第二章環(huán)境載荷計算11-28

1、海洋平臺強度分析第二章第二章 環(huán)境載荷計算環(huán)境載荷計算2.1 2.1 平臺承受的載荷的分類平臺承受的載荷的分類 海洋平臺在建造和使用期間所承受的載荷可分為三類 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、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)平臺設計環(huán)境條件進行計算，在計算時通常取設計風速和設計波浪的重現(xiàn)期不小于50年。圖2-1為作用在不同鉆井裝置上的經簡化的環(huán)境載荷示意圖(僅表示了風、浪、流三種力)。2.1 2.1 平臺承受的載荷的分類平臺承受的載荷的分類2.1 2.1 平臺承受的載荷的分

2、類平臺承受的載荷的分類二、設計載荷二、設計載荷 指平臺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 是指作用在平臺上的不變載荷，當水位一定時這些載荷為 一定值。 如平臺的結構自重，附屬結構重量，固定不變的機械設備、管線重量和作用于平臺水下部分的浮力等。 活載荷活載荷 則指與平臺使用有關的載荷，按其時間變化與作用特點又可 分為可變載荷和動力載荷。 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，例如可移動的鉆井設備重量，存放的套管及器材重量，人員及其生活必需品的重量等。 動力載荷為對平臺結構動力作用明顯的載荷，例如各種動力機械和設備運轉時引起的周期性

3、載荷，平臺鉆井起、下鉆作業(yè)、吊機起重、船舶停靠及直升飛機降落等引起的沖擊載荷。對于動力載荷應考慮其動力放大作用。2.1 2.1 平臺承受的載荷的分類平臺承受的載荷的分類三、施工載荷三、施工載荷 施工載荷指平臺在建造以及海上吊運、安裝過程中所承受的載荷，這些載荷會使一些構件產生瞬時的高應力。 因此，盡管這些載荷不是結構設計的控制載荷，通常也需校核這些載荷對平臺結構所產生的影響。 對于使用載荷和施工載荷的計算，有關的平臺結構規(guī)范都有明確的規(guī)定，且各國規(guī)范的規(guī)定也日趨一致。環(huán)境載荷是平臺結構設計的控制載荷，由于受到環(huán)境條件等因素的影響，計算比較復雜，下面主要介紹環(huán)境載荷的計算。2.2 2.2 風載荷

4、風載荷作用在海洋平臺結構上的風載荷可根據(jù)下式計算： F = pA （2-1） （2-1）式中，p 為受風構件表面上的風壓，N/m2；A為構件垂直于風向的輪廓投影面積，m2 ；F為作用在構件上的風力，N。 計算風壓p 時通常是以根據(jù)一定的標準高度和形狀選定的基本風壓值p0為基礎，然后再對風壓沿高度的變化和受風構件形狀作修正?；撅L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為設計風速，m/s。于是上式可寫成 p0 = 0.613v2 （2-3）則風壓p可以表示為 p =0.613CHCsv2 （2-4）式中：CH為考慮風壓

5、沿高度變化的高度系數(shù)；Cs為考慮受風構件形狀影響 的形狀系數(shù)。2201(/)(22)2pN mg2.2 2.2 風載荷風載荷 由于風壓與風速的平方成正比，故風速的取值顯得特別重要。從風速的原始記錄資料來看，風速具有很大的脈動性，在一天的風速記錄中出現(xiàn)的某瞬間的最大風速，稱為該天的瞬間風速瞬間風速。如果取出連續(xù)10min的風速求其平均值，叫做10min時距的平均風速平均風速。 在海洋平臺設計中常用的是兩種設計風速， 持續(xù)風風速 陣風風速持續(xù)風風速持續(xù)風風速 一般是幾分鐘（例如1-3min）時距的平均風速； 陣風風速陣風風速 是幾秒鐘（例如3s）時距的平均風速。 一般當作用在平臺上的波浪力是最大波

