第二章環(huán)境載荷計(jì)算11-28

1、海洋平臺(tái)強(qiáng)度分析第二章第二章 環(huán)境載荷計(jì)算環(huán)境載荷計(jì)算2.1 2.1 平臺(tái)承受的載荷的分類(lèi)平臺(tái)承受的載荷的分類(lèi) 海洋平臺(tái)在建造和使用期間所承受的載荷可分為三類(lèi) 環(huán)境載荷 使用載荷 施工載荷一、環(huán)境載荷一、環(huán)境載荷 指由風(fēng)、波浪、海流、海冰、水溫及氣溫、潮汐、地震等自然環(huán)境引起的載荷，主要有風(fēng)載荷、波浪載荷、流冰載荷、地震載荷等。 這些載荷可根據(jù)平臺(tái)設(shè)計(jì)環(huán)境條件進(jìn)行計(jì)算，在計(jì)算時(shí)通常取設(shè)計(jì)風(fēng)速和設(shè)計(jì)波浪的重現(xiàn)期不小于50年。圖2-1為作用在不同鉆井裝置上的經(jīng)簡(jiǎn)化的環(huán)境載荷示意圖(僅表示了風(fēng)、浪、流三種力)。2.1 2.1 平臺(tái)承受的載荷的分類(lèi)平臺(tái)承受的載荷的分類(lèi)2.1 2.1 平臺(tái)承受的載荷的分

2、類(lèi)平臺(tái)承受的載荷的分類(lèi)二、設(shè)計(jì)載荷二、設(shè)計(jì)載荷 指平臺(tái)在使用期間所受到的除環(huán)境載荷以外的其他載荷，它可分為 固定載荷 活載荷固定載荷固定載荷 是指作用在平臺(tái)上的不變載荷，當(dāng)水位一定時(shí)這些載荷為 一定值。 如平臺(tái)的結(jié)構(gòu)自重，附屬結(jié)構(gòu)重量，固定不變的機(jī)械設(shè)備、管線重量和作用于平臺(tái)水下部分的浮力等。 活載荷活載荷 則指與平臺(tái)使用有關(guān)的載荷，按其時(shí)間變化與作用特點(diǎn)又可 分為可變載荷和動(dòng)力載荷。 可變載荷的數(shù)值或作用位置變化緩慢，可作為靜載荷處理，例如可移動(dòng)的鉆井設(shè)備重量，存放的套管及器材重量，人員及其生活必需品的重量等。 動(dòng)力載荷為對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力作用明顯的載荷，例如各種動(dòng)力機(jī)械和設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)引起的周期性

3、載荷，平臺(tái)鉆井起、下鉆作業(yè)、吊機(jī)起重、船舶?？考爸鄙w機(jī)降落等引起的沖擊載荷。對(duì)于動(dòng)力載荷應(yīng)考慮其動(dòng)力放大作用。2.1 2.1 平臺(tái)承受的載荷的分類(lèi)平臺(tái)承受的載荷的分類(lèi)三、施工載荷三、施工載荷 施工載荷指平臺(tái)在建造以及海上吊運(yùn)、安裝過(guò)程中所承受的載荷，這些載荷會(huì)使一些構(gòu)件產(chǎn)生瞬時(shí)的高應(yīng)力。 因此，盡管這些載荷不是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制載荷，通常也需校核這些載荷對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響。 對(duì)于使用載荷和施工載荷的計(jì)算，有關(guān)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)規(guī)范都有明確的規(guī)定，且各國(guó)規(guī)范的規(guī)定也日趨一致。環(huán)境載荷是平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制載荷，由于受到環(huán)境條件等因素的影響，計(jì)算比較復(fù)雜，下面主要介紹環(huán)境載荷的計(jì)算。2.2 2.2 風(fēng)載荷

4、風(fēng)載荷作用在海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的風(fēng)載荷可根據(jù)下式計(jì)算： F = pA （2-1） （2-1）式中，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，m2 ；F為作用在構(gòu)件上的風(fēng)力，N。 計(jì)算風(fēng)壓p 時(shí)通常是以根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)高度和形狀選定的基本風(fēng)壓值p0為基礎(chǔ)，然后再對(duì)風(fēng)壓沿高度的變化和受風(fēng)構(gòu)件形狀作修正。基本風(fēng)壓值p0可由下式確定： 式中：g為重力加速度，取g = 9.8m/s2; 為空氣重量密度，取=12.01 N/m3；v為設(shè)計(jì)風(fēng)速，m/s。于是上式可寫(xiě)成 p0 = 0.613v2 （2-3）則風(fēng)壓p可以表示為 p =0.613CHCsv2 （2-4）式中：CH為考慮風(fēng)壓

