海洋平臺的環(huán)境載荷課件

第二章海洋平臺的環(huán)境載荷

第二章海洋平臺的環(huán)境載荷2.1海洋平臺的載荷分類載荷的分類方法有多種:分成環(huán)境載荷和工作載荷；分成靜載荷和動載荷；分成確定性載荷和隨機性載荷；分成設(shè)計載荷、校核載荷和特殊載荷等等2.1海洋平臺的載荷分類載荷的分類方法有多種:活動平臺規(guī)范中常用載荷分類方法使用期間建造期間：｛平臺載荷｛環(huán)境載荷使用載荷施工載荷活動平臺規(guī)范中常用載荷分類方法使用期間建造期間：｛平臺載荷｛環(huán)境載荷

出于直接的自然環(huán)境作用而發(fā)生的載荷有：風(fēng)載荷、波浪載荷、海流載荷、地震載荷、冰載荷、溫度變化引起的載荷等。由間接的自然環(huán)境作用而發(fā)生的載荷，如系泊力，它是對于環(huán)境載荷的反作用力；慣性力，它是由于平臺在漂浮狀態(tài)時在風(fēng)、浪等外力作用下平臺運動產(chǎn)生的力。定義：由于直接的和間接的自然環(huán)境作用發(fā)生的、作用在結(jié)構(gòu)物上的載荷。環(huán)境載荷定義：由于直接的和間接的自然環(huán)境作用發(fā)生的、作用在圖2.1作用在鉆井裝置上的環(huán)境力圖2.1作用在鉆井裝置上的環(huán)境力波浪載荷波浪載荷使用載荷固定載荷：大小、位置和方向不隨時間改變，如平臺結(jié)構(gòu)自重、永久固定設(shè)備、平臺水下的浮力活載荷：與平臺使用有關(guān)的載荷。分為可變載荷和動力載荷?？勺冚d荷：隨時間緩慢改變大小或位置的載荷，如活動井架，人員等重量動力載荷：隨時間很快改變其大小、方向或位置的載荷，使結(jié)構(gòu)很快發(fā)生重大的動力影響。如鉆機工作時的動載荷，吊機起重、船舶停靠、直升機起落等引起的沖擊載荷。動力載荷需考慮動力放大作用。定義：平臺使用期間受到的除環(huán)境載荷以外的其他載荷，分為：固定載荷和活載荷。使用載荷固定載荷：大小、位置和方向不隨時間改變，如平臺結(jié)構(gòu)自施工載荷這些載荷會使一些構(gòu)件產(chǎn)生瞬時的高應(yīng)力它不是結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制載荷，但需要校核這些載荷對平臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響定義：平臺在建造以及海上吊裝、安裝過程中所承受的載荷。施工載荷這些載荷會使一些構(gòu)件產(chǎn)生瞬時的高應(yīng)力定義：平臺在建造對于使用載荷和施工載荷，各國的平臺結(jié)構(gòu)規(guī)范都會有明確規(guī)定，且各國規(guī)定日趨一致環(huán)境載荷是平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制載荷，而且受到環(huán)境條件等因素的影響，計算復(fù)雜【CCS】如可能，設(shè)計環(huán)境條件應(yīng)根據(jù)可靠及足夠的實測資料由統(tǒng)計分析確定，自存工況設(shè)計環(huán)境條件的重現(xiàn)期建議不小于50年。對于使用載荷和施工載荷，各國的平臺結(jié)構(gòu)規(guī)范都會有明確規(guī)定，且2.2風(fēng)載荷P為受風(fēng)構(gòu)件表面上的風(fēng)壓,N/m2,A為構(gòu)件垂直于風(fēng)向的輪廓投影面積

計算風(fēng)壓P時，以根據(jù)一定的標準高度和形狀選定的基本風(fēng)壓值P0為基礎(chǔ)，然后再對風(fēng)壓沿高度的變化和受風(fēng)構(gòu)件形狀作修正N/m3

，空氣密度為考慮風(fēng)壓沿高度變化的高度系數(shù);為考慮受風(fēng)構(gòu)件形狀影響的形狀系數(shù)風(fēng)壓與風(fēng)速的平方成正比，故風(fēng)速的取值顯得特別重要!2.2風(fēng)載荷P為受風(fēng)構(gòu)件表面上的風(fēng)壓,N/m2,A為構(gòu)件海洋平臺設(shè)計中常用的是兩種設(shè)計風(fēng)速，即持續(xù)風(fēng)風(fēng)速和陣風(fēng)風(fēng)速持續(xù)風(fēng)風(fēng)速一般是幾分鐘(例如1～3min)時距的平均風(fēng)速，而陣風(fēng)風(fēng)速是幾秒鐘(例如3s)時距的平均風(fēng)速當作用在平臺上的波浪力是最大波浪力，則同時作用在平臺上的風(fēng)力按持續(xù)風(fēng)風(fēng)速計算如果僅僅陣風(fēng)的作用比持續(xù)風(fēng)加波浪的作用更為不利時，則應(yīng)以陣風(fēng)風(fēng)速計算海洋平臺設(shè)計中常用的是兩種設(shè)計風(fēng)速，即持續(xù)風(fēng)風(fēng)速和陣風(fēng)風(fēng)速不同時距的風(fēng)速之間有一定的關(guān)系，時距短的風(fēng)速比時距長的風(fēng)速要大不同時距平均風(fēng)速與1h平均風(fēng)速的比例系數(shù)時距1h10min1min15s5s3s系數(shù)值1.001.041.261.261.321.35不同時距的風(fēng)速之間有一定的關(guān)系，時距短的風(fēng)速比時距長的風(fēng)速要基本風(fēng)壓的標準高度為海面上10m，所以設(shè)計風(fēng)速一般取海面上10m高處的風(fēng)速n值與測量風(fēng)速的時距以及離岸的距離有關(guān)，一般在7～13之間變化美國API規(guī)范建議，在開敞的海域，對于持續(xù)風(fēng)風(fēng)速n等于8，對于陣風(fēng)風(fēng)速n等于13基本風(fēng)壓的標準高度為海面上10m，所以設(shè)計風(fēng)速一般取海面上1海洋平臺的環(huán)境載荷課件嚴格說來是構(gòu)件形狀、構(gòu)件表面粗糙度及雷諾數(shù)的函數(shù)

