1、海洋平台强度分析第二章 环环境载载荷计计算2.1 2.1 平台承受的载荷的分类平台承受的载荷的分类 海洋平台在建造和使用期间所承受的载荷可分为三类 环境载荷 使用载荷 施工载荷一、环境载荷一、环境载荷 指由风、波浪、海流、海冰、水温及气温、潮汐、地震等自然环境引起的载荷，主要有风载荷、波浪载荷、流冰载荷、地震载荷等。 这些载荷可根据平台设计环境条件进行计算，在计算时通常取设计风速和设计波浪的重现期不小于50年。图2-1为作用在不同钻井装置上的经简化的环境载荷示意图(仅表示了风、浪、流三种力)。2.1 2.1 平台承受的载荷的分类平台承受的载荷的分类2.1 2.1 平台承受的载荷的分类平台承受的
2、载荷的分类二、设计载荷二、设计载荷 指平台在使用期间所受到的除环境载荷以外的其他载荷，它可分为 固定载荷 活载荷固定载荷固定载荷 是指作用在平台上的不变载荷，当水位一定时这些载荷为 一定值。 如平台的结构自重，附属结构重量，固定不变的机械设备、管线重量和作用于平台水下部分的浮力等。 活载荷活载荷 则指与平台使用有关的载荷，按其时间变化与作用特点又可 分为可变载荷和动力载荷。 可变载荷的数值或作用位置变化缓慢，可作为静载荷处理，例如可移动的钻井设备重量，存放的套管及器材重量，人员及其生活必需品的重量等。 动力载荷为对平台结构动力作用明显的载荷，例如各种动力机械和设备运转时引起的周期性载荷，平台钻
3、井起、下钻作业、吊机起重、船舶停靠及直升飞机降落等引起的冲击载荷。对于动力载荷应考虑其动力放大作用。2.1 2.1 平台承受的载荷的分类平台承受的载荷的分类三、施工载荷三、施工载荷 施工载荷指平台在建造以及海上吊运、安装过程中所承受的载荷，这些载荷会使一些构件产生瞬时的高应力。 因此，尽管这些载荷不是结构设计的控制载荷，通常也需校核这些载荷对平台结构所产生的影响。 对于使用载荷和施工载荷的计算，有关的平台结构规范都有明确的规定，且各国规范的规定也日趋一致。环境载荷是平台结构设计的控制载荷，由于受到环境条件等因素的影响，计算比较复杂，下面主要介绍环境载荷的计算。2.2 2.2 风载荷风载荷作用在
4、海洋平台结构上的风载荷可根据下式计算： F = pA （2-1） （2-1）式中，p 为受风构件表面上的风压，N/m2；A为构件垂直于风向的轮廓投影面积，m2 ；F为作用在构件上的风力，N。 计算风压p 时通常是以根据一定的标准高度和形状选定的基本风压值p0为基础，然后再对风压沿高度的变化和受风构件形状作修正。基本风压值p0可由下式确定： 式中：g为重力加速度，取g = 9.8m/s2; 为空气重量密度，取=12.01 N/m3；v为设计风速，m/s。于是上式可写成 p0 = 0.613v2 （2-3）则风压p可以表示为 p =0.613CHCsv2 （2-4）式中：CH为考虑风压沿高度变化的
5、高度系数；Cs为考虑受风构件形状影响 的形状系数。2201(/)(22)2pN mg2.2 2.2 风载荷风载荷 由于风压与风速的平方成正比，故风速的取值显得特别重要。从风速的原始记录资料来看，风速具有很大的脉动性，在一天的风速记录中出现的某瞬间的最大风速，称为该天的瞬间风速瞬间风速。如果取出连续10min的风速求其平均值，叫做10min时距的平均风速平均风速。 在海洋平台设计中常用的是两种设计风速， 持续风风速 阵风风速持续风风速持续风风速 一般是几分钟（例如1-3min）时距的平均风速； 阵风风速阵风风速 是几秒钟（例如3s）时距的平均风速。 一般当作用在平台上的波浪力是最大波浪力，则同时
6、作用在平台上的风力按持续风风速计算，如果仅仅阵风的作用比持续风加波浪的作用更为不利时，则应以阵风风速计算。不同时距的风速之间有一定的关系，时距短的风速比时距长的风速要大。2.2 2.2 风载荷风载荷 在缺少现场实测资料，也无邻近陆、海气象台站的资料时，可利用表2-1所列的系数进行不同时距风速的转换。此表是以1h平均风速为基准的，应用此表时可用线性插值求得所需要的系数。各种统计资料表明，1h平均风速的大小对表中系数值的影响极小。表2-1 不同时距平均风速与1h平均风速的比例系数时距1h10min1min15s5s3s系数值1.001.041.161.261.321.352.2 2.2 风载荷风载
