1、第二章第二章 设计荷载设计荷载第一节第一节 设计荷载分类设计荷载分类平台设计荷载平台设计荷载施工荷载施工荷载：平台建造、吊运、下：平台建造、吊运、下水、安装等阶段的暂时性荷载水、安装等阶段的暂时性荷载环境荷载环境荷载：风、波浪、海流、海：风、波浪、海流、海冰和地震等自然环境引起的荷载冰和地震等自然环境引起的荷载使用荷载使用荷载：使用期间除环境荷载：使用期间除环境荷载以外的各种荷载以外的各种荷载使用荷载使用荷载循环荷载循环荷载：机械往复运动：机械往复运动活动荷载活动荷载固定荷载固定荷载：水位一定时荷载为一定值。包水位一定时荷载为一定值。包括重力（平台、机械设备等重量）和浮力括重力（平台、机械设备
2、等重量）和浮力可变荷载：可变荷载：荷载的大小或位置随时荷载的大小或位置随时间缓慢变化，按静荷载处理。（储备间缓慢变化，按静荷载处理。（储备的液体、可移动的设备、人员走动等）的液体、可移动的设备、人员走动等）动力荷载动力荷载冲击荷载冲击荷载：驳船撞击、：驳船撞击、飞机起落飞机起落事故荷载事故荷载：重物降落等：重物降落等一、使用荷载二、施工荷载n吊装力吊装力：平台在预制和安装过程中作用于平台：平台在预制和安装过程中作用于平台组件的起吊力组件的起吊力n装船力装船力：吊装装船和滑移装船：吊装装船和滑移装船n运输力运输力：驳船装运或浮运：驳船装运或浮运n下水力下水力：下水过程中支点对导管架的支撑力：下水
3、过程中支点对导管架的支撑力n扶正力扶正力：浮吊将导管架吊起时导管架受到的力：浮吊将导管架吊起时导管架受到的力n地基反作用力地基反作用力：导管架服役时地基对导管架的：导管架服役时地基对导管架的作用力作用力n施工荷载是临时性荷载，一般不作为结构设计施工荷载是临时性荷载，一般不作为结构设计控制荷载，通常采取临时性措施解决。控制荷载，通常采取临时性措施解决。二、环境荷载n风、波浪、海流、海冰、地震施加到平台结构上的荷载第二节第二节 使用荷载使用荷载一、甲板荷载一、甲板荷载n取决于甲板上的工艺设备、机械设备、生活和生产设施等n绘制甲板荷载分布图，甲板上的最大均布荷载和集中荷载值n均布荷载要求：住所和走道
4、4KN/m2 工作区域8KN/m2 生产储存区按实际储存物重量计算，但需14KN/m2二、直升飞机着降荷载二、直升飞机着降荷载n根据制造厂家提供的数据计算n我国海上固定平台入级与建造规范规定，降落荷载不小于最大起飞重量的3倍。三、船舶停靠荷载三、船舶停靠荷载系缆力：系缆力：通过系船缆将船舶受到的外力传递给平台的力通过系船缆将船舶受到的外力传递给平台的力挤靠力挤靠力撞击力撞击力n由稳定的风、流作用于船体的系缆力、挤靠力等具有静力性质；由波浪或靠离操作产生的荷载具有动力性质 由船舶直接作用在平台上的力由船舶直接作用在平台上的力1 系缆力n风、浪、流作用于船舶上都产生系缆力，水线以上受风作用，以下受
5、海流和波浪作用（1）风产生的系缆力F当风向与船舶纵轴垂直时，每个系船柱上的系缆力：当风向平行船舶纵轴时，每个系船柱上的系缆力：0sincosnK FFn01coscosnK FFn（2）海流产生的系缆力Fn船舶系泊于平台，作用在船体上的水流力由形状阻力和表面摩擦力两部分组成n形状阻力：n表面摩擦力：n将这两部分力分解成垂直于船舶纵轴和平行于船舶纵轴的两个分力：n垂直于船舶纵轴的力为：n平行于船舶纵轴的力为：2sinDFKu A21.37mFA u()sinNDmFFF()cosTDmFFFcoscosnTK FFnsincosnNK FFn（3）波浪作用下的系缆力n与波浪要素和船舶动力特性有关
6、，主要用模型试验方法确定，在初步估算时刻采用布莱恩经验公式：228.97()sin2HFL2 挤靠力n停靠在平台的船舶受风、流或冰的作用，通过防冲设施传递给平台且方向指向平台的作用力。随时间变化很小，具有静力性质。n当风向垂直船舶纵轴时，船舶作用于平台的挤靠力:n防护设施连续布置：n防护设施间断布置：0jjK FFl0jjK FFn 3 撞击力（1）船舶靠泊时的撞击力计算n船舶以速度u向平台靠泊时，动能的一部分损失掉，另一部分被船体、防撞设施和平台的变形所吸收，这部分称为有效动能有效动能。n有效动能被撞击的平台、防撞设施和船体变形吸收：2211sin22ddnECm uC mu123EFn设撞
