1、 第二章 海洋工程结构载荷天津大学建筑工程学院船舶与海洋工程系2015年5月 海洋平台结构在环境载荷作用下，发生过许多重海洋平台结构在环境载荷作用下，发生过许多重大灾难性事故。大灾难性事故。1961年，美国新泽西州近海年，美国新泽西州近海TEXAS平平台被暴风摧毁，死亡台被暴风摧毁，死亡28人；人；1979年，我国的自升式钻年，我国的自升式钻井平台渤海井平台渤海2号在移位过程中，因为操作不当而翻沉，号在移位过程中，因为操作不当而翻沉，死亡死亡70余人；余人；1980年，北海挪威年，北海挪威EKOFISK油田的一座油田的一座半潜式平台半潜式平台ALEXANDER KIELLAND号因结构疲劳号因
2、结构疲劳破坏发生倾覆，死亡破坏发生倾覆，死亡120人；人；1981年，在加拿大东部近年，在加拿大东部近海，一座半潜式平台钻井平台在风暴中失事，死亡数海，一座半潜式平台钻井平台在风暴中失事，死亡数十人。因此，充分认识海洋结构所处海洋环境的特点十人。因此，充分认识海洋结构所处海洋环境的特点和风险和风险,并且合理评估钻井平台载荷并且合理评估钻井平台载荷,是十分必要的。是十分必要的。一、载荷分类1、环境载荷：、环境载荷：直接或间接由于环境作用引起的载荷。直接或间接由于环境作用引起的载荷。(1)风载荷风载荷 (2)波浪载荷波浪载荷 (3)海流载荷海流载荷 (4)海洋环境诱发载荷：海洋环境诱发载荷：系泊载
3、荷、运动惯性力、系泊载荷、运动惯性力、液体舱晃荡力等。液体舱晃荡力等。2、重力载荷：、重力载荷：静水条件下由平台重量及作业静水条件下由平台重量及作业引起的载荷。引起的载荷。(1)平台重量平台重量 (2)作业载荷作业载荷 (3)甲板载荷甲板载荷 (4)露天甲板上积聚的水、冰及雪载荷。露天甲板上积聚的水、冰及雪载荷。作用在平台上的各种载荷应根据可靠的、足够的实测作用在平台上的各种载荷应根据可靠的、足够的实测资料进行统计分析。环境载荷的计算可采用公认的理论公资料进行统计分析。环境载荷的计算可采用公认的理论公式，必要时应作数字模拟计算或物理模拟试验来决定。式，必要时应作数字模拟计算或物理模拟试验来决定
4、。二、风与风载荷风是空气的流动，风的强弱以风速大小表示。风是空气的流动，风的强弱以风速大小表示。具有一定速度的风受到结构物阻挡时即对之产生具有一定速度的风受到结构物阻挡时即对之产生作用力。作用于海洋结构上的有水平风力和风力作用力。作用于海洋结构上的有水平风力和风力矩。下面介绍如何确定设计风速及由风速推算风矩。下面介绍如何确定设计风速及由风速推算风载荷大小的办法。载荷大小的办法。1.设计风速的确定设计风速的确定海上移动平台入级与建造规范（海上移动平台入级与建造规范（2005年）年）中确定设计风速选取标中确定设计风速选取标准是：无限航区作业平台，最小设计风速分别为准是：无限航区作业平台，最小设计风
5、速分别为100kn和和70kn：（1）自存工况风速）自存工况风速:51.5m/s(100kn1.8531000/3600=51.47m/s)（2）正常作业工况：）正常作业工况：36m/s(70kn)对于具有作业限制附加标志的平台，其正常作业工况的风速可以减小，对于具有作业限制附加标志的平台，其正常作业工况的风速可以减小，但不应该小于但不应该小于25.8m/s。按照实际海域的观测资料确定风速，取重现期为按照实际海域的观测资料确定风速，取重现期为50年的风速。当无条年的风速。当无条件进行海、陆大风风速间相关分析时，可用陆上风速乘以风速增大系数件进行海、陆大风风速间相关分析时，可用陆上风速乘以风速增
