1、土木工程概论土木工程概论第9章海洋工程结构本章内容本章内容9.1 9.1 海洋工程结构设计海洋工程结构设计9.2 9.2 海洋结构实例海洋结构实例9.3 9.3 海洋平台结构分析海洋平台结构分析9.4 9.4 环境荷载环境荷载海洋工程结构海洋工程结构海洋工程结构海洋工程结构 当今世界面临着人口、资源和环境三大问题。随着世界人口的增长和陆地资源因加速开采而日渐枯竭，海洋资源的开发、海洋环境的保护与利用已成为世界各国普遍关注的问题。 海洋工程是一个相对较新的工程领域，能适应非常恶劣海上环境的近海工程结构物，如海洋平台，以满足人类不断勘察与开发新的食物资源、能源和矿物资源的需要。 海洋工程结构海洋工
2、程结构 海洋平台是在海洋上进行作业的场所。海洋石油钻探与生产所需的平台，主要分钻井平台和生产平台两大类。在钻井平台上设钻井设备，在生产平台上设采油设备。平台与海底有立管相通。平台是进行海上钻井与采油作业的一种海洋工程结构。海洋平台一般都高出海面，能够避免波浪的冲击。型式有三边形、四边形或多边形。上下两层甲板或单层甲板面供安装、储存钻井或采油设备用9.1 9.1 海洋工程结构设计海洋工程结构设计 海洋工程结构的设计是一个很复杂的过程，要考虑不同的地质条件，海洋工程结构往往建造在一个地方，安装在另一海域。 9.1 海洋工程结构设计结构设计的主要步骤结构设计的主要步骤（1）确定设计要求（2）评估环境
3、和外力条件（3）提出初步设计方案和主要安装方法（4）评估工程经济，建造及施工安装关键技术，基础条 件等，并确定最后设计方案。（5）结构及构件详细设计以承受工作荷载和环境荷载（6）最后，评估设计，以确保可以承受工作荷载和环境荷载 9.2 9.2 海洋结构实例海洋结构实例9.2.1 导管架式平台 导管架型平台在软土地基上应用较多的一种桩基平台。 导管架型平台是先在陆上用钢管焊成一个锥台型空间框架，然后驳运或者浮运至海上现场，就位后将钢桩从导管内打入海底，再在顶部安装甲板而成。 这种施工方式，使工作量减少。平台设于导管架的顶部，高于作业区的波高，具体高度须视当地的海况而定，一般大约高出4-5m，这样
4、可避免波浪的冲击。桩基式平台的整体结构刚性大，适用于各种土质，是目前最主要的固定式平台。但其尺度、重量随水深增加而急骤增加，所以在深水中的经济性较差。9.2.1 9.2.1 导管架式平台导管架式平台9.2.1 9.2.1 导管架式平台导管架式平台9.2.2 9.2.2 重力式平台重力式平台9.2.2 9.2.2 重力式平台重力式平台 重力式平台是与桩基平台不同的另一种型式的平台。它不需要用插入海底的桩去承担垂直荷载和水平荷载，完全依靠本身的质量直接稳定在海底。根据建造材料的不同，又分为混凝土重力式平台和钢重力式平台两大类。 第一步：在干坞内建造底座的下半部分，第一步：在干坞内建造底座的下半部分
5、，如图（如图（a）第二步：在干坞内建造至预定高度后，注第二步：在干坞内建造至预定高度后，注入海水和海平面一致如图（入海水和海平面一致如图（b）第三步：把底座拖至岸边比较深的、隐蔽第三步：把底座拖至岸边比较深的、隐蔽较好的施工水域，在海面上锚泊，采较好的施工水域，在海面上锚泊，采用滑动施工法建造底座上部，如图（用滑动施工法建造底座上部，如图（c）第四步：用滑动施工法继续浇注立柱，如第四步：用滑动施工法继续浇注立柱，如图（图（d）第五步：用拖轮把结构物拖至深水海域，第五步：用拖轮把结构物拖至深水海域，以便安装甲板，见图（以便安装甲板，见图（e）。）。 第六步：向底座注入压载水，使结构物下第六步：向