5、沿高度變化的高度系數(shù)；Cs為考慮受風(fēng)構(gòu)件形狀影響 的形狀系數(shù)。2201(/)(22)2pN mg2.2 2.2 風(fēng)載荷風(fēng)載荷 由于風(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。從風(fēng)速的原始記錄資料來(lái)看，風(fēng)速具有很大的脈動(dòng)性，在一天的風(fēng)速記錄中出現(xiàn)的某瞬間的最大風(fēng)速，稱(chēng)為該天的瞬間風(fēng)速瞬間風(fēng)速。如果取出連續(xù)10min的風(fēng)速求其平均值，叫做10min時(shí)距的平均風(fēng)速平均風(fēng)速。 在海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中常用的是兩種設(shè)計(jì)風(fēng)速， 持續(xù)風(fēng)風(fēng)速 陣風(fēng)風(fēng)速持續(xù)風(fēng)風(fēng)速持續(xù)風(fēng)風(fēng)速 一般是幾分鐘（例如1-3min）時(shí)距的平均風(fēng)速； 陣風(fēng)風(fēng)速陣風(fēng)風(fēng)速 是幾秒鐘（例如3s）時(shí)距的平均風(fēng)速。 一般當(dāng)作用在平臺(tái)上的波浪力是最大波

6、浪力，則同時(shí)作用在平臺(tái)上的風(fēng)力按持續(xù)風(fēng)風(fēng)速計(jì)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(shí)，則應(yīng)以陣風(fēng)風(fēng)速計(jì)算。不同時(shí)距的風(fēng)速之間有一定的關(guān)系，時(shí)距短的風(fēng)速比時(shí)距長(zhǎng)的風(fēng)速要大。2.2 2.2 風(fēng)載荷風(fēng)載荷 在缺少現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，也無(wú)鄰近陸、海氣象臺(tái)站的資料時(shí)，可利用表2-1所列的系數(shù)進(jìn)行不同時(shí)距風(fēng)速的轉(zhuǎn)換。此表是以1h平均風(fēng)速為基準(zhǔn)的，應(yīng)用此表時(shí)可用線性插值求得所需要的系數(shù)。各種統(tǒng)計(jì)資料表明，1h平均風(fēng)速的大小對(duì)表中系數(shù)值的影響極小。表2-1 不同時(shí)距平均風(fēng)速與1h平均風(fēng)速的比例系數(shù)時(shí)距1h10min1min15s5s3s系數(shù)值1.001.041.161.261.321.352.2 2.2

7、 風(fēng)載荷風(fēng)載荷基本風(fēng)壓的標(biāo)準(zhǔn)高度為海面上10m，所以設(shè)計(jì)風(fēng)速一般取海面上10m高處的風(fēng)速。其它高度處的風(fēng)速可用下式換算： （2-5）式中：vs為離海面高度為z(m)的風(fēng)速；v10為離海面10m高處的風(fēng)速。因此，式(2-4)中的CH可表示為 （2-6）式中的n值與測(cè)量風(fēng)速的時(shí)距以及離岸的距離有關(guān)，一般在713之間變化。11010nszvv210nHzC2.2 2.2 風(fēng)載荷風(fēng)載荷 美國(guó)API規(guī)范建議，在開(kāi)敞的海域，對(duì)于持續(xù)風(fēng)風(fēng)速n等于8，對(duì)于陣風(fēng)風(fēng)速n等于13。CCS、ABS、LR的移動(dòng)平臺(tái)規(guī)范則取表2-2所列的CH值，其 n值接近于13。表2-2 高度系數(shù)CH海平面以上高度h(m)CH015.