6、浪力，則同時作用在平臺上的風力按持續(xù)風風速計算，如果僅僅陣風的作用比持續(xù)風加波浪的作用更為不利時，則應以陣風風速計算。不同時距的風速之間有一定的關系，時距短的風速比時距長的風速要大。2.2 2.2 風載荷風載荷 在缺少現(xiàn)場實測資料，也無鄰近陸、海氣象臺站的資料時，可利用表2-1所列的系數(shù)進行不同時距風速的轉換。此表是以1h平均風速為基準的，應用此表時可用線性插值求得所需要的系數(shù)。各種統(tǒng)計資料表明，1h平均風速的大小對表中系數(shù)值的影響極小。表2-1 不同時距平均風速與1h平均風速的比例系數(shù)時距1h10min1min15s5s3s系數(shù)值1.001.041.161.261.321.352.2 2.2

7、 風載荷風載荷基本風壓的標準高度為海面上10m，所以設計風速一般取海面上10m高處的風速。其它高度處的風速可用下式換算： （2-5）式中：vs為離海面高度為z(m)的風速；v10為離海面10m高處的風速。因此，式(2-4)中的CH可表示為 （2-6）式中的n值與測量風速的時距以及離岸的距離有關，一般在713之間變化。11010nszvv210nHzC2.2 2.2 風載荷風載荷 美國API規(guī)范建議，在開敞的海域，對于持續(xù)風風速n等于8，對于陣風風速n等于13。CCS、ABS、LR的移動平臺規(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 風載荷風載荷 系數(shù)Cs嚴格來說是構件形狀、構件表面粗糙度及雷諾數(shù)的函數(shù)，為便于工程應用，一般都根據(jù)構件的形狀定出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構（起重機、梁材）0.40.51.01.251.301.502.2 2.2 風載荷風載荷 在計算風壓p時，設計風速一般是選用50年一遇或100年一遇的風速。我國移動平臺規(guī)范規(guī)定，設計風速在極端風暴狀態(tài)時一般不小于51.5m/s ；在正常作業(yè)時不小于36m/s；在遮蔽海區(qū)不小于26m/s 。 根據(jù)海上結構物的投資大，使用年限長的特點，建議采用海上10m高程、30年一遇的10 min平均最大風速為正常工作狀態(tài)的設計值，和1min平均最大風速為極端風暴狀態(tài)的設計值。求取設計風

10、速值時，其資料來源于船舶極端資料、臺風中心探空儀觀察資料和沿海島嶼臺站臺風觀察資料。將這些資料進行概率分析計算后得到的設計風速如圖2-2所示。 為了便于資料統(tǒng)計和使用，設計風速值按圖23所示的15個小海區(qū)來表示。2.2 2.2 風載荷風載荷 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，受周圍陸地阻擋，故風速較其他海區(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闊，加之南部受臺風的影響較北部為甚，故風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，直接受太平洋風場影響，且臺風活動較多，故風速較以上諸海區(qū)為大。第8海區(qū)為臺灣海峽，

11、一則因海峽效應，風速較大；二則這里是太平洋臺風向偏西北移動的必經之路，故該海區(qū)的風速很大。第9、10、11、12海區(qū)也是太平洋西行臺風影響之地，風速亦較大。第13、14、15小海區(qū)不僅受太平洋臺風影響，又是南海臺風的發(fā)源地，故該區(qū)風速最大。在實際設計時，應根據(jù)平臺的作業(yè)海區(qū)的統(tǒng)計資料和規(guī)范的有關規(guī)定正確地選擇設計風速。2.2 2.2 風載荷風載荷 在應用式(2-1)計算風載荷時，受風投影面積A是按照結構的輪廓投影面積計算的。遇到桁架結構，可以先計算作用在組成桁架的各構件上的風載，再將它們疊加起來就成為桁架的總風載。但這樣計算相當繁瑣，一般可用簡化計算，即采用桁架的形狀系數(shù)來代替單根構件的形狀系