為便于工程應(yīng)用，一般都根據(jù)構(gòu)件的形狀定出

CCS規(guī)范嚴格說來是構(gòu)件形狀、構(gòu)件表面粗糙度及雷諾數(shù)的函數(shù)為便于工程計算風(fēng)壓時，設(shè)計風(fēng)速一般是選用50年一遇或100年一遇的風(fēng)速我國移動平臺規(guī)范規(guī)定，設(shè)計風(fēng)速在極端風(fēng)暴狀態(tài)時一般不小于51.5m/s(100kn)；在正常作業(yè)時不小于36m/s(70kn)；在遮蔽海區(qū)不小于26m/s(50kn)

各海區(qū)設(shè)計風(fēng)速建議值（m/s）計算風(fēng)壓時，設(shè)計風(fēng)速一般是選用50年一遇或100年一遇的風(fēng)速受風(fēng)投影面積A的計算受風(fēng)投影面積A的計算按照結(jié)構(gòu)的輪廓投影面積計算桁架結(jié)構(gòu)，可以先計算作用在組成桁架的各構(gòu)件上的風(fēng)載，再將它們疊加起來就成為桁架的總風(fēng)載簡化計算，采用桁架的形狀系數(shù)來代替單根構(gòu)件的形狀系數(shù)，受風(fēng)投影面積用桁架迎風(fēng)的前后兩個輪廓面積的30％，或一個輪廓面積的60％來計算受風(fēng)投影面積A的計算受風(fēng)投影面積A的計算CCS規(guī)定計算風(fēng)力時，推薦下列作法：（1）當平臺有立柱時，應(yīng)計入全部立柱的投影面積，不考慮遮蔽效應(yīng)。（2）對于因傾斜產(chǎn)生的受風(fēng)面積，如甲板下表面和甲板下構(gòu)件等，應(yīng)采用合適的形狀系數(shù)計入受風(fēng)面積中。（3）對于密集的甲板室，可用整體投影面積來代替計算每個面積，此時形狀系數(shù)可取為1.1.（4）對于孤立的建筑物、結(jié)構(gòu)型材和起重機等，應(yīng)選用合適的形狀系數(shù)，分別進行計算。（5）通常用作井架、吊桿和某些類型桅桿的開式桁架結(jié)構(gòu)的受風(fēng)面積，可近似的取每側(cè)滿實投影面積的30%，或取雙面桁架單側(cè)滿實投影面積的60%，并選用合適的形狀系數(shù)。CCS規(guī)定計算風(fēng)力時，推薦下列作法：基本風(fēng)壓的修正對平臺上的高聳結(jié)構(gòu)，因其剛度較低，自振周期較長，在不穩(wěn)定的脈動風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)物將出現(xiàn)一定的動力響應(yīng)，特別是風(fēng)速較大時，動力響應(yīng)更為顯著所以設(shè)計高聳建筑物時，除了要考慮因平均風(fēng)速產(chǎn)生的穩(wěn)定風(fēng)壓外、還必須考慮因脈動風(fēng)速產(chǎn)生的脈動風(fēng)壓。在工程設(shè)計中，常常采用動力放大系數(shù)來對基本風(fēng)壓進行修正?；撅L(fēng)壓的修正對平臺上的高聳結(jié)構(gòu)，因其剛度較低，自振周期較長我國固定平臺規(guī)范規(guī)定，對平臺上的高聳結(jié)構(gòu)，當其基本自震周期T＞0.5s時，作用風(fēng)壓應(yīng)為基本風(fēng)壓值的倍，我國固定平臺規(guī)范規(guī)定，對平臺上的高聳結(jié)構(gòu)，當其基本自震周期T思考題1、目前世界上用的最多的海洋平臺是哪三類？2、海洋平臺作業(yè)的特點，平臺事故發(fā)生的直接原因是什么？3、海洋平臺的結(jié)構(gòu)破壞形式是什么？4、海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般步驟是什么？5、海洋平臺結(jié)構(gòu)與強度的分析方法是哪兩種？各自的優(yōu)缺點是什么？6、活動平臺規(guī)范中常用的載荷分類方法是什么？7、風(fēng)載荷的計算方法是什么（只需寫出基本思路，提示：P與P0的關(guān)系）？思考題1、目前世界上用的最多的海洋平臺是哪三類？知識點回顧目前世界上使用最多的是自升式平臺、半潛式平臺和鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺。知識點回顧目前世界上使用最多的是自升式平臺、半潛式平臺和鋼質(zhì)

一、自升式平臺(JACK-UPPlatform)

組成：由平臺主體、樁腿和升降機構(gòu)三大部分組成。

一、自升式平臺(JACK-UPPlatform)

組成：二、半潛式平臺

（Semi-submersiblePlatform）

半潛式平臺主要結(jié)構(gòu)由三大部分組成：即平臺主體、浮箱(或下浮體)、立柱和撐桿。二、半潛式平臺

（Semi-submersiblePla三、導(dǎo)管架平臺（Jacket-upPlatform

）組成:上部結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管架和樁。三、導(dǎo)管架平臺（Jacket-upPlatform）組海洋平臺作業(yè)的特點：海洋平臺在十分惡劣的海洋環(huán)境中作業(yè)，所受的外載荷復(fù)雜平臺外載荷及結(jié)構(gòu)強度難以精確確定作業(yè)狀態(tài)的多樣性（多工況），對平臺設(shè)計和使用還缺乏經(jīng)驗平臺事故發(fā)生的直接原因往往是由于：(1)結(jié)構(gòu)強度儲備不足(2)浮力儲備和穩(wěn)性不足(3)操作不當海洋平臺作業(yè)的特點：平臺事故發(fā)生的直接原因往往是由于：海洋平臺的安全性一般是通過保證外載荷效應(yīng)(如結(jié)構(gòu)應(yīng)力)小于相應(yīng)的結(jié)構(gòu)承載能力(如危險應(yīng)力)的某個百分數(shù)的方法來達到，也就是在結(jié)構(gòu)強度上保留一定的安全儲備。海洋平臺的結(jié)構(gòu)破壞模式有四種：

