第9章 海洋工程結(jié)構(gòu)

1、土木工程概論土木工程概論第9章海洋工程結(jié)構(gòu)本章內(nèi)容本章內(nèi)容9.1 9.1 海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9.2 9.2 海洋結(jié)構(gòu)實(shí)例海洋結(jié)構(gòu)實(shí)例9.3 9.3 海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)分析9.4 9.4 環(huán)境荷載環(huán)境荷載海洋工程結(jié)構(gòu)海洋工程結(jié)構(gòu)海洋工程結(jié)構(gòu)海洋工程結(jié)構(gòu) 當(dāng)今世界面臨著人口、資源和環(huán)境三大問題。隨著世界人口的增長(zhǎng)和陸地資源因加速開采而日漸枯竭，海洋資源的開發(fā)、海洋環(huán)境的保護(hù)與利用已成為世界各國(guó)普遍關(guān)注的問題。 海洋工程是一個(gè)相對(duì)較新的工程領(lǐng)域，能適應(yīng)非常惡劣海上環(huán)境的近海工程結(jié)構(gòu)物，如海洋平臺(tái)，以滿足人類不斷勘察與開發(fā)新的食物資源、能源和礦物資源的需要。 海洋工程結(jié)構(gòu)海洋工

2、程結(jié)構(gòu) 海洋平臺(tái)是在海洋上進(jìn)行作業(yè)的場(chǎng)所。海洋石油鉆探與生產(chǎn)所需的平臺(tái)，主要分鉆井平臺(tái)和生產(chǎn)平臺(tái)兩大類。在鉆井平臺(tái)上設(shè)鉆井設(shè)備，在生產(chǎn)平臺(tái)上設(shè)采油設(shè)備。平臺(tái)與海底有立管相通。平臺(tái)是進(jìn)行海上鉆井與采油作業(yè)的一種海洋工程結(jié)構(gòu)。海洋平臺(tái)一般都高出海面，能夠避免波浪的沖擊。型式有三邊形、四邊形或多邊形。上下兩層甲板或單層甲板面供安裝、儲(chǔ)存鉆井或采油設(shè)備用9.1 9.1 海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 海洋工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是一個(gè)很復(fù)雜的過程，要考慮不同的地質(zhì)條件，海洋工程結(jié)構(gòu)往往建造在一個(gè)地方，安裝在另一海域。 9.1 海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要步驟結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要步驟（1）確定設(shè)計(jì)要求（2）評(píng)估環(huán)境

3、和外力條件（3）提出初步設(shè)計(jì)方案和主要安裝方法（4）評(píng)估工程經(jīng)濟(jì)，建造及施工安裝關(guān)鍵技術(shù)，基礎(chǔ)條 件等，并確定最后設(shè)計(jì)方案。（5）結(jié)構(gòu)及構(gòu)件詳細(xì)設(shè)計(jì)以承受工作荷載和環(huán)境荷載（6）最后，評(píng)估設(shè)計(jì)，以確?？梢猿惺芄ぷ骱奢d和環(huán)境荷載 9.2 9.2 海洋結(jié)構(gòu)實(shí)例海洋結(jié)構(gòu)實(shí)例9.2.1 導(dǎo)管架式平臺(tái) 導(dǎo)管架型平臺(tái)在軟土地基上應(yīng)用較多的一種樁基平臺(tái)。 導(dǎo)管架型平臺(tái)是先在陸上用鋼管焊成一個(gè)錐臺(tái)型空間框架，然后駁運(yùn)或者浮運(yùn)至海上現(xiàn)場(chǎng)，就位后將鋼樁從導(dǎo)管內(nèi)打入海底，再在頂部安裝甲板而成。 這種施工方式，使工作量減少。平臺(tái)設(shè)于導(dǎo)管架的頂部，高于作業(yè)區(qū)的波高，具體高度須視當(dāng)?shù)氐暮r而定，一般大約高出4-5m，這樣