6、底座注入压载水，使结构物下沉到海水没至立柱上部左右，再安装沉到海水没至立柱上部左右，再安装甲板，见图（甲板，见图（f）。）。 第七步：在甲板上安装各种模块，见图第七步：在甲板上安装各种模块，见图（g）第八步：排出压载水，使结构物上浮，用第八步：排出压载水，使结构物上浮，用拖轮拖至预定地点，见图（拖轮拖至预定地点，见图（h）第九步：平台位置确定后，注入压载水，第九步：平台位置确定后，注入压载水，边下沉边调节，使之准确安装在海底，边下沉边调节，使之准确安装在海底，见图（见图（m）9.2.2 9.2.2 重力式平台重力式平台混凝土平台的优缺点混凝土平台的优缺点 优点优点 a.节省钢材。节省钢材。 b
7、.经济效果好。经济效果好。 c.海上现场安装的工作量小。海上现场安装的工作量小。 d.海上安装工艺比钢结构简单些。不需要在海底打桩。海上安装工艺比钢结构简单些。不需要在海底打桩。 e.甲板负荷大，在立柱中钻井安全可靠。甲板负荷大，在立柱中钻井安全可靠。 f.防海水腐蚀、防火、防爆性能都好。防海水腐蚀、防火、防爆性能都好。 g.维修工作量小，费用低，使用寿命长。维修工作量小，费用低，使用寿命长。 h.从理论上讲，可重复利用。从理论上讲，可重复利用。 9.2.2 9.2.2 重力式平台重力式平台缺点缺点 a.对地基的要求高。基础设计的好坏，常成为重力式平对地基的要求高。基础设计的好坏，常成为重力式
8、平台成败的关键。台成败的关键。 b.结构分析比较复杂。结构分析比较复杂。 c.制造工艺复杂。制造工艺复杂。 d.岸边需有较深的、隐蔽条件较好的施工场地和水域。岸边需有较深的、隐蔽条件较好的施工场地和水域。 e.拖航时阻力大。拖航时阻力大。 f.冰区工作性能差。冰区工作性能差。g.重复利用的难度较大。重复利用的难度较大。9.2.3 9.2.3 深水海洋平台深水海洋平台牵索塔式平台牵索塔式平台 牵索塔式平台是一瘦长的桁架结构，其下端依靠重力基座坐落于海底或是依靠支柱加以支撑，其上端支承作业甲板。桁架的四周用钢索、重块、锚链和锚所组成的锚泊系统加以牵紧，使它能保持直立状态。由于这种平台是由锚泊系统牵
9、紧的，它在小风浪时仅发生微幅摆动；风浪大时，由于桁架结构摆动幅度大，会把重块拉得离开海底，从而要吸收掉风浪的一部分能量，因此平台仍可维持在许可范围内摆动。这种平台结构简单，构件尺寸小，故所受到的风、浪、流的作用力也小。这种平台能适用于300600m水深的海域。但若水深超过600米，则由于要提高桁架的抗弯能力，建造时所耗用的材料会大大增加，经济上不一定合算。9.2.3 9.2.3 深水海洋平台深水海洋平台牵索塔平台9.2.3 9.2.3 深水海洋平台深水海洋平台张力腿平台张力腿平台(简称TLP) 适用于较深水域(3001500m)、且可采油气储量较大的油田。TLP 一般由上部模块(Topside
10、)、甲板、船体(下沉箱)、张力钢索及锚系、底基等几部分组成。其船体(下沉箱)可以是三、四或多组沉箱,下设36组或多组张力钢索,垂直与海底锚定。9.2.3 9.2.3 深水海洋平台深水海洋平台 平台及其下部沉箱受海水浮力,使张力钢索始终处于张紧状态,故在钻井或采油作业时,TLP几乎没有升沉运动和平移运动。张力腿式平台的重力小于浮力，所相差的力量可依靠锚索向下的拉力来补偿，而且此拉力应大于由波浪产生的力，使锚索上经常有向下的拉力，起着绷紧平台的作用。9.2.4 9.2.4 移动式钻井平台移动式钻井平台 自升式移动平台：自升式移动平台： 由平台、桩腿和升降机构组成，平台能沿桩腿升降，故称自升式，一般
