gregersen[158]和Vanem[159]給出了不同環(huán)境等值線估計(jì)方法的比較。還有學(xué)者[160-162]則討論了如何將環(huán)境的聯(lián)合模型與給定環(huán)境條件的結(jié)構(gòu)響應(yīng)簡(jiǎn)單模型相結(jié)合，來直接估計(jì)響應(yīng)的特征。因此，可以估計(jì)與極端響應(yīng)對(duì)應(yīng)的環(huán)境變量的聯(lián)合分布。Zhao和Dong[163]提出了基于逆一階可靠度法的環(huán)境等值線擴(kuò)展模型，并且Zhao等[164]采用不同的聯(lián)合概率模型構(gòu)造環(huán)境等值線，評(píng)估了對(duì)結(jié)構(gòu)荷載分析的不確定性。Vanem[165]考慮了環(huán)境數(shù)據(jù)的季節(jié)性，為考慮短期序列相關(guān)性，從時(shí)間序列中進(jìn)行子抽樣，得到簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)集并構(gòu)造環(huán)境等值線。海洋結(jié)構(gòu)的不同響應(yīng)（和失效模式）對(duì)相應(yīng)環(huán)境等值線特性的影響也是需要考慮的。一般來說，考慮總體失效概率，并調(diào)整單個(gè)響應(yīng)的失效概率以考慮相關(guān)性似乎是合理的，這需要進(jìn)一步發(fā)展環(huán)境等值線。研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建合理的環(huán)境等值線，其中不僅應(yīng)包括結(jié)構(gòu)破壞，還應(yīng)包括結(jié)構(gòu)破壞的程度[166]。

3 對(duì)我國(guó)海岸設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)研究方向的建議

面向海洋結(jié)構(gòu)遭受到多種荷載作用，基于多維極值統(tǒng)計(jì)分布理論，考慮海洋結(jié)構(gòu)在多種載荷下的響應(yīng)，同時(shí)開展海洋結(jié)構(gòu)物全壽命周期的系統(tǒng)可靠度，才能取得海洋結(jié)構(gòu)遭受的多種載荷的最不利組合，從而制定保證結(jié)構(gòu)安全的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。未來的研究可從以下方向逐步深化拓展。

1）適用于不同海域的單要素極值分布選型

不同海域?qū)е颅h(huán)境要素的極值成因不同，例如極端潮位，在海岸地區(qū)，主要是由天文潮和風(fēng)暴增水疊加而成的；在河口地區(qū)，除了天文潮和風(fēng)暴潮，還有上游洪水的影響，因此選擇合適的單一要素極值分布，并經(jīng)過長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，是獲得具體工程海洋環(huán)境要素聯(lián)合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的重要前提。

2）海洋環(huán)境要素的非一致性頻率分析

由于氣候變化，海洋環(huán)境要素極值序列不再服從非一致性假設(shè)。在非一致性條件下，不僅單個(gè)環(huán)境要素變量的均值、方差或偏態(tài)系數(shù)會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，不同變量之間的相關(guān)性結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化，呈現(xiàn)非一致性，因此有必要研究不同變量間相關(guān)性結(jié)構(gòu)的變化情況。

3）結(jié)構(gòu)響應(yīng)約束下的最不利設(shè)計(jì)荷載組合

海洋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一般以設(shè)計(jì)重現(xiàn)期作為選擇環(huán)境要素的基本準(zhǔn)則。由于重現(xiàn)期是一個(gè)平均的概念，無法衡量使用期內(nèi)的結(jié)構(gòu)是否安全。因此，將海洋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)作為約束條件，從多種要素的概率空間選擇結(jié)構(gòu)失效的最不利荷載組合，是確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的理想做法。

4）海岸防災(zāi)工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)可靠度模型構(gòu)建

目前海岸工程的可靠度設(shè)計(jì)是基于作用的極限狀態(tài)方程計(jì)算得到的，允許海堤在使用期內(nèi)產(chǎn)生一定限度的位移，確定堤防工程的滑移可靠度。由于防波堤往往由許多同種結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如沉箱、方塊的排列，因此，在單一構(gòu)件可靠度的基礎(chǔ)上，考慮不同的聯(lián)結(jié)形式，計(jì)算其系統(tǒng)可靠度，是準(zhǔn)確評(píng)估工程結(jié)構(gòu)安全的重要手段。

5）與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平相適應(yīng)的海堤防御標(biāo)準(zhǔn)的確定

投資評(píng)價(jià)的風(fēng)險(xiǎn)分析是海堤工程建設(shè)的重要依據(jù)。由于影響因素眾多，隨機(jī)性強(qiáng)，牽扯到自然因素與社會(huì)因素，風(fēng)險(xiǎn)收益更是項(xiàng)目決策應(yīng)該考慮的問題。采用海堤的設(shè)計(jì)使用期為時(shí)間單位，隨機(jī)模擬風(fēng)暴潮的發(fā)生，由風(fēng)暴潮強(qiáng)度與災(zāi)度的關(guān)系隨機(jī)產(chǎn)生災(zāi)害大小，同時(shí)考慮防范風(fēng)暴潮系統(tǒng)，如預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)的投資、管理使用費(fèi)用、維修費(fèi)用等，以項(xiàng)目投資內(nèi)部收益率建立平衡方程，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)收益率的計(jì)算，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行靈敏度分析。