4、可避免波浪的沖擊。樁基式平臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)剛性大，適用于各種土質(zhì)，是目前最主要的固定式平臺(tái)。但其尺度、重量隨水深增加而急驟增加，所以在深水中的經(jīng)濟(jì)性較差。9.2.1 9.2.1 導(dǎo)管架式平臺(tái)導(dǎo)管架式平臺(tái)9.2.1 9.2.1 導(dǎo)管架式平臺(tái)導(dǎo)管架式平臺(tái)9.2.2 9.2.2 重力式平臺(tái)重力式平臺(tái)9.2.2 9.2.2 重力式平臺(tái)重力式平臺(tái) 重力式平臺(tái)是與樁基平臺(tái)不同的另一種型式的平臺(tái)。它不需要用插入海底的樁去承擔(dān)垂直荷載和水平荷載，完全依靠本身的質(zhì)量直接穩(wěn)定在海底。根據(jù)建造材料的不同，又分為混凝土重力式平臺(tái)和鋼重力式平臺(tái)兩大類。 第一步：在干塢內(nèi)建造底座的下半部分，第一步：在干塢內(nèi)建造底座的下半部分

5、，如圖（如圖（a）第二步：在干塢內(nèi)建造至預(yù)定高度后，注第二步：在干塢內(nèi)建造至預(yù)定高度后，注入海水和海平面一致如圖（入海水和海平面一致如圖（b）第三步：把底座拖至岸邊比較深的、隱蔽第三步：把底座拖至岸邊比較深的、隱蔽較好的施工水域，在海面上錨泊，采較好的施工水域，在海面上錨泊，采用滑動(dòng)施工法建造底座上部，如圖（用滑動(dòng)施工法建造底座上部，如圖（c）第四步：用滑動(dòng)施工法繼續(xù)澆注立柱，如第四步：用滑動(dòng)施工法繼續(xù)澆注立柱，如圖（圖（d）第五步：用拖輪把結(jié)構(gòu)物拖至深水海域，第五步：用拖輪把結(jié)構(gòu)物拖至深水海域，以便安裝甲板，見圖（以便安裝甲板，見圖（e）。）。 第六步：向底座注入壓載水，使結(jié)構(gòu)物下第六步：向

6、底座注入壓載水，使結(jié)構(gòu)物下沉到海水沒至立柱上部左右，再安裝沉到海水沒至立柱上部左右，再安裝甲板，見圖（甲板，見圖（f）。）。 第七步：在甲板上安裝各種模塊，見圖第七步：在甲板上安裝各種模塊，見圖（g）第八步：排出壓載水，使結(jié)構(gòu)物上浮，用第八步：排出壓載水，使結(jié)構(gòu)物上浮，用拖輪拖至預(yù)定地點(diǎn)，見圖（拖輪拖至預(yù)定地點(diǎn)，見圖（h）第九步：平臺(tái)位置確定后，注入壓載水，第九步：平臺(tái)位置確定后，注入壓載水，邊下沉邊調(diào)節(jié)，使之準(zhǔn)確安裝在海底，邊下沉邊調(diào)節(jié)，使之準(zhǔn)確安裝在海底，見圖（見圖（m）9.2.2 9.2.2 重力式平臺(tái)重力式平臺(tái)混凝土平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)混凝土平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) a.節(jié)省鋼材。節(jié)省鋼材。 b

7、.經(jīng)濟(jì)效果好。經(jīng)濟(jì)效果好。 c.海上現(xiàn)場(chǎng)安裝的工作量小。海上現(xiàn)場(chǎng)安裝的工作量小。 d.海上安裝工藝比鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單些。不需要在海底打樁。海上安裝工藝比鋼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單些。不需要在海底打樁。 e.甲板負(fù)荷大，在立柱中鉆井安全可靠。甲板負(fù)荷大，在立柱中鉆井安全可靠。 f.防海水腐蝕、防火、防爆性能都好。防海水腐蝕、防火、防爆性能都好。 g.維修工作量小，費(fèi)用低，使用壽命長(zhǎng)。維修工作量小，費(fèi)用低，使用壽命長(zhǎng)。 h.從理論上講，可重復(fù)利用。從理論上講，可重復(fù)利用。 9.2.2 9.2.2 重力式平臺(tái)重力式平臺(tái)缺點(diǎn)缺點(diǎn) a.對(duì)地基的要求高?；A(chǔ)設(shè)計(jì)的好壞，常成為重力式平對(duì)地基的要求高?；A(chǔ)設(shè)計(jì)的好壞，常成為重力式

