海洋工程环境学作用在结构物上的环境载荷课件.ppt

1、h1.随机随机波浪分析计算波浪分析计算 波浪运动的平均特征波浪运动的平均特征l子样l平均值l均方根值 l有义值波高的概率特征波高的概率特征l波浪运动的随机特征 l波浪运动的概率密度函数 波浪运动的能量分布特征波浪运动的能量分布特征l能量谱密度概念l自相关函数定义lWiener-Khintchine定理l线性变换系统l实用海浪谱和方向谱形式 1.5 复习海浪统计特征的长期分布律海浪统计特征的长期分布律l有义波高的概率密度函数lWeibull函数三参数的确定 设计波设计波l设计波参数的确定l设计波遭遇概率的确定短期统计特性长期统计特性l采样方法 线性波作用下的流场参数速度势函数sin2ch ksg

2、Hch kd szdk xCtkxt其中水质点水平速度cosch ksHTsh kdux水质点垂直速度sinsh ksHTsh kdwz水质点水平加速度水质点垂直加速度222sinch ksHTsh kdut复习 线性波理论 sinch ksHkT sh kd 222cossh ksHTsh kdwt222cossh ksHTsh kdwt1 速度势函数：速度势函数：波面形状：波面形状：波速：波速：51sinnnkch nksnC51cosnnkn22240121CCCC2.5 非线性波理论 zdkxt2)Stokes五阶波的计算五阶波的计算20Cg k th kd其中3.作用在结构物上的环境

3、载荷流体作用载荷流体作用载荷风浪流流体质点运动流体质点运动速速度度加加速速度度阻力阻力阻尼力阻尼力惯性力惯性力附加质量附加质量荷荷载载其它载荷其它载荷冰地震定常脉动3.作用在结构物上的环境载荷CCS海上移动平台规范对环境载荷计算的要求：2.1.2.1 环境载荷系指直接或间接由环境作用引起的载荷，包括由环境载荷引起的所有外力，如系泊力、运动惯性力、液舱晃荡力等。环境载荷一般由下列载荷组成：（1）风载荷；（2）波浪载荷；（3）海流载荷。如果业主/设计者认为需要，则地震、海床承载能力、温度、污底、冰/雪等对载荷的影响也应考虑。2.1.2.2 如可能，设计环境条件应根据可靠及足够的实测资料由统计分析确

4、定，自存工况设计环境条件的重现期建议不小于 50 年。2.1.2.3 环境载荷除按本章给出的方法外，还可采用其他公认的方法进行计算，必要时应通过数学模拟计算或物理模型试验来确定。2.1.2.4 在操作手册中应注明每种工况的设计限制条件。3.1 作用在结构物上的风载荷由于风引起的力：工程中阻力系数和升力系数由模型实验或数值模拟得到。风力分为与风速方向一致的拖曳力FD和垂直于风向的升力FLSVCFSVCFLLDD222121CD：阻力系数CL：升力系数3.1 作用在结构物上的风载荷不同形式结构上的风力不同形式结构上的风力 1.钻塔和起重设备小直径杆件组成：流态由雷诺数决定，阻力项为主要成分，可能发

5、生漩涡释放。2.驾驶室，居住舱大尺度矩形表面：气流发生分离，产生漩涡和尾流。采用迎风平面的阻力系数计算风力。3.直升机平台大型平面：产生升力，漩涡引起结构颤动。3.1 作用在结构物上的风载荷风况资料计算风况资料计算对于海洋工程建筑物设计中所需要的风况资料，应尽可能利用所在海域或邻近测站的风速实测资料，并对其作系统的统计分析。分析的步骤为：(1)收集并检查所在海域(或邻近测站)的风况资料；(2)对所收集资料进行合理筛选、修正和相关分析，以适应设计工作的需要；(3)风向频率统计和风速频率统计；(4)多年风速资料分析，年最大风速的长期分布；(5)按有关设计规程确定风速的设计值。3.1 作用在结构物上

6、的风载荷风力的统计结果风力的统计结果风玫瑰图3.1 作用在结构物上的风载荷3.1 作用在结构物上的风载荷根据费伯和贝尔1962年统计，1min平均风速和10min平均风速之间的系数为1.17。根据朱瑞兆对我国大部分地区资料计算的结果风速的时距换算风速的时距换算 我国现有风速资料大都属于以下两种情况；即定时2min平均风速或10min平均风速。由于时距不同，得到的最大风速也不同。3.1 作用在结构物上的风载荷中国船级社规定：正常作业状态设计风速不小于：36m/s(70kn)自存状态设计风速不小于：51.5m/s(100kn)在遮蔽海区设计风速不小于：26m/s(50kn)3.1 作用在结构物上的