(1)屈服失效

(2)屈曲失效

(3)疲勞失效

(4)脆性破壞失效海洋平臺的安全性和失效海洋平臺的安全性一般是通過保證外載荷效應(yīng)(如結(jié)構(gòu)應(yīng)力)小于相平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般步驟1.選擇平臺的結(jié)構(gòu)型式

2.確定平臺主尺度，具體進行總體布置

3.移動式平臺進行運動性能和穩(wěn)性的分析

4.外載荷計算，進行結(jié)構(gòu)安全性校核

5.強力構(gòu)件尺寸初步確定，構(gòu)件材料的選取

6.結(jié)構(gòu)的總體強度分析

7.對結(jié)構(gòu)重量進行校核

8.局部節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計

平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般步驟1.選擇平臺的結(jié)構(gòu)型式

2.確定平海洋平臺結(jié)構(gòu)的強度分析方法

兩種：

(1)設(shè)計波法，又稱確定性方法；

(2)設(shè)計譜法，又稱隨機性方法。

海洋平臺結(jié)構(gòu)的強度分析方法

兩種：

(1)設(shè)計波法，又稱確定設(shè)計譜法優(yōu)點

能較好地描述平臺在不規(guī)則波中的響應(yīng)特性，被逐步推廣缺點

波浪力及錨泊力的非線性問題很難直接考慮，比前一種方法復(fù)雜，計算工作量也大得多。

設(shè)計波法優(yōu)點計算簡單可以采用高階波理論能計入海流的影響波浪力的非線性成分較易處理缺點

沒有反映平臺在實際海面上受到的載荷的隨機特性設(shè)計譜法設(shè)計波法活動平臺規(guī)范中常用載荷分類方法使用期間建造期間：｛平臺載荷｛環(huán)境載荷使用載荷施工載荷活動平臺規(guī)范中常用載荷分類方法使用期間建造期間：｛平臺載荷｛風(fēng)載荷P為受風(fēng)構(gòu)件表面上的風(fēng)壓,N/m2,A為構(gòu)件垂直于風(fēng)向的輪廓投影面積

計算風(fēng)壓P時，以根據(jù)一定的標準高度和形狀選定的基本風(fēng)壓值P0為基礎(chǔ)，然后再對風(fēng)壓沿高度的變化和受風(fēng)構(gòu)件形狀作修正N/m3

，空氣密度為考慮風(fēng)壓沿高度變化的高度系數(shù);為考慮受風(fēng)構(gòu)件形狀影響的形狀系數(shù)風(fēng)壓與風(fēng)速的平方成正比，故風(fēng)速的取值顯得特別重要!風(fēng)載荷P為受風(fēng)構(gòu)件表面上的風(fēng)壓,N/m2,A為構(gòu)件垂直于風(fēng)2.3波浪載荷（設(shè)計波法與設(shè)計譜法）一、波浪理論的選擇1.幾種重要的波浪理論2.各種波浪理論的適用范圍3.選擇波浪理論的主要依據(jù)2.3波浪載荷（設(shè)計波法與設(shè)計譜法）一、波浪理論的選擇1.1.幾種重要的波浪理論

(1)艾里（Airy）波：深水和淺水中的微幅波，線性理論（波峰波谷形狀對稱）

(2)斯托克斯（Stokes）高階波：深水中的有限幅波，非線性理論（波谷形狀較平坦）

(3)橢圓余弦波：淺水中的有限幅波，非線性理論

(4)孤立波：極淺水中的有限幅波，非線性理論1.幾種重要的波浪理論

(1)艾里（Airy）波：深水波面波長速度勢（1）艾里波理論波面（1）艾里波理論根據(jù)速度勢可求得波浪水質(zhì)點的速度和加速度根據(jù)速度勢可求得波浪水質(zhì)點的速度和加速度海洋平臺的環(huán)境載荷課件（2）司托克斯五階波理論

波面波長速度勢5階（2）司托克斯五階波理論波面5階（3）橢圓余弦波理論（3）橢圓余弦波理論海洋平臺的環(huán)境載荷課件模數(shù)k的值在0與1之間變化。當k=0時，橢圓余弦波轉(zhuǎn)化為正弦波（艾里波）當k=1時，橢圓余弦波變?yōu)椴ㄩL無限大，孤峰凸起于水面以上，即為孤立波孤立波是橢圓余弦波的一種特殊情況實際計算中，k值接近1，收斂較快模數(shù)k的值在0與1之間變化。（4）孤立波理論波面波速（4）孤立波理論波面海洋平臺的環(huán)境載荷課件

2.各種波浪理論的適用范圍2.各種波浪理論的適用范圍各種波浪理論的比較就波峰處的水平加速度和垂直加速度而言，孤立波理論的結(jié)果一般偏大，只有在極淺水域(d/T2＜0.007，其中d為水深，T為波浪周期)時才與橢圓余弦波相接近艾里波理論的結(jié)果一般偏小，只有在深水區(qū)(d/T2＞1)時才與司托克斯五階波的結(jié)果相接近橢圓余弦波與司托克斯五階波的比較一般是橢圓余弦波的結(jié)果大些，僅當d/T2=0.08～0.1時，兩者才比較接近。各種波浪理論的比較就波峰處的水平加速度和垂直加速度而言，孤立3.選擇波浪理論的主要依據(jù)

——平臺的工作水深對于海洋平臺的波浪力計算，從工程實用角度出發(fā):d/T2=0.08～0.1作為分界線大于此值：選用司托克斯五階波小于此值：選用橢圓余弦波艾里波理論由于其簡單，使用簡便，有良好的適應(yīng)性(適用于各種水深，其線性性質(zhì)可用于研究繞射問題和各種譜分析)艾里波理論雖適合于微幅波情況，但在實際應(yīng)用中并不受此限制，波高甚大時用此種理論進行工程計算也能有較好的效果，在作初步的估算時，可選用艾里波理論3.選擇波浪理論的主要依據(jù)二、波浪載荷計算概述波浪誘導(dǎo)載荷的成分：