7、荷基本风压的标准高度为海面上10m，所以设计风速一般取海面上10m高处的风速。其它高度处的风速可用下式换算： （2-5）式中：vs为离海面高度为z(m)的风速；v10为离海面10m高处的风速。因此，式(2-4)中的CH可表示为 （2-6）式中的n值与测量风速的时距以及离岸的距离有关，一般在713之间变化。11010nszvv210nHzC2.2 2.2 风载荷风载荷 美国API规范建议，在开敞的海域，对于持续风风速n等于8，对于阵风风速n等于13。CCS、ABS、LR的移动平台规范则取表2-2所列的CH值，其 n值接近于13。表2-2 高度系数CH海平面以上高度h(m)CH015.315.33
8、0.530.546.046.061.061.076.076.091.591.5106.5106.5122.0122.0137.0137.0152.5152.5167.5167.5183.0183.0198.0198.0213.5213.5228.5228.5244.0244.0256.0256以上1.001.101.201.301.371.431.481.521.561.601.631.671.701.721.751.771.791.802.2 2.2 风载荷风载荷 系数Cs严格来说是构件形状、构件表面粗糙度及雷诺数的函数，为便于工程应用，一般都根据构件的形状定出Cs值，如表2-3所示。表2-
9、3 形状系数Cs形状Cs球形圆柱形大的平面板（船体、甲板室、甲板以下的光滑平板）钻井架甲板以下暴露的梁和桁材孤立结构（起重机、梁材）0.40.51.01.251.301.502.2 2.2 风载荷风载荷 在计算风压p时，设计风速一般是选用50年一遇或100年一遇的风速。我国移动平台规范规定，设计风速在极端风暴状态时一般不小于51.5m/s ；在正常作业时不小于36m/s；在遮蔽海区不小于26m/s 。 根据海上结构物的投资大，使用年限长的特点，建议采用海上10m高程、30年一遇的10 min平均最大风速为正常工作状态的设计值，和1min平均最大风速为极端风暴状态的设计值。求取设计风速值时，其资
10、料来源于船舶极端资料、台风中心探空仪观察资料和沿海岛屿台站台风观察资料。将这些资料进行概率分析计算后得到的设计风速如图2-2所示。 为了便于资料统计和使用，设计风速值按图23所示的15个小海区来表示。2.2 2.2 风载荷风载荷 图2-3表明，第1海区为渤海，由于它是半封闭的浅水海域，且面积小，受周围陆地阻挡，故风速较其他海区小，第2、3、4、5及第6海区的一部分为黄海，该海域自北向南逐渐开阔，加之南部受台风的影响较北部为甚，故风速也是自北向南逐渐增大。第7海区为东海，它与浩瀚的太平洋为邻，水域广阔，直接受太平洋风场影响，且台风活动较多，故风速较以上诸海区为大。第8海区为台湾海峡，一则因海峡效
11、应，风速较大；二则这里是太平洋台风向偏西北移动的必经之路，故该海区的风速很大。第9、10、11、12海区也是太平洋西行台风影响之地，风速亦较大。第13、14、15小海区不仅受太平洋台风影响，又是南海台风的发源地，故该区风速最大。在实际设计时，应根据平台的作业海区的统计资料和规范的有关规定正确地选择设计风速。2.2 2.2 风载荷风载荷 在应用式(2-1)计算风载荷时，受风投影面积A是按照结构的轮廓投影面积计算的。遇到桁架结构，可以先计算作用在组成桁架的各构件上的风载，再将它们叠加起来就成为桁架的总风载。但这样计算相当繁琐，一般可用简化计算，即采用桁架的形状系数来代替单根构件的形状系数，而受风投