7、击前变形为零，各部分是弹性变形，则：n代入整理得最大撞击力：max/2FF123max123FCCCmax123dnmFC uCCC（1）船舶靠泊的法向速度unn与船舶状况、自然环境、靠船装置的布置、靠船操作方法及操作人员技术等有关。n有掩护水域的大型船舶靠泊时速度小于10cm/s，无掩护水域可达20cm/s（2）有效动能系数Cdn有效动能与全部能量之比n影响因素很多，如附加水体质量、水体阻力、船舶横摇和回转等。n很难准确确定，对于大型油轮的靠泊，可采用下式：dSmeCCCC（3）平台、防冲设施及船体的变形系数C1，C2，C3n桩基平台：n当采用护木及缓冲碰垫时n防冲设施采用橡胶材料时，假定有
8、效撞击动能全部由防碰设施吸收n橡胶防碰设施性能曲线，由吸收能量查得变形，再由变形查得反力，即船舶撞击力2012dnuEC muE（2）系泊时波浪作用引起的撞击力影响因素多，难以从理论上推导计算公式。试验给出波浪作用下船舶撞击时最大法向速度：有效撞击能量：分配在每个靠船墩上的有效撞击能量：根据橡胶防撞设施性能曲线确定撞击力当性能曲线为直线时，每个靠船墩上的撞击力为：ntH huaTBh2012mnEC mu0EEKnmaxmnKC mFunc第三节第三节 风荷载风荷载n风荷载特点：作用点高、力矩大、并有动力效应。n风荷载作用结果：使平台产生位移、摇动或疲劳。n风荷载对结构物的作用力：使结构物迎风
9、面受到压力，背风面受到吸力，侧面受到摩擦力。n工程设计中，风的长周期变化一般按静态处理，短周期脉动按准动态处理。作用在高而细的柔性建筑物上时需考虑动力效应。一、基本风压的计算公式一、基本风压的计算公式n风压：垂直于流向的平面上所受到的具有一定流速的气流的作用。n假设空气流动为稳定流，根据伯努利方程得：风速的确定风速的确定n我国我国海上固定平台入级与建造规范海上固定平台入级与建造规范规定的设规定的设计风速选取标准是：平均海平面以上计风速选取标准是：平均海平面以上10m处，重处，重现期为现期为50年，时距为年，时距为1分钟的平均最大风速或时分钟的平均最大风速或时距为距为10分钟的平均最大风速。前者
10、用于局部构件分钟的平均最大风速。前者用于局部构件的基本风压计算，后者用于结构总体分析的基本的基本风压计算，后者用于结构总体分析的基本风压计算。风压计算。二、作用在结构物上的风荷载二、作用在结构物上的风荷载n风载荷的影响因素：风载荷的影响因素：基本风压值、建筑物受风面积、在风场中的空间位置、结构形式、挡风效果、风速沿高度的变化，对高耸建筑物还要考虑风的动力作用。n风荷载的计算公式：风荷载的计算公式：1 风载体型系数Kn在建筑物表面引起的实际压力与基本风压的比值，它表示建筑物表面静压力的分布规律，主要与建筑物的结构形状有关。表2-52 风压高度变化系数KZn风速随高度变化，计算中给出的设计风速是标
11、准高程10m处的风速值u0，其他高度的风压应乘以风压高度变化系数，表2-63 风振系数n平台上高耸结构，风压力应为基本风压乘以风振系数，表2-7Z第四节第四节 波浪荷载波浪荷载n静水面附近波浪力最大，减小静水面附近区段结构的尺寸可减小波浪力。n波浪力的大小与波高、波周期、水深、结构物尺寸及形状等因素有关。n波浪对海洋结构物的作用有四种效应：（1）流体的粘滞性引起的粘滞效应（阻力阻力）（2）流体运动的惯性和结构物存在引起的附加质量效应（惯惯性力性力）（3）结构物存在对入射波浪的散射效应（4）结构物与流体自由表面之间的自由表面效应n散射效应和自由表面效应总称为绕射效应绕射效应。大尺度结构物应考虑绕