8、平臺(tái)成敗的關(guān)鍵。臺(tái)成敗的關(guān)鍵。 b.結(jié)構(gòu)分析比較復(fù)雜。結(jié)構(gòu)分析比較復(fù)雜。 c.制造工藝復(fù)雜。制造工藝復(fù)雜。 d.岸邊需有較深的、隱蔽條件較好的施工場(chǎng)地和水域。岸邊需有較深的、隱蔽條件較好的施工場(chǎng)地和水域。 e.拖航時(shí)阻力大。拖航時(shí)阻力大。 f.冰區(qū)工作性能差。冰區(qū)工作性能差。g.重復(fù)利用的難度較大。重復(fù)利用的難度較大。9.2.3 9.2.3 深水海洋平臺(tái)深水海洋平臺(tái)牽索塔式平臺(tái)牽索塔式平臺(tái) 牽索塔式平臺(tái)是一瘦長(zhǎng)的桁架結(jié)構(gòu)，其下端依靠重力基座坐落于海底或是依靠支柱加以支撐，其上端支承作業(yè)甲板。桁架的四周用鋼索、重塊、錨鏈和錨所組成的錨泊系統(tǒng)加以牽緊，使它能保持直立狀態(tài)。由于這種平臺(tái)是由錨泊系統(tǒng)牽

9、緊的，它在小風(fēng)浪時(shí)僅發(fā)生微幅擺動(dòng)；風(fēng)浪大時(shí)，由于桁架結(jié)構(gòu)擺動(dòng)幅度大，會(huì)把重塊拉得離開海底，從而要吸收掉風(fēng)浪的一部分能量，因此平臺(tái)仍可維持在許可范圍內(nèi)擺動(dòng)。這種平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，構(gòu)件尺寸小，故所受到的風(fēng)、浪、流的作用力也小。這種平臺(tái)能適用于300600m水深的海域。但若水深超過600米，則由于要提高桁架的抗彎能力，建造時(shí)所耗用的材料會(huì)大大增加，經(jīng)濟(jì)上不一定合算。9.2.3 9.2.3 深水海洋平臺(tái)深水海洋平臺(tái)牽索塔平臺(tái)9.2.3 9.2.3 深水海洋平臺(tái)深水海洋平臺(tái)張力腿平臺(tái)張力腿平臺(tái)(簡(jiǎn)稱TLP) 適用于較深水域(3001500m)、且可采油氣儲(chǔ)量較大的油田。TLP 一般由上部模塊(Topside

10、)、甲板、船體(下沉箱)、張力鋼索及錨系、底基等幾部分組成。其船體(下沉箱)可以是三、四或多組沉箱,下設(shè)36組或多組張力鋼索,垂直與海底錨定。9.2.3 9.2.3 深水海洋平臺(tái)深水海洋平臺(tái) 平臺(tái)及其下部沉箱受海水浮力,使張力鋼索始終處于張緊狀態(tài),故在鉆井或采油作業(yè)時(shí),TLP幾乎沒有升沉運(yùn)動(dòng)和平移運(yùn)動(dòng)。張力腿式平臺(tái)的重力小于浮力，所相差的力量可依靠錨索向下的拉力來補(bǔ)償，而且此拉力應(yīng)大于由波浪產(chǎn)生的力，使錨索上經(jīng)常有向下的拉力，起著繃緊平臺(tái)的作用。9.2.4 9.2.4 移動(dòng)式鉆井平臺(tái)移動(dòng)式鉆井平臺(tái) 自升式移動(dòng)平臺(tái)：自升式移動(dòng)平臺(tái)： 由平臺(tái)、樁腿和升降機(jī)構(gòu)組成，平臺(tái)能沿樁腿升降，故稱自升式，一般