6、大系数代替海上风速。海上风速与陆上风速之间关系可以查表确定，一般海上代替海上风速。海上风速与陆上风速之间关系可以查表确定，一般海上风速为陆上风速的风速为陆上风速的1.11.3。2.风载荷风载荷 风载荷包括风的拖曳力和升力。风载荷包括风的拖曳力和升力。（1）风压的确定）风压的确定 海平面以上海平面以上10m处的风压值为基本风压。计算公式为处的风压值为基本风压。计算公式为 （）V-设计风速，或者经观测资料分析得到的设计风速，或者经观测资料分析得到的50年重现期风速年重现期风速。（2）风载荷）风载荷-拖曳力拖曳力 影响风载荷的两个因素：影响风载荷的两个因素：1）高度因素）高度因素 风压高度系数的确定
7、：风速受到海洋表面粗糙度的影响，离海平面越近，风压高度系数的确定：风速受到海洋表面粗糙度的影响，离海平面越近，风速越低。计算结构物不同高度处的风压强时，需乘以风压高度变化风速越低。计算结构物不同高度处的风压强时，需乘以风压高度变化系数，其表示实际高度位置风压与海面以上系数，其表示实际高度位置风压与海面以上10米处风压的倍数。米处风压的倍数。2310613.0VPakP2）构件的外形因素）构件的外形因素 引进受风构件形状系数引进受风构件形状系数 表示构件对风的阻挡效应。表示构件对风的阻挡效应。表示风表示风吹到结构物表面引起的实际风压与按结构物轮廓挡风面积计算所得吹到结构物表面引起的实际风压与按结
8、构物轮廓挡风面积计算所得到的理论风压的比值。主要与结构物的体型、尺度有关。到的理论风压的比值。主要与结构物的体型、尺度有关。规范中给出的风载荷计算公式为：规范中给出的风载荷计算公式为：（kn）（2.1）式中，式中，受压构件的高度系数；受压构件的高度系数；风载荷形状系数；风载荷形状系数；S平台正浮或倾斜状态时，平台正浮或倾斜状态时，受风构件的正投影面积，即垂直于风受风构件的正投影面积，即垂直于风向的轮廓投影面积向的轮廓投影面积。sCsCsCSPCCFshhCsC按照风压中心到海平面以上的高度选取高度系数按照风压中心到海平面以上的高度选取高度系数 表表1.高度系数表高度系数表hChC表表2.结构形
9、状系数表结构形状系数表sC（3）考虑脉动风压的风力计算）考虑脉动风压的风力计算 对于平台上高耸结构，其柔性较小，某些风速作用下诱发风激振对于平台上高耸结构，其柔性较小，某些风速作用下诱发风激振动。比如，动。比如，渤海渤海4号号为桁架式桩腿，设计水深为桁架式桩腿，设计水深91.5米，在渤海湾作米，在渤海湾作业时，由于桩腿外伸出船体数十米，曾发生过严重的风激振动现业时，由于桩腿外伸出船体数十米，曾发生过严重的风激振动现象。所以对桩腿一类高耸柔性结构，考虑风的动力效应是需要的，象。所以对桩腿一类高耸柔性结构，考虑风的动力效应是需要的，而不能仅仅考虑静风力。而不能仅仅考虑静风力。风速随时间变化，是时间
10、的函数，因此风压力本质上是动载荷。风速随时间变化，是时间的函数，因此风压力本质上是动载荷。由于高耸结构比如桩腿基本自振周期较长，在风载荷作用下具有由于高耸结构比如桩腿基本自振周期较长，在风载荷作用下具有明显的动力效应。当高耸结构基本自振周期明显的动力效应。当高耸结构基本自振周期 这种动力作用就不容忽视。这种动力作用就不容忽视。0.5Ts结构动风荷载应按下式计算结构动风荷载应按下式计算 （N）（2.2）式中式中 风振系数。一般风振系数。一般 可按照表可按照表1.3取值：取值：表表3.风振系数风振系数2613.0SVCCFsh（4）风的升力计算）风的升力计算 对于大面积的平面结构，如直升机平台甲板