12、射效应。n小尺度结构物（）波浪的作用主要是阻力和惯性力，采用莫里森方程莫里森方程计算波浪力。0.2D一、作用于孤立桩柱上的波浪力计算 n波浪作用在小尺度孤立桩柱上时，形成波浪绕流。当桩柱间距L大于4倍桩柱直径D时，桩柱周围波浪绕流基本上不受影响，格桩柱可认为是孤立桩柱，各桩柱间受力不受干扰。1.莫里森方程莫里森方程惯性力惯性力阻力阻力n应用莫里森方程时，必须满足一下假定：应用莫里森方程时，必须满足一下假定：（1）水质点的瞬时速度和加速度必须依据某种波浪理论确定，如线性波理论等。假定结构是小尺度，满足 。水质点的速度和加速度采用构件中心处的数值。（2）CD和CM系数须根据经验或实验确定（3）假定
13、结构是刚体，如果结构物有动力反应应考虑动力效应。（4）CD值只适用于表面摩擦力很小的构件。0.2D2.孤立桩柱波浪力计算孤立桩柱波浪力计算n波浪运动中水质点速度和加速度沿水深而变化。波浪运动中水质点速度和加速度沿水深而变化。n水质点的水平速度和加速度由波浪理论确定。水质点的水平速度和加速度由波浪理论确定。n用莫里森方程和线性波理论计算桩柱波浪力：用莫里森方程和线性波理论计算桩柱波浪力：二、群桩波浪力计算1 波剖面效应波剖面效应n群桩的各桩间相距一定距离，各桩所在位置处波浪相位角不同，因此，在同一时刻各桩的受力也不同，这种想象称为波剖面效应。n某一波浪作用下，相位角是时间和位置的函数：n求群桩所
14、受的波浪力，则需求在某一时刻各桩受力总和，这一合力随波浪周期在变化。2 群桩效应群桩效应n当桩间距与桩径之比 时，桩与桩之间的波浪作用会产生不可忽略的影响，每根桩在群桩中的位置不同，影响不同，当桩列平行于波浪行进方向时，前桩对后桩有掩护作用，称为遮帘作用；当垂直时，同一列桩之间产生相互干扰，称为干扰作用。这两种作用就是群桩效应群桩效应。n桩列平行波向时，后桩极值比前桩极值要小，桩列垂直波向时，各桩受力比无干扰时受力要大。我国港口规范规定，群桩上的波浪力乘以群桩系数K加以修正。表2-84l D 三、水下水平构件的波浪力n水平构件：构件轴线位于同一高程，构件断面尺寸与轴线长度之比很小，且沿长度方向
15、各断面尺寸相同。（如导管架水平支撑杆、海底管线）n水平构件受波浪力：水平波浪力和垂向波浪力n水平构件和波浪入射方向的关系：1 构件轴线垂直波向（1）构件上的水平波浪力（2）构件上的垂直波浪力2 构件轴线平行波向（1）构件上的水平波浪力）构件上的水平波浪力：n仅迎浪端面受水平波浪力作用，可用轴线处波压强计算断面波压力（2）构件上的垂直波浪力）构件上的垂直波浪力n同一时刻轴线上的垂直波浪力随波浪相位角变化，不同时刻整个构件上的垂直波浪力的合力也在变化，类似群桩波剖面效应，可分段近似计算或对整个构件沿轴线积分n单位长度上的垂直波浪力：四、阻力系数和惯性力系数n与结构物表面粗糙度、雷诺数、流/波速度比
16、和杆件的方位有关。n根据实验确定。n规矩规范确定。五、海生物附着对波浪力的影响对波浪力的影响：对波浪力的影响：n粗糙度增大阻力系数增大n构件的尺寸增大排水体积增大，阻力和惯性力都增大计算波浪力：计算波浪力：n阻力：构件尺寸应按海生物附着后实际增大的尺寸考虑，阻力系数应根据粗糙度乘以增大系数k，表2-9。n惯性力：构件尺度按海生物附着后实际增大的尺度来考虑。六、设计波高的确定n美国、日本等国大多采用部分大波的平均波高。该方法按大小将波高顺序排列，取最高的p个波高计算平均值。H1/3,H1/10等。n设计波高应取服役海域某一重现期内波高的极值，根据所在海域波浪情况和结构物重要性，合理、综合考虑。第
17、五节第五节 海流荷载海流荷载海流海流余流余流：水文、气象等因素引起的：水文、气象等因素引起的海水流动，风海流是主要组成部海水流动，风海流是主要组成部分。分。潮流潮流：因潮汐涨落产生的周期性：因潮汐涨落产生的周期性海水水平流动海水水平流动一、海流荷载计算n计算海流对结构物的作用力时，可把海流看成稳定流，认为海流对结构物的作用力仅有阻力。n对圆形构件单位长度上的海流荷载为：n海流力的作用方向与海流方向相同，作用点的位置：（1）上部构件：作用在阻水面积的形心处（2）下部构件：在顶面位于水面以下时，作用在顶面以下1/3高度处；在顶面位于水面以上时，作用在水面以下1/3水深处。212LDLFCAu g二