8、315.330.530.546.046.061.061.076.076.091.591.5106.5106.5122.0122.0137.0137.0152.5152.5167.5167.5183.0183.0198.0198.0213.5213.5228.5228.5244.0244.0256.0256以上1.001.101.201.301.371.431.481.521.561.601.631.671.701.721.751.771.791.802.2 2.2 風(fēng)載荷風(fēng)載荷 系數(shù)Cs嚴(yán)格來(lái)說(shuō)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Cs值，如表2-3

9、所示。表2-3 形狀系數(shù)Cs形狀Cs球形圓柱形大的平面板（船體、甲板室、甲板以下的光滑平板）鉆井架甲板以下暴露的梁和桁材孤立結(jié)構(gòu)（起重機(jī)、梁材）0.40.51.01.251.301.502.2 2.2 風(fēng)載荷風(fēng)載荷 在計(jì)算風(fēng)壓p時(shí)，設(shè)計(jì)風(fēng)速一般是選用50年一遇或100年一遇的風(fēng)速。我國(guó)移動(dòng)平臺(tái)規(guī)范規(guī)定，設(shè)計(jì)風(fēng)速在極端風(fēng)暴狀態(tài)時(shí)一般不小于51.5m/s ；在正常作業(yè)時(shí)不小于36m/s；在遮蔽海區(qū)不小于26m/s 。 根據(jù)海上結(jié)構(gòu)物的投資大，使用年限長(zhǎng)的特點(diǎn)，建議采用海上10m高程、30年一遇的10 min平均最大風(fēng)速為正常工作狀態(tài)的設(shè)計(jì)值，和1min平均最大風(fēng)速為極端風(fēng)暴狀態(tài)的設(shè)計(jì)值。求取設(shè)計(jì)風(fēng)

10、速值時(shí)，其資料來(lái)源于船舶極端資料、臺(tái)風(fēng)中心探空儀觀察資料和沿海島嶼臺(tái)站臺(tái)風(fēng)觀察資料。將這些資料進(jìn)行概率分析計(jì)算后得到的設(shè)計(jì)風(fēng)速如圖2-2所示。 為了便于資料統(tǒng)計(jì)和使用，設(shè)計(jì)風(fēng)速值按圖23所示的15個(gè)小海區(qū)來(lái)表示。2.2 2.2 風(fēng)載荷風(fēng)載荷 圖2-3表明，第1海區(qū)為渤海，由于它是半封閉的淺水海域，且面積小，受周?chē)懙刈钃酰曙L(fēng)速較其他海區(qū)小，第2、3、4、5及第6海區(qū)的一部分為黃海，該海域自北向南逐漸開(kāi)闊，加之南部受臺(tái)風(fēng)的影響較北部為甚，故風(fēng)速也是自北向南逐漸增大。第7海區(qū)為東海，它與浩瀚的太平洋為鄰，水域廣闊，直接受太平洋風(fēng)場(chǎng)影響，且臺(tái)風(fēng)活動(dòng)較多，故風(fēng)速較以上諸海區(qū)為大。第8海區(qū)為臺(tái)灣海峽，

11、一則因海峽效應(yīng)，風(fēng)速較大；二則這里是太平洋臺(tái)風(fēng)向偏西北移動(dòng)的必經(jīng)之路，故該海區(qū)的風(fēng)速很大。第9、10、11、12海區(qū)也是太平洋西行臺(tái)風(fēng)影響之地，風(fēng)速亦較大。第13、14、15小海區(qū)不僅受太平洋臺(tái)風(fēng)影響，又是南海臺(tái)風(fēng)的發(fā)源地，故該區(qū)風(fēng)速最大。在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)平臺(tái)的作業(yè)海區(qū)的統(tǒng)計(jì)資料和規(guī)范的有關(guān)規(guī)定正確地選擇設(shè)計(jì)風(fēng)速。2.2 2.2 風(fēng)載荷風(fēng)載荷 在應(yīng)用式(2-1)計(jì)算風(fēng)載荷時(shí)，受風(fēng)投影面積A是按照結(jié)構(gòu)的輪廓投影面積計(jì)算的。遇到桁架結(jié)構(gòu)，可以先計(jì)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(lái)就成為桁架的總風(fēng)載。但這樣計(jì)算相當(dāng)繁瑣，一般可用簡(jiǎn)化計(jì)算，即采用桁架的形狀系數(shù)來(lái)代替單根構(gòu)件的形狀系