7、风载荷规范规定风压计算公式：PSCCFsh2613.0VP 构件上的风力F计算公式：S：受风构件的正投影面积Ch：暴露在风中的构件的高度系数，其值可根据构件几何心距离设计水面的高度查表得到。Cs：暴露在风中的构件的形状系数，根据构件形状查表取得或根据风洞实验得到。如球形的取0.4CCS风载荷计算法3.1 作用在结构物上的风载荷风压计算风压计算02121PVP根据伯努利方程，空气中某静止点的压力P0和运动点的压力P的关系为：式中V为风速。则基本风压公式为21021VPPP如果取标准大气压，气温为15C时干空气密度为1.2255kg/m3222613.022255.121VVVP3.1 作用在结构

8、物上的风载荷风载荷计算高度影响系数Ch00nzUzUz3.1 作用在结构物上的风载荷风载荷计算高度影响系数Ch3.1 作用在结构物上的风载荷CCS规范关于风力计算的推荐做法：（1）当平台有立柱时，应计入全部立柱的投影面积,不考虑遮蔽效应。（2）对于因倾斜产生的受风面积,如甲板下表面和甲板下构件等，应采用合适的形状系数计入受面积中。（3）对于密集的甲板室，可用整体投影面积来代替计算每个面积，此时形状系数可取为 1.1。（4）对于孤立的建筑物、结构型材和起重机等，应选用合适的形状系数，分别进行计算。（5）通常用作井架、吊杆和某些类型桅杆的开式桁架结构的受风面积，可近似地取每侧满实投影积的30，或取

9、双面桁架单侧满实投影面积的 60，并选用合适的形状系数。3.1 作用在结构物上的风载荷结构的高度大于其宽度的5倍以上，自振周期长于0.5s，结构对动力相应比较敏感，就需要考虑风载荷动力相应，即在计算中考虑加入风振系数：风振系数 :查表得到，是结构自振周期的函数SVCCPFPtPshcc2)(脉动风压的动力效应结构基本自振周期(s)0.51.01.52.03.55.0风振系数1.45 1.55 1.62 1.65 1.70 1.753.1 作用在结构物上的风载荷 根据对风的大量实测记录样本时程曲线分析可知，若将平均风部分除去，脉动风速本身可用具有零均值的高斯平稳随机过程来模拟，且具有明显的各态历

10、经性。其统计特性可用功率谱密度函数来描述：Davenport根据世界上不同地点、不同高度测得的90多次强风记录，在 1961年提出了谱密度不随高度而变的纵向脉动风速谱，其表达式为：脉动风谱V10为10米高处的风速，K为与地面粗糙度有关的系数3.1 作用在结构物上的风载荷脉动风谱3.1 作用在结构物上的风载荷脉动风谱3.2 作用在结构物上的冰载荷冰载荷的主要形式1.挤压力。挤压力。整个海面处于冰层覆盖状态。在潮流和风的作用整个海面处于冰层覆盖状态。在潮流和风的作用下，大面积冰原呈整体移动，挤压平台。如果平台能够承下，大面积冰原呈整体移动，挤压平台。如果平台能够承受，冰原被桩腿切入或割裂。受，冰原

11、被桩腿切入或割裂。2.流冰。自由漂浮流动的冰块，冲击平台产生的冲击力。流冰。自由漂浮流动的冰块，冲击平台产生的冲击力。3.冰层膨胀。冬季气温急剧变化的情况下，整体冰盖层由于冰层膨胀。冬季气温急剧变化的情况下，整体冰盖层由于温度变化引起的冰体膨胀（冰密度变化）而产生的对平台温度变化引起的冰体膨胀（冰密度变化）而产生的对平台的挤压的膨胀力。的挤压的膨胀力。4.附连冰的拖曳力。平台四周海冰因温度下降而结成一体附附连冰的拖曳力。平台四周海冰因温度下降而结成一体附连在平台上，冰体由于潮流和风力作用而移动产生对平台连在平台上，冰体由于潮流和风力作用而移动产生对平台的拖曳力。由于水位的波动还会产生垂直的作用

12、力（附连的拖曳力。由于水位的波动还会产生垂直的作用力（附连冰的重力和浮力）。冰的重力和浮力）。3.2 作用在结构物上的冰载荷1.大面积冰原挤压孤立垂直桩柱所产生的冰载荷P PmK1K2Rcbh(kN)m：桩柱的形状系数，对于圆柱采用0.9K1：局部挤压系数(2.53.0)K2:接触系数（0.30.45）Rc:冰块试样的极限抗压强度（kN/m2，渤黄海取1470）b:桩柱宽度或直径(m)h:冰层的计算厚度（国家主管部门提供实测资料）辽东湾1m，渤海湾0.8m,莱州湾0.7m，黄海北部0.8m冰载荷3.2 作用在结构物上的冰载荷2.流冰对桩柱的挤压力)()(21maxmaxmax02xPPxTTd