拖曳力—物體造成水流擾動，粘性效應(yīng)

慣性力—入射波壓力(F-K力)；流體附加質(zhì)量力

繞射力—考慮物體時，波浪繞射引起的三種力對具體結(jié)構(gòu)并非同等重要，主要取決：1結(jié)構(gòu)的型式、尺度2選取的波浪工況大尺度結(jié)構(gòu)，慣性力和繞射力！小尺度結(jié)構(gòu)，拖曳力和慣性力！二、波浪載荷計算概述波浪誘導(dǎo)載荷的成分：大尺度結(jié)構(gòu)，慣性力海洋結(jié)構(gòu)物按尺度的劃分：小尺度構(gòu)件：D/L0.2的情況(D為構(gòu)件的直徑，L為波長)大尺度構(gòu)件：D/L>0.2的情況(D為構(gòu)件的直徑，L為波長)小尺度構(gòu)件—以拖曳力和慣性力為主，莫里森公式大尺度構(gòu)件─以繞射力和慣性力為主，勢流理論海洋平臺強度分析中，除鋼筋混凝土重力式平臺等大尺度物體外，平臺構(gòu)件基本上是按小尺度結(jié)構(gòu)來考慮的海洋結(jié)構(gòu)物按尺度的劃分：三、應(yīng)用莫里森公式計算小尺度構(gòu)件的載荷

1.莫里森（Morison）公式2.無因次的拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)三、應(yīng)用莫里森公式計算小尺度構(gòu)件的載荷1.莫里森（Mori1.莫里森（Morison）公式

計算垂直構(gòu)件軸線方向的單位長度波浪力

(1)原始形式：固定垂直立柱的單位長度波浪力

(2)一般形式：計及結(jié)構(gòu)運動（剛體運動和彈性變形）的任意方向構(gòu)件的單位長度波浪力（拖曳力＋慣性力）（拖曳力＋F-K力＋附加質(zhì)量力）1.莫里森（Morison）公式(2)一般形式：計及結(jié)適用小尺度構(gòu)件受波浪載荷(拖曳力與慣性力)適用小尺度構(gòu)件受波浪載荷(拖曳力與慣性力)波浪水質(zhì)點的速度和加速度選定適當?shù)牟ɡ死碚撚嬎憧紤]波浪的入射角，或平臺的傾斜構(gòu)件，坐標系轉(zhuǎn)換三個坐標系：波浪坐標系，結(jié)構(gòu)總坐標系，構(gòu)件坐標系(1)根據(jù)波浪的方向角，將相對于波浪坐標系的水質(zhì)點速度轉(zhuǎn)換為相對于結(jié)構(gòu)總坐標系的速度。(2)將結(jié)構(gòu)總坐標系的水質(zhì)點速度轉(zhuǎn)換為相對于構(gòu)件坐標系的速度。波浪水質(zhì)點的速度和加速度三個坐標系：波浪坐標系，結(jié)構(gòu)總坐標系

2.無因次的拖曳力系數(shù)CD和慣性力系數(shù)CM

（1）拖曳力系數(shù)CD取決于：物體截面形狀、表面粗糙度、雷諾數(shù)等，通常依賴試驗測定

（2）慣性力系數(shù)CM=1+Cm：一般可按勢流理論計算或試驗確定

海洋平臺的環(huán)境載荷課件波浪載荷的慣性力包括兩部分，傅汝德—克雷洛夫力和附加質(zhì)量力慣性力系數(shù)：CM=1+Cm,一般光滑桿件的附加質(zhì)量由勢流理論根據(jù)其截面形狀和運動方向確定波浪載荷的慣性力包括兩部分，傅汝德—克雷洛夫力和附加質(zhì)量力海洋平臺的環(huán)境載荷課件四、應(yīng)用勢流理論計算大尺度構(gòu)件的載荷1.繞射問題

總速度勢繞射速度勢滿足

總速度勢

脈動壓力力和力矩四、應(yīng)用勢流理論計算大尺度構(gòu)件的載荷1.繞射問題2.計算方法

(1)理論方法

(2)半理論半經(jīng)驗方法——F-K法

波浪力

｛解析法：僅適合于圓柱體數(shù)值方法（三維分布源法）：適合于一般形狀的大型物體2.計算方法｛解析法：僅適合于圓柱體海洋平臺的環(huán)境載荷課件海洋中的水流一般包括兩個部分：一是潮流，二是風(fēng)海流。潮流是由于太陽、月球?qū)Φ厍虻囊κ购Ｋ科鸷蠖鸬乃椒较虻乃鬟\動。潮流有季節(jié)性的變化，但大致以一定的方向流動。潮流方向一般在12h左右反轉(zhuǎn)一次。一般海洋中的潮流流速是比較小的，但在海峽和水道內(nèi)產(chǎn)生的潮流流速比較大些。風(fēng)海流是由于貿(mào)易風(fēng)形成的大氣環(huán)流吹成的水流，它還受到由于地球的轉(zhuǎn)動、大陸架海水密度差異等等的動力作用的影響。它的流向幾乎是不變的，在北半球為順時針，在南半球為逆時針。2.4海流（潮）載荷

海洋中的水流一般包括兩個部分：一是潮流，二是風(fēng)海流。2.4海(潮)流力對結(jié)構(gòu)的作用是以海流流速與水質(zhì)點速度矢量疊加的形式加以考慮浪、流聯(lián)合作用：在莫里森公式中取海（潮）流力單獨作用計算公式為2.4海流（潮）載荷

海(潮)流力對結(jié)構(gòu)的作用是以海流流速與水質(zhì)點速度矢量疊加的形影響海(潮)流力大小的因素主要有：海(潮)流流速及其沿深度方向的分布規(guī)律海(潮)流流向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形狀與尺度海流速沿深度的變化，參考DNV公式影響海(潮)流力大小的因素主要有：2.5冰載荷

