1、海洋工程钢结构设计海洋工程钢结构设计Marine Engineering Steel Design 海洋工程（从地理的角度）n分为海岸工程、近岸工程和深海工程三大类。n海岸工程（Coastal Engineering）：位于波浪破碎带一线的工程。n近岸工程（Offshore Engineering）：位于大陆架范围内的工程，又称离岸工程。n深海工程（Deep Ocean Engineering）：位于大陆架以外的工程。n在通常情况下，这三者之间又有所重叠。1-陆地，2-大陆架，3-大陆坡，4-大陆架海隆，5-海盆2海底地形海洋工程（从结构角度）n固定式建筑物固定式建筑物（Stationary
2、Construction）：用桩或者是靠自身重量固定在海底，或是直接坐落在海底。n系留式建筑物系留式建筑物（Moored Construction）：是用锚和索链将浮式结构系留在海面上。它们有的露出水面，有的半露在水中，有的置于海底，还有一种水面移动式结构装置或是大型平台，可以随着作业的需要在海面上自由移动。风、浪、流、冰、潮汐、风暴潮和海啸、地震、不风、浪、流、冰、潮汐、风暴潮和海啸、地震、不稳定海床、海洋化学腐蚀等稳定海床、海洋化学腐蚀等海洋工程环境海洋工程环境环境条件复杂且随机性大结构尺度大且设计安全度要求高结构设计时考虑作用力的多样性海洋工程的特点施工方法的特殊性 第五章第五章 结构设
3、计的一般准则结构设计的一般准则General Standard of Structural Design 主要内容 Contentsn平台结构系统 Platform Structure System n结构构件与连接 Structural Element and Connection n设计过程 Design Process n安全要求 Safety Requirement n建造 Build n拖航、装配与转移 Towing、Fitting and Transfer n经济性 Economy引言引言 Introductionn结构设计的目的：安全、合理、经济n设计者必须具备多方面知识n载荷
4、loadn材料 materialn焊接技术 welding techniquen结构承载机理 load-bearing capacity of the structure n结构布置 structural arrangement 经济安全合理结构的安全合理经济关系 “结构安全”是结构设计的“基础”。平台结构系统平台结构系统 Platform Structure Systemn海洋石油平台海洋石油平台是海洋工程构筑物的典型代表。上部结构（平台）立柱 基础（沉垫）n海洋石油平台包括海洋石油平台包括固定式和移动式两类。海洋结构物 Offshore Structure 1.1 固定式固定式平台（平台（
5、fixed platform）：下部由桩、扩大基脚或其它构造直接支承并固着于海底，按支承情况分为桩基式和重力式两种。a.桩基式平台桩基式平台 pile supported platformn桩基式平台桩基式平台工作水深一般在10200米的范围内（个别平台超过300米）。n导管架型平台导管架型平台(Jacket platform):):在软土地基上应用较在软土地基上应用较多的一种桩基平台。多的一种桩基平台。上部结构一般由上下层平台甲板和层间桁架或立柱构成。基础结构（即下部结构）包括导管架和桩。桩支承全部荷载并固定平台位置。n塔架型平台塔架型平台(Tower-based platform):另一种
6、适于软土地基另一种适于软土地基的的桩基平台桩基平台。为减小挡水面积，桩均设置在腿柱内,排成圆形，桩顶与腿柱焊接，空隙内灌入水泥浆，以防止薄壁腿柱发生局部压屈，并使桩固定在腿柱下端。b.b.重力式平台重力式平台（gravity platform）：以其自身重力而不靠特殊的锚系获得永久条件下的稳定。n固定式钻井平台大都建在浅水中，它是借助导管固定式钻井平台大都建在浅水中，它是借助导管架固定在海底而高出海面不再移动的装置，架固定在海底而高出海面不再移动的装置，平台上面铺设甲板用于放置钻井设备。支撑固定平台支撑固定平台的桩腿是直接打入海底的的桩腿是直接打入海底的，所以，钻井平台的稳定性好，但因平台不能