13、xxPTmVTx功动功动流对结构的荷载流对结构的荷载1.拖曳力拖曳力2.对波浪的影响对波浪的影响3.兴波阻力兴波阻力4.横向力横向力 3.3 作用在结构物上的流荷载1 均匀流诱导荷载均匀流诱导荷载物理模型：物理模型：圆柱(桩柱)：直径D，一端垂直刚性固定在海底，另一端露出水面；水域：刚性海底平行静止表面，水深 d,均匀流速 Vx.坐标系：xoz:ox 在静止水面，沿流方向；oz 垂直静止水面向上。求解问题：求解问题：水流作用在单位长度圆柱上的水平力和横向力水流作用在单位长度圆柱上的水平力和横向力3.3 作用在结构物上的流荷载 水平力：水平力：式中：D为桩柱直径，Vx为流速，Cd为相当于迎流面积

14、的阻 力系数，212xdxfC DV为水密度。阻力系数：Re,xdV D kCfD3.3 作用在结构物上的流荷载3.3 作用在结构物上的流荷载 横向力：横向力：脉动脉动21sin(2)2yllxsffC DVf t式中：卡门涡街释放频率xsVfSDS 为Strouhal数。由下图可见，通常 。0.2S 在一个卡门涡街释放周期内水流流过5倍的圆柱直径的距离。5xsV TD3.3 作用在结构物上的流荷载3.3 作用在结构物上的流荷载3.3 作用在结构物上的流荷载3.3 作用在结构物上的流荷载1.Phillips2.Schwabe3.Bishop et al.4.Keefe5.Gerrard6.Bi

15、ngham et al.7.Macovsky8.Vickery et al.9.McGregor10.Humphreys11.Fung12.Schmidt13.Jordan et al.14.Macovsky15.Dawson et al.16.Weaver17.Goldman18.Bublitz19.Warren20.Schmidt3.3 作用在结构物上的流荷载3.3 作用在结构物上的流荷载3.4 作用在固定平台上的地震载荷 地震发生时地面作往复运动，结构物产生强迫振动，地震载荷与其它环境载荷明显不同之处在于它不直接作用在结构物上，而是由地震引起的结构物基础运动随之产生的。海上平台地震载荷可

16、按我国海上固定平台入级与建造规范规定计算:地震载荷计算中的设计烈度一般采用所在海域的基本烈度。设计烈度在6度以下时可不进行地展载荷计算;设计烈度高于9度的地震载荷应专门研究确定。对次生灾害严重的平台和特殊重要的平台，可将基本烈度提高1度作为设计烈度.3.4 作用在固定平台上的地震载荷平台的载荷主要为惯性力和动水压力。根据规范给定的地震响应谱计算。右图为我国工业与民用建筑抗震设计规范中提出的地震响应谱。三类场地土情况下不同结构自振周期T对应的动力放大系数曲线地震响应谱中“场地土”系指平台所在地土层情况，可分三类:I类场地土：微风化和中等风化的基岩;II类场地土：除I、III类场地土外的一般稳定土

17、;III类场地土：饱和松散的砂类土，软塑和极软状态的粘性土、淤泥等。3.4 作用在固定平台上的地震载荷 地震惯性力可根据平台的质量分布计算，一般将平台简化为单质点体系或多质点体系进行计算。当平台按单质点体系计算时，假定平台全部质量均集中分布在平台顶部.因此.平台甲板处水平方向总地震惯性力PH，可按下式计算 PH=CKH W kN式中C综合影响系数，0.350.5;KH水平方向地震系数，可根据设计烈度选取，见上表;相应于平台计算方向自振周期为T的动力放大系数，根据不同土质可由地震响应谱曲线查得。W 平台甲板处的重量(包括平台甲板上部结构自重、甲板上设备和75%的备品及供应品重量)以及甲板下部结构

18、自重和其他重量对于平台甲板处的折算值。3.4 作用在固定平台上的地震载荷动水压力计算 平台位于海水环境中，地震时会对平台产生动水压力，水下部分任意方向细长构件所受到的动水压力P按下式计算 P=CKH CmVgsin(i,l)kN式中C,KH,意义同上 Cm-附加质量系数，Cm=CM-1，其中CM为惯性力系数.圆形构件CM=2;V一浸水部分的构件排水体积:流体的密度t/m3 (i,l)一地震的振动方向l与构件l间的夹角，rad.3.4 作用在小尺度构件上的波浪力根据结构物的特征尺度，可以分为小尺度构件和大尺度结构两种不同类型。其划分标准为：0.2D L 为小尺度构件 入射问题入射问题；0.2D L 为大尺度构件 辐射问题辐射问题。例：例：自升式平台：D=O(1m),L=O(100m),D/L=0.1 半潜式平台：D=O(100m),L=O(300m),D/L=0.3对于入射问题入射问题，通常可以用二维方法二维方法处理：Morison方程法方程法，对于辐射问题辐射问题，通常可以用三维方法三维方法处理：源汇分布方程法源汇分布方程法。3.4 作用在小尺度构件上的波浪力Morison方程方程212124dmdmFC Au uCuDFC Au uCu