對于會出現(xiàn)冰凍的寒冷海域，冰力對結(jié)構(gòu)的影響往往是很嚴重的冰作用在平臺結(jié)構(gòu)上的力主要有；(1)巨大冰層包圍結(jié)構(gòu)物，冰層移動時對結(jié)構(gòu)的擠壓；(2)流冰對結(jié)構(gòu)物的沖擊；(3)冰層膨脹擠壓結(jié)構(gòu)物時所產(chǎn)生的膨脹力；(4)當冰層與結(jié)構(gòu)物凍結(jié)在一起，冰層移動時所產(chǎn)生的拖曳力，冰層因水位下降時而產(chǎn)生的向下的附加重力，冰層因水位上升時而產(chǎn)生的向上的附加浮力；(5)海冰與結(jié)構(gòu)物之間的摩擦力；2.5冰載荷對于會出現(xiàn)冰凍的寒冷海域，冰力對結(jié)構(gòu)的影響往在工程中采用極限冰壓力作為計算的冰載荷冰壓力一般與冰的極限受壓強度、結(jié)構(gòu)物迎冰面的寬度和厚度、冰層厚度、冰行結(jié)構(gòu)物時的速度及冰溫等因素有關(guān)冰原對垂直樁柱的最大擠壓力P的計算有效接觸面積mK2bh

冰所能承受的單位面積最大擠壓力K1RC在工程中采用極限冰壓力作為計算的冰載荷m為樁柱的形狀系數(shù)，可按表選取K1為局部擠壓系數(shù)K2為樁柱與冰層的接觸系數(shù)b為樁柱寬度（或直徑）h為冰層計算厚度，按實測資料確定遼東灣h＝1m渤海灣h＝0.8m

萊州灣h＝0.7m黃海北部沿海h＝0.8mm為樁柱的形狀系數(shù)，可按表選取在水面變化范圍內(nèi)，采用帶有傾斜面的樁柱可以減弱冰壓力的作用當冰壓至斜面時，作用在斜面上的冰壓力可以分解為垂直于斜面的法向力和沿斜面的斜向分力，斜向分力使冰塊沿斜面上升，法向力中分解出的垂直力使冰層產(chǎn)生彎曲或剪切力，使冰層破壞，分解出的水平力則明顯地比直壁圓柱的擠壓力小得多在水面變化范圍內(nèi)，采用帶有傾斜面的樁柱可以減弱冰壓力的作用第二章海洋平臺的環(huán)境載荷

第二章海洋平臺的環(huán)境載荷2.1海洋平臺的載荷分類載荷的分類方法有多種:分成環(huán)境載荷和工作載荷；分成靜載荷和動載荷；分成確定性載荷和隨機性載荷；分成設(shè)計載荷、校核載荷和特殊載荷等等2.1海洋平臺的載荷分類載荷的分類方法有多種:活動平臺規(guī)范中常用載荷分類方法使用期間建造期間：｛平臺載荷｛環(huán)境載荷使用載荷施工載荷活動平臺規(guī)范中常用載荷分類方法使用期間建造期間：｛平臺載荷｛環(huán)境載荷

出于直接的自然環(huán)境作用而發(fā)生的載荷有：風(fēng)載荷、波浪載荷、海流載荷、地震載荷、冰載荷、溫度變化引起的載荷等。由間接的自然環(huán)境作用而發(fā)生的載荷，如系泊力，它是對于環(huán)境載荷的反作用力；慣性力，它是由于平臺在漂浮狀態(tài)時在風(fēng)、浪等外力作用下平臺運動產(chǎn)生的力。定義：由于直接的和間接的自然環(huán)境作用發(fā)生的、作用在結(jié)構(gòu)物上的載荷。環(huán)境載荷定義：由于直接的和間接的自然環(huán)境作用發(fā)生的、作用在圖2.1作用在鉆井裝置上的環(huán)境力圖2.1作用在鉆井裝置上的環(huán)境力波浪載荷波浪載荷使用載荷固定載荷：大小、位置和方向不隨時間改變，如平臺結(jié)構(gòu)自重、永久固定設(shè)備、平臺水下的浮力活載荷：與平臺使用有關(guān)的載荷。分為可變載荷和動力載荷。可變載荷：隨時間緩慢改變大小或位置的載荷，如活動井架，人員等重量動力載荷：隨時間很快改變其大小、方向或位置的載荷，使結(jié)構(gòu)很快發(fā)生重大的動力影響。如鉆機工作時的動載荷，吊機起重、船舶?？?、直升機起落等引起的沖擊載荷。動力載荷需考慮動力放大作用。定義：平臺使用期間受到的除環(huán)境載荷以外的其他載荷，分為：固定載荷和活載荷。使用載荷固定載荷：大小、位置和方向不隨時間改變，如平臺結(jié)構(gòu)自施工載荷這些載荷會使一些構(gòu)件產(chǎn)生瞬時的高應(yīng)力它不是結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制載荷，但需要校核這些載荷對平臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響定義：平臺在建造以及海上吊裝、安裝過程中所承受的載荷。施工載荷這些載荷會使一些構(gòu)件產(chǎn)生瞬時的高應(yīng)力定義：平臺在建造對于使用載荷和施工載荷，各國的平臺結(jié)構(gòu)規(guī)范都會有明確規(guī)定，且各國規(guī)定日趨一致環(huán)境載荷是平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制載荷，而且受到環(huán)境條件等因素的影響，計算復(fù)雜【CCS】如可能，設(shè)計環(huán)境條件應(yīng)根據(jù)可靠及足夠的實測資料由統(tǒng)計分析確定，自存工況設(shè)計環(huán)境條件的重現(xiàn)期建議不小于50年。對于使用載荷和施工載荷，各國的平臺結(jié)構(gòu)規(guī)范都會有明確規(guī)定，且2.2風(fēng)載荷P為受風(fēng)構(gòu)件表面上的風(fēng)壓,N/m2,A為構(gòu)件垂直于風(fēng)向的輪廓投影面積