12、影面积用桁架迎风的前后两个轮廓面积的30%，或一个轮廓面积的60来计算。 对平台上的高耸结构，因其刚度较低，自振周期较长，在不稳定的脉动风作用下，结构物将出现一定的动力响应，特别是风速较大时，动力响应更为显著。故设计高耸建筑物时，除了要考虑因平均风速产生的稳定风压外，还必须考虑因脉动风速产生的脉动风压。在工程设计中，常常采用动力放大系数来对基本风压进行修正。2.2 2.2 风载荷风载荷 我国固定平台规范对平台上的高耸结构，当其基本自振周期T0.5s时，作用风压应为基本风压p0的倍。见表2-4。表2-4 值对少数重要的塔形结构，当T=0.25s时，可取=1.25，当0.25sT3.5m）1.5（
13、d2.5m）2.0（d3.5m）1.6（d1.45m）1+C（d1.45m）1+Kl椭圆形（bh）矩形（bh）1bh1bCh1lbKh1bh1142bbhh14lbKh2lg(10 )0.811 ( / )lCdKd l22( / )1 ( / )l bKl b2.3 2.3 波浪载荷波浪载荷表2-7 其他国家规范的CD表2-7中：形状类别英国 Lloyd美国 ABS法国 BV挪威 DNV光滑圆形（直径d）0.50.50.750.7K椭圆形1.0矩形（bh，r圆角）2.04.01.02.02.0KKrKb0.50.1( /5)1.0( /5)1.0( /2)1(8)(2/5)60.5( /5)
14、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 波浪载荷波浪载荷上列式中：h为平行于水流的截面宽度或椭圆截面轴长；b为垂直于水流的截面宽度或椭圆截面轴长；l为柱体的长度（与水流垂直）。h、b、l如图2-11所示。因为水质点速度和加速度决定于所选用的波浪理论，所以如果参考的CD与CM资料上注名为适用于某一种波浪理论时，那么这些系数只是在应用于所选取的波浪理论时才严格有效。用在别的波浪理论上时，如果计算中综合考虑各种因素，例如在安全因素上作些修正，误差也不会很大。2.3 2
15、.3 波浪载荷波浪载荷3.3.海流对波浪拖曳力的影响海流对波浪拖曳力的影响 莫里森公式计算拖曳力时仅包括波浪水质点运动产生的效果，并没有考虑潮流或海流的影响，但实际海况有潮流和海流存在，应注意海流不仅能引起桩腿周围海底的冲刷，也能使作用在结构上的波浪力增大，这是因为海流与波浪水质点速度的联合作用将使拖曳力大为增加。因此在应用莫里森公式计算波浪力时，如果在有海流的情况下，公式中的速度U应是水质点速度UW与海流速度UC的向量和： UUWUC (2-36)在极端情况下稳定海流流向与波浪行进方向一致时，处于波峰位置的垂直桩腿所受到的单位长度的最大拖曳力为21()2DDWCFCUUD2.3 2.3 波浪
16、载荷波浪载荷举例说明海流对拖曳力的影响，在深水中UW可由式(2-14）求得，即取波峰位置平均水位处y=0,kx-t=0，那么若取波高HW=15m，周期T = 8s，海流在平均海面处流速为1. 5m/s，于是计及海流流速的拖曳力与不计及海流的拖曳力之比为可以看出，海流将使拖曳力增加57.4%。cos()kyWWHUekxtTWWHUT155.89/8WUm s2222()(5.89 1.5)1.5745.89WCWWUUU2.4 2.4 海（潮）流载荷海（潮）流载荷海洋中的水流一般包括两个部分：一是潮流，二是风海流。潮流潮流 是由于太阳、月球对地球的引力使海水涌起后而引起的水平方向的水流运动。潮
17、流有季节性的变化，但大致以一定的方向流动。潮流方向一般在12h左右反转一欢。一般海洋中的潮流流速是比较小的。但在海峡和水道内产生的潮流流速比较大些。风海流风海流 是由于贸易风形成的大气环流吹成的水流，它还受到由于地球的转动、大陆架海水密度差异等等的动力作用的影响。它的流向几乎是不变的，在北半球为顺时针，在南半球为逆时针。 海（潮）流力对结构的作用通常在波浪力计算中是以海流流速与水质点速度矢量叠加的形式加以考虑的，这在上一节里已经说明过。另外在系泊系统设计中，海流力还是要计及的主要的外载荷。 影响海（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规律；(2)海（潮）流流向；(