12、數(shù)，而受風(fēng)投影面積用桁架迎風(fēng)的前后兩個(gè)輪廓面積的30%，或一個(gè)輪廓面積的60來(lái)計(jì)算。 對(duì)平臺(tái)上的高聳結(jié)構(gòu)，因其剛度較低，自振周期較長(zhǎng)，在不穩(wěn)定的脈動(dòng)風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)物將出現(xiàn)一定的動(dòng)力響應(yīng)，特別是風(fēng)速較大時(shí)，動(dòng)力響應(yīng)更為顯著。故設(shè)計(jì)高聳建筑物時(shí)，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(dòng)風(fēng)速產(chǎn)生的脈動(dòng)風(fēng)壓。在工程設(shè)計(jì)中，常常采用動(dòng)力放大系數(shù)來(lái)對(duì)基本風(fēng)壓進(jìn)行修正。2.2 2.2 風(fēng)載荷風(fēng)載荷 我國(guó)固定平臺(tái)規(guī)范對(duì)平臺(tái)上的高聳結(jié)構(gòu)，當(dāng)其基本自振周期T0.5s時(shí)，作用風(fēng)壓應(yīng)為基本風(fēng)壓p0的倍。見(jiàn)表2-4。表2-4 值對(duì)少數(shù)重要的塔形結(jié)構(gòu)，當(dāng)T=0.25s時(shí)，可取=1.25，當(dāng)0.25sT3.5

13、m）1.5（d2.5m）2.0（d3.5m）1.6（d1.45m）1+C（d1.45m）1+Kl橢圓形（bh）矩形（bh）1bh1bCh1lbKh1bh1142bbhh14lbKh2lg(10 )0.811 ( / )lCdKd l22( / )1 ( / )l bKl b2.3 2.3 波浪載荷波浪載荷表2-7 其他國(guó)家規(guī)范的CD表2-7中：形狀類(lèi)別英國(guó) Lloyd美國(guó) ABS法國(guó) BV挪威 DNV光滑圓形（直徑d）0.50.50.750.7K橢圓形1.0矩形（bh，r圓角）2.04.01.02.02.0KKrKb0.50.1( /5)1.0( /5)1.0( /2)1(8)(2/5)60.

14、5( /5)1.0( /0.1)1(4.3 13 )(0.1/0.25)30.35( /0.25)brll dKdl dh bhKh bbh br brKh bbr b 2.3 2.3 波浪載荷波浪載荷上列式中：h為平行于水流的截面寬度或橢圓截面軸長(zhǎng)；b為垂直于水流的截面寬度或橢圓截面軸長(zhǎng)；l為柱體的長(zhǎng)度（與水流垂直）。h、b、l如圖2-11所示。因?yàn)樗|(zhì)點(diǎn)速度和加速度決定于所選用的波浪理論，所以如果參考的CD與CM資料上注名為適用于某一種波浪理論時(shí)，那么這些系數(shù)只是在應(yīng)用于所選取的波浪理論時(shí)才嚴(yán)格有效。用在別的波浪理論上時(shí)，如果計(jì)算中綜合考慮各種因素，例如在安全因素上作些修正，誤差也不會(huì)很大

15、。2.3 2.3 波浪載荷波浪載荷3.3.海流對(duì)波浪拖曳力的影響海流對(duì)波浪拖曳力的影響 莫里森公式計(jì)算拖曳力時(shí)僅包括波浪水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的效果，并沒(méi)有考慮潮流或海流的影響，但實(shí)際海況有潮流和海流存在，應(yīng)注意海流不僅能引起樁腿周?chē)５椎臎_刷，也能使作用在結(jié)構(gòu)上的波浪力增大，這是因?yàn)楹Ａ髋c波浪水質(zhì)點(diǎn)速度的聯(lián)合作用將使拖曳力大為增加。因此在應(yīng)用莫里森公式計(jì)算波浪力時(shí)，如果在有海流的情況下，公式中的速度U應(yīng)是水質(zhì)點(diǎn)速度UW與海流速度UC的向量和： UUWUC (2-36)在極端情況下穩(wěn)定海流流向與波浪行進(jìn)方向一致時(shí)，處于波峰位置的垂直樁腿所受到的單位長(zhǎng)度的最大拖曳力為21()2DDWCFCUUD2.3

16、2.3 波浪載荷波浪載荷舉例說(shuō)明海流對(duì)拖曳力的影響，在深水中UW可由式(2-14）求得，即取波峰位置平均水位處y=0,kx-t=0，那么若取波高HW=15m，周期T = 8s，海流在平均海面處流速為1. 5m/s，于是計(jì)及海流流速的拖曳力與不計(jì)及海流的拖曳力之比為可以看出，海流將使拖曳力增加57.4%。cos()kyWWHUekxtTWWHUT155.89/8WUm s2222()(5.89 1.5)1.5745.89WCWWUUU2.4 2.4 海（潮）流載荷海（潮）流載荷海洋中的水流一般包括兩個(gè)部分：一是潮流，二是風(fēng)海流。潮流潮流 是由于太陽(yáng)、月球?qū)Φ厍虻囊κ购Ｋ科鸷蠖鸬乃椒较虻?/p>