計算風(fēng)壓P時，以根據(jù)一定的標準高度和形狀選定的基本風(fēng)壓值P0為基礎(chǔ)，然后再對風(fēng)壓沿高度的變化和受風(fēng)構(gòu)件形狀作修正N/m3

，空氣密度為考慮風(fēng)壓沿高度變化的高度系數(shù);為考慮受風(fēng)構(gòu)件形狀影響的形狀系數(shù)風(fēng)壓與風(fēng)速的平方成正比，故風(fēng)速的取值顯得特別重要!2.2風(fēng)載荷P為受風(fēng)構(gòu)件表面上的風(fēng)壓,N/m2,A為構(gòu)件海洋平臺設(shè)計中常用的是兩種設(shè)計風(fēng)速，即持續(xù)風(fēng)風(fēng)速和陣風(fēng)風(fēng)速持續(xù)風(fēng)風(fēng)速一般是幾分鐘(例如1～3min)時距的平均風(fēng)速，而陣風(fēng)風(fēng)速是幾秒鐘(例如3s)時距的平均風(fēng)速當作用在平臺上的波浪力是最大波浪力，則同時作用在平臺上的風(fēng)力按持續(xù)風(fēng)風(fēng)速計算如果僅僅陣風(fēng)的作用比持續(xù)風(fēng)加波浪的作用更為不利時，則應(yīng)以陣風(fēng)風(fēng)速計算海洋平臺設(shè)計中常用的是兩種設(shè)計風(fēng)速，即持續(xù)風(fēng)風(fēng)速和陣風(fēng)風(fēng)速不同時距的風(fēng)速之間有一定的關(guān)系，時距短的風(fēng)速比時距長的風(fēng)速要大不同時距平均風(fēng)速與1h平均風(fēng)速的比例系數(shù)時距1h10min1min15s5s3s系數(shù)值1.001.041.261.261.321.35不同時距的風(fēng)速之間有一定的關(guān)系，時距短的風(fēng)速比時距長的風(fēng)速要基本風(fēng)壓的標準高度為海面上10m，所以設(shè)計風(fēng)速一般取海面上10m高處的風(fēng)速n值與測量風(fēng)速的時距以及離岸的距離有關(guān)，一般在7～13之間變化美國API規(guī)范建議，在開敞的海域，對于持續(xù)風(fēng)風(fēng)速n等于8，對于陣風(fēng)風(fēng)速n等于13基本風(fēng)壓的標準高度為海面上10m，所以設(shè)計風(fēng)速一般取海面上1海洋平臺的環(huán)境載荷課件嚴格說來是構(gòu)件形狀、構(gòu)件表面粗糙度及雷諾數(shù)的函數(shù)

為便于工程應(yīng)用，一般都根據(jù)構(gòu)件的形狀定出

CCS規(guī)范嚴格說來是構(gòu)件形狀、構(gòu)件表面粗糙度及雷諾數(shù)的函數(shù)為便于工程計算風(fēng)壓時，設(shè)計風(fēng)速一般是選用50年一遇或100年一遇的風(fēng)速我國移動平臺規(guī)范規(guī)定，設(shè)計風(fēng)速在極端風(fēng)暴狀態(tài)時一般不小于51.5m/s(100kn)；在正常作業(yè)時不小于36m/s(70kn)；在遮蔽海區(qū)不小于26m/s(50kn)

各海區(qū)設(shè)計風(fēng)速建議值（m/s）計算風(fēng)壓時，設(shè)計風(fēng)速一般是選用50年一遇或100年一遇的風(fēng)速受風(fēng)投影面積A的計算受風(fēng)投影面積A的計算按照結(jié)構(gòu)的輪廓投影面積計算桁架結(jié)構(gòu)，可以先計算作用在組成桁架的各構(gòu)件上的風(fēng)載，再將它們疊加起來就成為桁架的總風(fēng)載簡化計算，采用桁架的形狀系數(shù)來代替單根構(gòu)件的形狀系數(shù)，受風(fēng)投影面積用桁架迎風(fēng)的前后兩個輪廓面積的30％，或一個輪廓面積的60％來計算受風(fēng)投影面積A的計算受風(fēng)投影面積A的計算CCS規(guī)定計算風(fēng)力時，推薦下列作法：（1）當平臺有立柱時，應(yīng)計入全部立柱的投影面積，不考慮遮蔽效應(yīng)。（2）對于因傾斜產(chǎn)生的受風(fēng)面積，如甲板下表面和甲板下構(gòu)件等，應(yīng)采用合適的形狀系數(shù)計入受風(fēng)面積中。（3）對于密集的甲板室，可用整體投影面積來代替計算每個面積，此時形狀系數(shù)可取為1.1.（4）對于孤立的建筑物、結(jié)構(gòu)型材和起重機等，應(yīng)選用合適的形狀系數(shù)，分別進行計算。（5）通常用作井架、吊桿和某些類型桅桿的開式桁架結(jié)構(gòu)的受風(fēng)面積，可近似的取每側(cè)滿實投影面積的30%，或取雙面桁架單側(cè)滿實投影面積的60%，并選用合適的形狀系數(shù)。CCS規(guī)定計算風(fēng)力時，推薦下列作法：基本風(fēng)壓的修正對平臺上的高聳結(jié)構(gòu)，因其剛度較低，自振周期較長，在不穩(wěn)定的脈動風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)物將出現(xiàn)一定的動力響應(yīng)，特別是風(fēng)速較大時，動力響應(yīng)更為顯著所以設(shè)計高聳建筑物時，除了要考慮因平均風(fēng)速產(chǎn)生的穩(wěn)定風(fēng)壓外、還必須考慮因脈動風(fēng)速產(chǎn)生的脈動風(fēng)壓。在工程設(shè)計中，常常采用動力放大系數(shù)來對基本風(fēng)壓進行修正?；撅L(fēng)壓的修正對平臺上的高聳結(jié)構(gòu)，因其剛度較低，自振周期較長我國固定平臺規(guī)范規(guī)定，對平臺上的高聳結(jié)構(gòu)，當其基本自震周期T＞0.5s時，作用風(fēng)壓應(yīng)為基本風(fēng)壓值的倍，我國固定平臺規(guī)范規(guī)定，對平臺上的高聳結(jié)構(gòu)，當其基本自震周期T思考題1、目前世界上用的最多的海洋平臺是哪三類？2、海洋平臺作業(yè)的特點，平臺事故發(fā)生的直接原因是什么？3、海洋平臺的結(jié)構(gòu)破壞形式是什么？4、海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般步驟是什么？5、海洋平臺結(jié)構(gòu)與強度的分析方法是哪兩種？各自的優(yōu)缺點是什么？6、活動平臺規(guī)范中常用的載荷分類方法是什么？7、風(fēng)載荷的計算方法是什么（只需寫出基本思路，提示：P與P0的關(guān)系）？思考題1、目前世界上用的最多的海洋平臺是哪三類？知識點回顧目前世界上使用最多的是自升式平臺、半潛式平臺和鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺。知識點回顧目前世界上使用最多的是自升式平臺、半潛式平臺和鋼質(zhì)