11、无自航能力。桩腿周围装升降系统,主要有液压或电动齿轮齿条式,工作时桩腿下放插入海底，平台被抬起到离开海面的安全工作高度，并对桩腿进行预压，以保证平台遇到风暴时桩腿不致下陷。完井后平台降到海面，拔出桩腿并全部提起，整个平台浮于海面，由拖轮拖到新的井位。9.2.4 9.2.4 移动式钻井平台移动式钻井平台自升式钻井平台9.2.4 9.2.4 移动式钻井平台移动式钻井平台坐底式钻井平台坐底式钻井平台 又称沉浮式或沉底式钻井平台，由上体、立柱和下体组成，上体为钻井平台或称为平台本体，下体为提供浮力的沉垫，在上体和下体之间由若干立柱相连接。在下体中注入压载水后使之下沉坐于海底，上体的平台则露出水面一定高
12、度，钻井平台处于工作状态；排水后，使钻井平台上浮可进行拖航和移位。坐底式钻井平台多用于水浅、浪小、海底较平坦的海区。9.2.4 9.2.4 移动式钻井平台移动式钻井平台坐底式钻井平台9.2.4 9.2.4 移动式钻井平台移动式钻井平台半潜式钻井平台半潜式钻井平台 上部为工作甲板，下部为两个下船体，用支撑立柱连接。既可以作为坐底式平台使用，也可以在深水作为浮动式平台使用，新发展的动力定位技术用于半潜式平台后，工作水深可达9001200米 。 主要优点是能在水深变化很大的范围内作业。9.2.4 9.2.4 移动式钻井平台移动式钻井平台半潜式平台9.2.4 9.2.4 移动式钻井平台移动式钻井平台钻
13、井船钻井船用来在水上钻井并移位的船。钻井时漂浮水上，适于深水作业。多将井架设在船的中央，以减小船体摇荡对钻井工作的影响。多具自航能力，无自航能力的又称“钻井驳”。9.2.4 9.2.4 移动式钻井平台移动式钻井平台钻井船9.3 9.3 环境荷载环境荷载 通常在设计海洋平台结构之前，首先要确定平台在各个阶段所承受的各种荷载。这些荷载包括：风、波浪力、海流、冰荷载、地震作用等。9.3.1 9.3.1 风速风速 在海洋工程中常以50年一遇的年最大风速或100年一遇的年最大风速作为设计风速。9.3.2 9.3.2 风荷载风荷载 作用在海洋结构的风荷载是结构各构件所受风力的总和。式中： -空气的密度；
14、-结构迎风面积； -风速； -风行系数；221cAvFAvc9.3.3 9.3.3 海洋波浪海洋波浪 海浪是静水面受到外力作用后，水质点离开平衡位置作往复运动并向一定方向传播的自然现象。引起海浪的外力有风、地震、重力等。而由风引起的浪，在海浪研究中占主要地位，也是结构物设计的主要控制荷载。9.3.4 9.3.4 浮力浮力 沉浸在水中的潜体受到的浮力是静水压力差引起的。其静水压力可表示为：式中 -海水的重度； -水深； -从海底算起的垂直距离。 )(yhPhy9.3.5 9.3.5 冰荷载冰荷载 冰压力主要存在于风和潮流的作用下，大面积冰层移动产生挤压力，以及流冰期间，冰块对结构物产生冲击力，其作用力式中中 -冰的挤压强度； -冰的挤压强度； -冰层的挤压面积。一般冰挤压系数取0.30.7;冰的挤压强度取200500磅/平方英寸，在缺乏试验数据时，取350磅/平方英寸.ACfFccfCA9.3.6 9.3.6 土压力土压力 作用在海工结构物桩基单位长度的土压力F可由下列公式计算：式中： -土压力系数； -土的剪切强度； -桩的直径； 取79，土的剪切强度可用土样实验确定。一般取100200磅/平方英尺。 DNFNDN