7、移动，故钻井的成本较高。n固定式平台整体稳定性好，刚度较大整体稳定性好，刚度较大，受季节和气候的影响较小,抗风暴的能力强。缺点是机动性缺点是机动性能差能差,一经下沉定位固定，则较难移位重复使用。1.2 1.2 移动式移动式平台平台(flexible platform):n浮于水中或支承于海底，能从一井位移至另一井位，可分为坐底式、自升式、钻井式和半潜式四类平台。n移动式平台由于机动性能好,故一般均用于钻井。a.坐底式平台（坐底式平台（bottom-supported platform）：适用于水深为530米而且海底比较平坦的场合。b.自升式平台自升式平台（self-elevating plat
8、form）：由一个驳船式船体和若干能升降并能起支撑作用的桩腿组成，船体有足够的浮力。作业时平台被桩腿支撑并抬升到海面以上。转移时，把桩腿拔起，驳船式船体下降浮于水面，即可拖运到另一地点。适用于适用于5 59090米米。Jackup 自升式平台自升式平台 Jackup 自升式平台自升式平台 c.钻井船钻井船Drillship：把钻井设备安装在船体上，靠锚系或动力定位，在漂浮的状态下钻井。一般都有自航能力，可在几百米或上千米水深的海域工作，但对风浪极为敏感。d.半潜式平台（半潜式平台（Semi-submersible Unit）：主要由上部结构、下潜体、立柱及斜撑组成。它既可在10600米深的海域
9、工作,又能较好地适应恶劣的海况，但其经济水深一经济水深一般为般为100100300300米。米。上海船厂上海船厂“勘勘探三号探三号”钻井平台钻井平台，19841984年建成，为年建成，为半潜式平台。半潜半潜式平台。半潜式平台是目前深海式平台是目前深海钻井的主要装置。钻井的主要装置。Semi-submersible 半潜式钻油台半潜式钻油台 半固定式海洋平台：既能固定在深水中，又具有可移性。TLP unit 张力腿式平台张力腿式平台张力腿式平台（tension leg platform）：上部结构是浮体，通过收紧锚固在海底的缆索，使浮体的吃水深度比静平衡状态大一些，浮力大于浮体重力，剩余浮力由缆
10、索的张力来平衡。张力腿平台张力腿平台船形浮式系统船形浮式系统 半潜式平台半潜式平台立柱式平台立柱式平台海洋结构物与海洋环境因素的相互作用结构构件与连接结构构件与连接n构件包括轧制型钢、焊接型材或铆接型材（不构件包括轧制型钢、焊接型材或铆接型材（不常用）。常用）。n构件传递的载荷构件传递的载荷 张力载荷（缆索）压力载荷（柱）横向载荷（梁或板架）扭转载荷（轴）n大多数构件传递大多数构件传递的是某种形式的组合载荷。n构件间以电弧焊为主要的连接方式。三问：What?How?Which?n钢结构设计过程包括哪些阶段（What）?n每一阶段如何进行（How）?n设计者应关注哪些因素（Which）?设计过程
11、设计过程结构型式选择结构局部设计最后协调 工程的功能 要求的结构性能 作用 安全 作业、建造 及维修费用 美观需要强度、刚度可靠性经济性合理性如何进行结构型式的选择？确保“结构的安全”是首要条件 确定载荷 确定节点与构件的载荷效应确定构件与节点的强度 设计步骤选择材料与连接形式 评经验估算作用在评经验估算作用在一般的结构布置一般的结构布置上的载荷。上的载荷。波、浪流、冰地震平台甲板载荷浮力结构自重碰撞载荷爆炸载荷火灾载荷载荷环境载荷载荷效应意外载荷 建造建造基本加工过程防腐防火加工的经济性常取决于车间内的运送工作量厂家对结构的建造招标 设计人员确定车间施工详图车间号料基本加工过程在车间内运送材料 结构的防腐n材料的物理与化学环境n材料的组成n其上的涂层n防护薄钢构件比厚钢件更易于腐蚀！防腐蚀的有效方法是利用合金元素结构的防火n以“耐火能力小时数”来衡量结构的防火安全性n可使用耐火复层增强钢材的耐火性能诸如水泥、石灰板、石棉网等材料结构的经济性n经济核算要考虑结构的基本性能n在确保结构安全的基础之上，进行结构优化设计n政治形势影响结构费用 结构的基本性能：u 有效载荷能力u 甲板面积u 海上航道的利用及移动性u 适应水深情况u投资结构的优化选择取决于地理位置和现场环境等因素