一、自升式平臺(JACK-UPPlatform)

組成：由平臺主體、樁腿和升降機構(gòu)三大部分組成。

一、自升式平臺(JACK-UPPlatform)

組成：二、半潛式平臺

（Semi-submersiblePlatform）

半潛式平臺主要結(jié)構(gòu)由三大部分組成：即平臺主體、浮箱(或下浮體)、立柱和撐桿。二、半潛式平臺

（Semi-submersiblePla三、導(dǎo)管架平臺（Jacket-upPlatform

）組成:上部結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管架和樁。三、導(dǎo)管架平臺（Jacket-upPlatform）組海洋平臺作業(yè)的特點：海洋平臺在十分惡劣的海洋環(huán)境中作業(yè)，所受的外載荷復(fù)雜平臺外載荷及結(jié)構(gòu)強度難以精確確定作業(yè)狀態(tài)的多樣性（多工況），對平臺設(shè)計和使用還缺乏經(jīng)驗平臺事故發(fā)生的直接原因往往是由于：(1)結(jié)構(gòu)強度儲備不足(2)浮力儲備和穩(wěn)性不足(3)操作不當海洋平臺作業(yè)的特點：平臺事故發(fā)生的直接原因往往是由于：海洋平臺的安全性一般是通過保證外載荷效應(yīng)(如結(jié)構(gòu)應(yīng)力)小于相應(yīng)的結(jié)構(gòu)承載能力(如危險應(yīng)力)的某個百分數(shù)的方法來達到，也就是在結(jié)構(gòu)強度上保留一定的安全儲備。海洋平臺的結(jié)構(gòu)破壞模式有四種：

(1)屈服失效

(2)屈曲失效

(3)疲勞失效

(4)脆性破壞失效海洋平臺的安全性和失效海洋平臺的安全性一般是通過保證外載荷效應(yīng)(如結(jié)構(gòu)應(yīng)力)小于相平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般步驟1.選擇平臺的結(jié)構(gòu)型式

2.確定平臺主尺度，具體進行總體布置

3.移動式平臺進行運動性能和穩(wěn)性的分析

4.外載荷計算，進行結(jié)構(gòu)安全性校核

5.強力構(gòu)件尺寸初步確定，構(gòu)件材料的選取

6.結(jié)構(gòu)的總體強度分析

7.對結(jié)構(gòu)重量進行校核

8.局部節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計

平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般步驟1.選擇平臺的結(jié)構(gòu)型式

2.確定平海洋平臺結(jié)構(gòu)的強度分析方法

兩種：

(1)設(shè)計波法，又稱確定性方法；

(2)設(shè)計譜法，又稱隨機性方法。

海洋平臺結(jié)構(gòu)的強度分析方法

兩種：

(1)設(shè)計波法，又稱確定設(shè)計譜法優(yōu)點

能較好地描述平臺在不規(guī)則波中的響應(yīng)特性，被逐步推廣缺點

波浪力及錨泊力的非線性問題很難直接考慮，比前一種方法復(fù)雜，計算工作量也大得多。

設(shè)計波法優(yōu)點計算簡單可以采用高階波理論能計入海流的影響波浪力的非線性成分較易處理缺點

沒有反映平臺在實際海面上受到的載荷的隨機特性設(shè)計譜法設(shè)計波法活動平臺規(guī)范中常用載荷分類方法使用期間建造期間：｛平臺載荷｛環(huán)境載荷使用載荷施工載荷活動平臺規(guī)范中常用載荷分類方法使用期間建造期間：｛平臺載荷｛風(fēng)載荷P為受風(fēng)構(gòu)件表面上的風(fēng)壓,N/m2,A為構(gòu)件垂直于風(fēng)向的輪廓投影面積

計算風(fēng)壓P時，以根據(jù)一定的標準高度和形狀選定的基本風(fēng)壓值P0為基礎(chǔ)，然后再對風(fēng)壓沿高度的變化和受風(fēng)構(gòu)件形狀作修正N/m3

，空氣密度為考慮風(fēng)壓沿高度變化的高度系數(shù);為考慮受風(fēng)構(gòu)件形狀影響的形狀系數(shù)風(fēng)壓與風(fēng)速的平方成正比，故風(fēng)速的取值顯得特別重要!風(fēng)載荷P為受風(fēng)構(gòu)件表面上的風(fēng)壓,N/m2,A為構(gòu)件垂直于風(fēng)2.3波浪載荷（設(shè)計波法與設(shè)計譜法）一、波浪理論的選擇1.幾種重要的波浪理論2.各種波浪理論的適用范圍3.選擇波浪理論的主要依據(jù)2.3波浪載荷（設(shè)計波法與設(shè)計譜法）一、波浪理論的選擇1.1.幾種重要的波浪理論