11、無自航能力。樁腿周圍裝升降系統(tǒng),主要有液壓或電動(dòng)齒輪齒條式,工作時(shí)樁腿下放插入海底，平臺(tái)被抬起到離開海面的安全工作高度，并對(duì)樁腿進(jìn)行預(yù)壓，以保證平臺(tái)遇到風(fēng)暴時(shí)樁腿不致下陷。完井后平臺(tái)降到海面，拔出樁腿并全部提起，整個(gè)平臺(tái)浮于海面，由拖輪拖到新的井位。9.2.4 9.2.4 移動(dòng)式鉆井平臺(tái)移動(dòng)式鉆井平臺(tái)自升式鉆井平臺(tái)9.2.4 9.2.4 移動(dòng)式鉆井平臺(tái)移動(dòng)式鉆井平臺(tái)坐底式鉆井平臺(tái)坐底式鉆井平臺(tái) 又稱沉浮式或沉底式鉆井平臺(tái)，由上體、立柱和下體組成，上體為鉆井平臺(tái)或稱為平臺(tái)本體，下體為提供浮力的沉墊，在上體和下體之間由若干立柱相連接。在下體中注入壓載水后使之下沉坐于海底，上體的平臺(tái)則露出水面一定高

12、度，鉆井平臺(tái)處于工作狀態(tài)；排水后，使鉆井平臺(tái)上浮可進(jìn)行拖航和移位。坐底式鉆井平臺(tái)多用于水淺、浪小、海底較平坦的海區(qū)。9.2.4 9.2.4 移動(dòng)式鉆井平臺(tái)移動(dòng)式鉆井平臺(tái)坐底式鉆井平臺(tái)9.2.4 9.2.4 移動(dòng)式鉆井平臺(tái)移動(dòng)式鉆井平臺(tái)半潛式鉆井平臺(tái)半潛式鉆井平臺(tái) 上部為工作甲板，下部為兩個(gè)下船體，用支撐立柱連接。既可以作為坐底式平臺(tái)使用，也可以在深水作為浮動(dòng)式平臺(tái)使用，新發(fā)展的動(dòng)力定位技術(shù)用于半潛式平臺(tái)后，工作水深可達(dá)9001200米 。 主要優(yōu)點(diǎn)是能在水深變化很大的范圍內(nèi)作業(yè)。9.2.4 9.2.4 移動(dòng)式鉆井平臺(tái)移動(dòng)式鉆井平臺(tái)半潛式平臺(tái)9.2.4 9.2.4 移動(dòng)式鉆井平臺(tái)移動(dòng)式鉆井平臺(tái)鉆

13、井船鉆井船用來在水上鉆井并移位的船。鉆井時(shí)漂浮水上，適于深水作業(yè)。多將井架設(shè)在船的中央，以減小船體搖蕩對(duì)鉆井工作的影響。多具自航能力，無自航能力的又稱“鉆井駁”。9.2.4 9.2.4 移動(dòng)式鉆井平臺(tái)移動(dòng)式鉆井平臺(tái)鉆井船9.3 9.3 環(huán)境荷載環(huán)境荷載 通常在設(shè)計(jì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)之前，首先要確定平臺(tái)在各個(gè)階段所承受的各種荷載。這些荷載包括：風(fēng)、波浪力、海流、冰荷載、地震作用等。9.3.1 9.3.1 風(fēng)速風(fēng)速 在海洋工程中常以50年一遇的年最大風(fēng)速或100年一遇的年最大風(fēng)速作為設(shè)計(jì)風(fēng)速。9.3.2 9.3.2 風(fēng)荷載風(fēng)荷載 作用在海洋結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載是結(jié)構(gòu)各構(gòu)件所受風(fēng)力的總和。式中： -空氣的密度； -結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積； -風(fēng)速； -風(fēng)行系數(shù)；221cAvFAvc9.3.3 9.3.3 海洋波浪海洋波浪 海浪是靜水面受到外力作用后，水質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置作往復(fù)運(yùn)動(dòng)并向一定方向傳播的自然現(xiàn)象。引起海浪的外力有風(fēng)、地震、重力等。而由風(fēng)引起的浪，在海浪研究中占主要地位，也是結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)的主要控制荷載。9.3.4 9.3.4 浮力浮力 沉浸在水中的潛體受到的浮力是靜水壓力差引起的。其靜水壓力可表示為：式中 -海水的重度； -水深； -從海底算起的垂直距離。 )(yhPhy9.3.5 9.3.5 冰荷載冰荷載 冰壓力主要存在于風(fēng)和潮流的作用下，大面積冰層移動(dòng)產(chǎn)生擠壓力，以及流冰期間，冰塊對(duì)結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生