18、、卡门涡流n当桩柱轴向尺度比宽度大时，除产生阻力外，还产生规则的涡旋脱离，即卡门涡流现象。n涡流从圆柱两侧交替分离，产生与流向正交的振动力。当振动频率与结构自振频率接近时，结构产生显著的动力效应，甚至发生共振。n涡旋脱离频率：n涡旋脱落对结构物不仅有动力放大作用，还有疲劳作用。LufSD第六节 冰荷载一、海冰对平台作用的主要形式一、海冰对平台作用的主要形式（1）巨大冰原包围平台，对平台产生挤压力挤压力（2）流冰对平台的冲击作用冲击作用（3）对结构的拖曳力、垂直作用力拖曳力、垂直作用力（4）流冰期间冰块对结构物的摩擦作用摩擦作用影响冰压力的因素：影响冰压力的因素：n海冰的特性：冰块的尺度，物理、
19、力学性质等n结构物的型式：结构物形状、尺寸、刚度、变形等n海洋环境条件：气温、水温等二、大面积冰原挤压直立桩柱时冰压力计算二、大面积冰原挤压直立桩柱时冰压力计算 冰压力 桩柱形状系数 冰块的极限抗压强度 局部挤压系数 桩柱与冰层的接触系数 桩柱宽度 冰层计算厚度12jFmK K R bhFmjR1K2Kbh三、流冰对桩柱的冲击荷载计算三、流冰对桩柱的冲击荷载计算n从物体撞击的能量守恒观点出发，以三角形端部桩柱为例，压力公式为：1jjFmK R b h2 tanjbx1/21(1/)Kh b1/22(1/)tanjFmhh bR x1/220=(1/)tanxjWFdxmR hh bx功212K
20、EBLh uKEW功1/21/41.34(tan)(1/)jFuh BLR mh b四、群桩冰压力计算四、群桩冰压力计算n群桩的遮蔽效应，工程上采用冰压力折减系数法。n导管架内部冰形成堵塞：1 非堵塞n导管架总冰压力为各腿柱和立管的冰压力之和，应考虑腿柱和立管间的相互影响（1）桩柱的遮蔽效应：图2-10（2）立管的遮蔽效应：图2-112 部分堵塞n部分堵塞多发生在导管架内部构件密集处，总冰压力为堵塞区冰压力与所有腿柱上的冰压力之和。3 全部堵塞n一般不考虑全部堵塞的情况第七节 地震荷载一、概述一、概述n海底也会发生地震。我国渤海、黄海以及东南沿海地区都海底也会发生地震。我国渤海、黄海以及东南沿
21、海地区都属于地震带。属于地震带。二、近海平台抗震验算的原则和要求二、近海平台抗震验算的原则和要求三、地震惯性力计算三、地震惯性力计算1 地震荷载地震荷载n地震过程中，振动的建筑物产生惯性力，主要包括地震惯性力、地震动水压力和地震动土压力，这三种力称为地震荷载。n近海平台所受的地震荷载主要为地震惯性力和动水压力。n地震惯性力的计算可根据平台的质量分布，按单质点体系或多质点体系进行计算。2 单质点体系水平地震惯性力单质点体系水平地震惯性力n地震惯性力计算通常采用地震响应谱法。n地震响应谱是单质点系统在地震时对实际地面运动引起的最大加速度与该系统的阻尼比和自振周期的函数关系。n平台自振周期T可由实测
22、或动力模型试验求得。这样就可以根据结构自振周期和场地土类型直接求得动力放大系数n近海平台导管架下部支承结构的质量比上部平台小的多，可简化为整理质量集中在甲板的单质点体系。n平台按单质点体系计算时，平台甲板处水平向总地震惯性力计算公式为：HHFCKmg3 多指点体系水平地震惯性力多指点体系水平地震惯性力n多质点体系的地震惯性力计算通常采用振型叠多质点体系的地震惯性力计算通常采用振型叠加法。加法。n平台按多质点体系计算时，平台质点平台按多质点体系计算时，平台质点 在在 阶阶模态振型中水平向的地震惯性力模态振型中水平向的地震惯性力 按下式计算：按下式计算：ijijFijHjijjiFCKxW四、地震动水压力计算四、地震动水压力计算n地震时任意向细长构件的水下部分所受到地震时任意向细长构件的水下部分所受到的动水压力的动水压力p按下式计算按下式计算2sin(,)HmpCKC Vi l第八节 荷载组合一、结构构件分类一、结构构件分类n主要结构构件n次要结构构件二、作用在结构构件上的荷载二、作用在结构构件上的荷载1、作用在主要结构构件上的荷载n建造与安装荷载、使用荷载、环境荷载2、作用在次要结构构件的荷载n荷载通过次要构件将力传给主要构件，荷载直接作用在次要构件上，每一构件都应满足在该构件产生的最大应力荷载条件。三、荷载组合的原则四、荷载组合种类