(1)艾里（Airy）波：深水和淺水中的微幅波，線性理論（波峰波谷形狀對稱）

(2)斯托克斯（Stokes）高階波：深水中的有限幅波，非線性理論（波谷形狀較平坦）

(3)橢圓余弦波：淺水中的有限幅波，非線性理論

(4)孤立波：極淺水中的有限幅波，非線性理論1.幾種重要的波浪理論

(1)艾里（Airy）波：深水波面波長速度勢（1）艾里波理論波面（1）艾里波理論根據(jù)速度勢可求得波浪水質(zhì)點的速度和加速度根據(jù)速度勢可求得波浪水質(zhì)點的速度和加速度海洋平臺的環(huán)境載荷課件（2）司托克斯五階波理論

波面波長速度勢5階（2）司托克斯五階波理論波面5階（3）橢圓余弦波理論（3）橢圓余弦波理論海洋平臺的環(huán)境載荷課件模數(shù)k的值在0與1之間變化。當k=0時，橢圓余弦波轉(zhuǎn)化為正弦波（艾里波）當k=1時，橢圓余弦波變?yōu)椴ㄩL無限大，孤峰凸起于水面以上，即為孤立波孤立波是橢圓余弦波的一種特殊情況實際計算中，k值接近1，收斂較快模數(shù)k的值在0與1之間變化。（4）孤立波理論波面波速（4）孤立波理論波面海洋平臺的環(huán)境載荷課件

2.各種波浪理論的適用范圍2.各種波浪理論的適用范圍各種波浪理論的比較就波峰處的水平加速度和垂直加速度而言，孤立波理論的結(jié)果一般偏大，只有在極淺水域(d/T2＜0.007，其中d為水深，T為波浪周期)時才與橢圓余弦波相接近艾里波理論的結(jié)果一般偏小，只有在深水區(qū)(d/T2＞1)時才與司托克斯五階波的結(jié)果相接近橢圓余弦波與司托克斯五階波的比較一般是橢圓余弦波的結(jié)果大些，僅當d/T2=0.08～0.1時，兩者才比較接近。各種波浪理論的比較就波峰處的水平加速度和垂直加速度而言，孤立3.選擇波浪理論的主要依據(jù)

——平臺的工作水深對于海洋平臺的波浪力計算，從工程實用角度出發(fā):d/T2=0.08～0.1作為分界線大于此值：選用司托克斯五階波小于此值：選用橢圓余弦波艾里波理論由于其簡單，使用簡便，有良好的適應(yīng)性(適用于各種水深，其線性性質(zhì)可用于研究繞射問題和各種譜分析)艾里波理論雖適合于微幅波情況，但在實際應(yīng)用中并不受此限制，波高甚大時用此種理論進行工程計算也能有較好的效果，在作初步的估算時，可選用艾里波理論3.選擇波浪理論的主要依據(jù)二、波浪載荷計算概述波浪誘導(dǎo)載荷的成分：

拖曳力—物體造成水流擾動，粘性效應(yīng)

慣性力—入射波壓力(F-K力)；流體附加質(zhì)量力

繞射力—考慮物體時，波浪繞射引起的三種力對具體結(jié)構(gòu)并非同等重要，主要取決：1結(jié)構(gòu)的型式、尺度2選取的波浪工況大尺度結(jié)構(gòu)，慣性力和繞射力！小尺度結(jié)構(gòu)，拖曳力和慣性力！二、波浪載荷計算概述波浪誘導(dǎo)載荷的成分：大尺度結(jié)構(gòu)，慣性力海洋結(jié)構(gòu)物按尺度的劃分：小尺度構(gòu)件：D/L0.2的情況(D為構(gòu)件的直徑，L為波長)大尺度構(gòu)件：D/L>0.2的情況(D為構(gòu)件的直徑，L為波長)小尺度構(gòu)件—以拖曳力和慣性力為主，莫里森公式大尺度構(gòu)件─以繞射力和慣性力為主，勢流理論海洋平臺強度分析中，除鋼筋混凝土重力式平臺等大尺度物體外，平臺構(gòu)件基本上是按小尺度結(jié)構(gòu)來考慮的海洋結(jié)構(gòu)物按尺度的劃分：三、應(yīng)用莫里森公式計算小尺度構(gòu)件的載荷

1.莫里森（Morison）公式2.無因次的拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)三、應(yīng)用莫里森公式計算小尺度構(gòu)件的載荷1.莫里森（Mori1.莫里森（Morison）公式

計算垂直構(gòu)件軸線方向的單位長度波浪力

(1)原始形式：固定垂直立柱的單位長度波浪力

(2)一般形式：計及結(jié)構(gòu)運動（剛體運動和彈性變形）的任意方向構(gòu)件的單位長度波浪力（拖曳力＋慣性力）（拖曳力＋F-K力＋附加質(zhì)量力）1.莫里森（Morison）公式(2)一般形式：計及結(jié)適用小尺度構(gòu)件受波浪載荷(拖曳力與慣性力)適用小尺度構(gòu)件受波浪載荷(拖曳力與慣性力)波浪水質(zhì)點的速度和加速度選定適當?shù)牟ɡ死碚撚嬎憧紤]波浪的入射角，或平臺的傾斜構(gòu)件，坐標系轉(zhuǎn)換三個坐標系：波浪坐標系，結(jié)構(gòu)總坐標系，構(gòu)件坐標系(1)根據(jù)波浪的方向角，將相對于波浪坐標系的水質(zhì)點速度轉(zhuǎn)換為相對于結(jié)構(gòu)總坐標系的速度。(2)將結(jié)構(gòu)總坐標系的水質(zhì)點速度轉(zhuǎn)換為相對于構(gòu)件坐標系的速度。波浪水質(zhì)點的速度和加速度三個坐標系：波浪坐標系，結(jié)構(gòu)總坐標系

2.無因次的拖曳力系數(shù)CD和慣性力系數(shù)CM

（1）拖曳力系數(shù)CD取決于：物體截面形狀、表面粗糙度、雷諾數(shù)等，通常依賴試驗測定

（2）慣性力系數(shù)CM=1+Cm：一般可按