18、3)结构构件的形状与尺度。 关于设计的海流要素一般要根据实测的统计资料选取。2.4 2.4 海（潮）流载荷海（潮）流载荷流速沿深度方向的变化可以参考挪威船级社推荐的公式计算（见图2-12）式中：Uc(y)为离海底的高度为y处的海流总速度；Ut0为在静水面处的潮流流速;Uw0在静水面处的风海流流速；d为水深。1/700( )( )( )( )( )( )( )ctwttwwUyUyUyyUyUdyUyUd2.4 2.4 海（潮）流载荷海（潮）流载荷海（潮）流力的计算公式为 式中：Uc为流速；A为计算构件在垂直于流向平面上的投影面积；为海水质量密度；K为流力系数，通常取与拖曳力系数CD同样的数值；
19、d为水深；y为离海底的高度。 2(239)2ccFKU A2.5 2.5 冰载荷冰载荷 对于会出现冰冻的寒冷海域，冰力对结构的影响往往是很严重的。例如，1962年和1963年在阿拉斯加库克湾先后建造的两座海上钻井平台，由于设计强度未考虑冬季冰的作用力，于1964年冬季均被海冰摧毁。又如1962，我国渤海海域的某钻井平台的斜撑杆全部被冰块割断，另一座平台则被海冰完全推倒。冰作用在平台结构上的力主要有：（1）巨大冰层包围结构物，当冰层在风、流作用下移动时对结构的挤压；（2）冰对结构物的冲击；（3）冰层膨胀挤压结构物时所产生的膨胀力；（4）当冰层与结构物冻结在一起，冰层因受风，流影响而移动时所产生的
20、 拖曳力，冰层因水位下降时而产生的向下的附加重力，冰层因水位上 升时而产生的向上的附加浮力；（5）海冰与结构物之间的摩擦力。2.5 2.5 冰载荷冰载荷 由于冰载荷的影响因素较多，在工程中常采用极限冰压力作为计算的冰载荷，即认为大面积冰层挤压结构物时，最大冰压力发生在冰被挤碎的时刻。冰压力一般与冰的极限受压强度、结构物迎冰面的宽度和厚度、冰层厚度、冰行进结构物时的速度及冰温等因素有关。 在风和流作用下，大面积冰层挤压垂直桩柱所产生的冰载荷可按下式计算： P=mK1K2Rcbh （2-40）式中各符号的意义如下：（1）m为桩柱的形状系效，可按表2-8选取。表2-8 桩柱形状系数m（2）K1为局部
21、挤压系数， Q压为大面积冰层的局部挤压强度；RC为冰块试样的极限抗压强度。K1的值一般在2.03.0之间。我国固定平台规范建议K1的值取2.5，RC值对渤海及黄海北部沿海可取用147Ncm2。桩柱截面形状半圆形尖角形（夹角为2）45607590120180形状系数0.90.60.650.690.730.811.01CQKR压2.5 2.5 冰载荷冰载荷（3）K2为桩柱与冰层的接触系数。它是考虑冰层接触面凹凸不平，冰层与结构物不是全部接触而引入的折减系数。它与冰的硬度，结构物迎冰面的平整度有关，我国固定平台规范建议K2值取0.45。（4）b为桩柱宽度（或直径）。（5）h为冰层计算厚度，按实测资料
22、确定。我国固定平台规范建议，在实测资料不足时，一般对渤海和黄海北部沿海地区可取为： 辽东湾 h=1m 渤海湾 h=0.8m 莱州湾 h=0.7m 黄海北部沿海 h=0.8m2.5 2.5 冰载荷冰载荷 在水面变化范围内，采用带有倾斜面的桩柱可以减弱冰压力的作用。当冰压至斜面时，作用在斜面上的冰压力可以分解为垂直于斜面的法向力和沿斜面的斜向分力，该斜向分力使冰块沿斜面上升，法向力中分解出的垂直力使冰层产生弯曲或剪切力，使冰层破坏，分解出的水平力则明显地比直壁圆柱的挤压力小得多。在斜面桩柱上的冰作用力的分解如图2-13所示。2.5 2.5 冰载荷冰载荷当斜面角度为时，冰的法向挤压力为 N=Psin法向力分解的垂直力及水平力为 PV=Ncos=Psincos PH=Nsin=Psin2可见斜面桩柱上的冰作用力的水平分力是原来在直壁上冰挤压力的sin2倍。 冰载荷问题日益引起我国海洋工程界的重视，目前在我国渤海海区已开展了系统的冰情调查和海冰对结构物的作用力的研究。随着研究的深入，人们将会对冰载荷间题有更深刻的了解。