12、數(shù)，而受風投影面積用桁架迎風的前后兩個輪廓面積的30%，或一個輪廓面積的60來計算。 對平臺上的高聳結構，因其剛度較低，自振周期較長，在不穩(wěn)定的脈動風作用下，結構物將出現(xiàn)一定的動力響應，特別是風速較大時，動力響應更為顯著。故設計高聳建筑物時，除了要考慮因平均風速產生的穩(wěn)定風壓外，還必須考慮因脈動風速產生的脈動風壓。在工程設計中，常常采用動力放大系數(shù)來對基本風壓進行修正。2.2 2.2 風載荷風載荷 我國固定平臺規(guī)范對平臺上的高聳結構，當其基本自振周期T0.5s時，作用風壓應為基本風壓p0的倍。見表2-4。表2-4 值對少數(shù)重要的塔形結構，當T=0.25s時，可取=1.25，當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 其他國家規(guī)范的CD表2-7中：形狀類別英國 Lloyd美國 ABS法國 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；b為垂直于水流的截面寬度或橢圓截面軸長；l為柱體的長度（與水流垂直）。h、b、l如圖2-11所示。因為水質點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，那么這些系數(shù)只是在應用于所選取的波浪理論時才嚴格有效。用在別的波浪理論上時，如果計算中綜合考慮各種因素，例如在安全因素上作些修正，誤差也不會很大

15、。2.3 2.3 波浪載荷波浪載荷3.3.海流對波浪拖曳力的影響海流對波浪拖曳力的影響 莫里森公式計算拖曳力時僅包括波浪水質點運動產生的效果，并沒有考慮潮流或海流的影響，但實際海況有潮流和海流存在，應注意海流不僅能引起樁腿周圍海底的沖刷，也能使作用在結構上的波浪力增大，這是因為海流與波浪水質點速度的聯(lián)合作用將使拖曳力大為增加。因此在應用莫里森公式計算波浪力時，如果在有海流的情況下，公式中的速度U應是水質點速度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方向一致時，處于波峰位置的垂直樁腿所受到的單位長度的最大拖曳力為21()2DDWCFCUUD2.3

16、2.3 波浪載荷波浪載荷舉例說明海流對拖曳力的影響，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，于是計及海流流速的拖曳力與不計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部分：一是潮流，二是風海流。潮流潮流 是由于太陽、月球對地球的引力使海水涌起后而引起的水平方向的

17、水流運動。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。但在海峽和水道內產生的潮流流速比較大些。風海流風海流 是由于貿易風形成的大氣環(huán)流吹成的水流，它還受到由于地球的轉動、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。 海（潮）流力對結構的作用通常在波浪力計算中是以海流流速與水質點速度矢量疊加的形式加以考慮的，這在上一節(jié)里已經說明過。另外在系泊系統(tǒng)設計中，海流力還是要計及的主要的外載荷。 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)結構構件的形狀與尺度。 關于設計的海流要素一般要根據(jù)實測的統(tǒng)計資料選取。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社推薦的公式計算（見圖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）流力的計算公式為 式中：Uc為流速；A為計算構件在垂直于流向平面上的投影面積；為海水質量密度；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 對于會出現(xiàn)冰凍的寒冷海域，冰力對結構的影響往往是很嚴重的。例如，1962年和1963年在阿拉斯加庫克灣先后建造的兩座海上鉆井平臺，由于設計強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，我國渤海海域的某鉆井平臺的斜撐桿全部被冰塊割斷，另一座平臺則被海冰完全推倒。冰作用在平臺結構上的力主要有：（1）巨大冰層包圍結構物，當冰層在風、流作用下移動時對結構的擠壓；（2）冰對結構物的沖擊；（3）冰層膨脹擠壓結構物時所產生的膨脹力；（4）當冰層與結構物凍結在一起，冰層因受風，流影響而移

20、動時所產生的 拖曳力，冰層因水位下降時而產生的向下的附加重力，冰層因水位上 升時而產生的向上的附加浮力；（5）海冰與結構物之間的摩擦力。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算的冰載荷，即認為大面積冰層擠壓結構物時，最大冰壓力發(fā)生在冰被擠碎的時刻。冰壓力一般與冰的極限受壓強度、結構物迎冰面的寬度和厚度、冰層厚度、冰行進結構物時的速度及冰溫等因素有關。 在風和流作用下，大面積冰層擠壓垂直樁柱所產生的冰載荷可按下式計算： P=mK1K2Rcbh （2-40）式中各符號的意義如下：（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度；RC為冰塊試樣的極限抗壓強度。K1的值一般在2.03.0之間。我國固定平臺規(guī)范建議K1的值取2.5，RC值對渤海及黃海北部沿海