17、水流運(yùn)動(dòng)。潮流有季節(jié)性的變化，但大致以一定的方向流動(dòng)。潮流方向一般在12h左右反轉(zhuǎn)一歡。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(dòng)、大陸架海水密度差異等等的動(dòng)力作用的影響。它的流向幾乎是不變的，在北半球?yàn)轫槙r(shí)針，在南半球?yàn)槟鏁r(shí)針。 海（潮）流力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用通常在波浪力計(jì)算中是以海流流速與水質(zhì)點(diǎn)速度矢量疊加的形式加以考慮的，這在上一節(jié)里已經(jīng)說(shuō)明過(guò)。另外在系泊系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，海流力還是要計(jì)及的主要的外載荷。 影響海（潮）流力大小的因素主要有：(1)海（潮）流流速及其沿深度方向的分布規(guī)律；(2)海（潮

18、）流流向；(3)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形狀與尺度。 關(guān)于設(shè)計(jì)的海流要素一般要根據(jù)實(shí)測(cè)的統(tǒng)計(jì)資料選取。2.4 2.4 海（潮）流載荷海（潮）流載荷流速沿深度方向的變化可以參考挪威船級(jí)社推薦的公式計(jì)算（見(jiàn)圖2-12）式中：Uc(y)為離海底的高度為y處的海流總速度；Ut0為在靜水面處的潮流流速;Uw0在靜水面處的風(fēng)海流流速；d為水深。1/700( )( )( )( )( )( )( )ctwttwwUyUyUyyUyUdyUyUd2.4 2.4 海（潮）流載荷海（潮）流載荷海（潮）流力的計(jì)算公式為 式中：Uc為流速；A為計(jì)算構(gòu)件在垂直于流向平面上的投影面積；為海水質(zhì)量密度；K為流力系數(shù)，通常取與拖曳力系數(shù)CD

19、同樣的數(shù)值；d為水深；y為離海底的高度。 2(239)2ccFKU A2.5 2.5 冰載荷冰載荷 對(duì)于會(huì)出現(xiàn)冰凍的寒冷海域，冰力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響往往是很?chē)?yán)重的。例如，1962年和1963年在阿拉斯加庫(kù)克灣先后建造的兩座海上鉆井平臺(tái)，由于設(shè)計(jì)強(qiáng)度未考慮冬季冰的作用力，于1964年冬季均被海冰摧毀。又如1962，我國(guó)渤海海域的某鉆井平臺(tái)的斜撐桿全部被冰塊割斷，另一座平臺(tái)則被海冰完全推倒。冰作用在平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的力主要有：（1）巨大冰層包圍結(jié)構(gòu)物，當(dāng)冰層在風(fēng)、流作用下移動(dòng)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的擠壓；（2）冰對(duì)結(jié)構(gòu)物的沖擊；（3）冰層膨脹擠壓結(jié)構(gòu)物時(shí)所產(chǎn)生的膨脹力；（4）當(dāng)冰層與結(jié)構(gòu)物凍結(jié)在一起，冰層因受風(fēng)，流影響而移

20、動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的 拖曳力，冰層因水位下降時(shí)而產(chǎn)生的向下的附加重力，冰層因水位上 升時(shí)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 2.5 冰載荷冰載荷 由于冰載荷的影響因素較多，在工程中常采用極限冰壓力作為計(jì)算的冰載荷，即認(rèn)為大面積冰層擠壓結(jié)構(gòu)物時(shí)，最大冰壓力發(fā)生在冰被擠碎的時(shí)刻。冰壓力一般與冰的極限受壓強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)物迎冰面的寬度和厚度、冰層厚度、冰行進(jìn)結(jié)構(gòu)物時(shí)的速度及冰溫等因素有關(guān)。 在風(fēng)和流作用下，大面積冰層擠壓垂直樁柱所產(chǎn)生的冰載荷可按下式計(jì)算： P=mK1K2Rcbh （2-40）式中各符號(hào)的意義如下：（1）m為樁柱的形狀系效，可按表2-8選取。表2-8 樁柱形狀系數(shù)m（2）K1為局部擠壓系數(shù)， Q壓為大面積冰層的局部擠壓強(qiáng)度；RC為冰塊試樣的極限抗壓強(qiáng)度。K1的值一般在2.03.0之間。我國(guó)固定平臺(tái)規(guī)范建議K1的值取2.5，RC值對(duì)渤海及黃海北部沿海