11、，风对其作用一方对于大面积的平面结构，如直升机平台甲板，风对其作用一方面引起风向的拖曳力，此外引起垂直于结构表面的作用力，称为面引起风向的拖曳力，此外引起垂直于结构表面的作用力，称为升力升力。风向风向 风的升力风的升力 图图1.风的升力示意图风的升力示意图 特别当平台倾斜时，升力的作用影响移动式平台的特别当平台倾斜时，升力的作用影响移动式平台的稳性，甚至导致倾覆。升力的计算公式为：稳性，甚至导致倾覆。升力的计算公式为：（N）（2.3）式中，式中，为升力系数；其余符号意义同前。在为升力系数；其余符号意义同前。在DNV规规范中，给出了不同结构形状的升力系数，可供计算时范中，给出了不同结构形状的升力
12、系数，可供计算时使用。使用。SVCFLL2613.0LC三、波浪载荷 波浪载荷时设计海洋桩基平台的重要环境载荷波浪载荷时设计海洋桩基平台的重要环境载荷之一。作用在结构上波浪力的大小除与结构所在海之一。作用在结构上波浪力的大小除与结构所在海区的设计水深、结构形状和尺寸大小有关外，主要区的设计水深、结构形状和尺寸大小有关外，主要取决于根据平台设计标准所选取的波浪参数或海浪取决于根据平台设计标准所选取的波浪参数或海浪谱。谱。1波浪参数波浪参数（1）设计波高：）设计波高：根据平台所在位置及附近海域长期实测资料（要根据平台所在位置及附近海域长期实测资料（要求不少于一年），推算不同重现期的设计波高。我国求
13、不少于一年），推算不同重现期的设计波高。我国海上移动海上移动平台入级与建造规范平台入级与建造规范规定的设计波高的选取方法：规定的设计波高的选取方法：（2.4）最大波高的可能值，根据波数选取，最大波高的可能值，根据波数选取，称为特征称为特征波高，可由规范确定；波高，可由规范确定；破碎临界波高，根据规范选取。破碎临界波高，根据规范选取。),(maxbdHHMinHmaxHmaxHbH渤海深水波高为：渤海深水波高为：对应波数对应波数 。其中其中 ,1/3 波高有义值。波高有义值。波数计算公式：波数计算公式：或或 ，和和 分别为波长和波浪频率。分别为波长和波浪频率。浅水设计波高为：浅水设计波高为：比值
14、可由规范直接确定；比值可由规范直接确定；波高的平均值：波高的平均值：。31maxH)0.253.1(H200010031H2kgk2maxHH比值6.13/1HH H（2）波浪周期）波浪周期 某一重现期的最大波高的可能值某一重现期的最大波高的可能值 所对应的周期所对应的周期T，应采用使平台结构产生最大应力值的周期。周期应采用使平台结构产生最大应力值的周期。周期T的范围的范围为为 一般波浪周期一般波浪周期T均小于均小于20s,而周期为而周期为 时，已达时，已达到破碎极限。实际工程的计算方法是：采用不同的波浪周到破碎极限。实际工程的计算方法是：采用不同的波浪周期，计算平台的应力，直至得到平台的最大
15、应力。期，计算平台的应力，直至得到平台的最大应力。sTH205.6maxmaxHmax6.5H2.海浪谱海浪谱 从波浪实际观测中发现，海面的波动是一个随机的过程，波面高从波浪实际观测中发现，海面的波动是一个随机的过程，波面高度随机变化，波动周期时长时短。工程中常用郎尤特度随机变化，波动周期时长时短。工程中常用郎尤特-黑金斯黑金斯（Longuet-Higgins）提出的海浪模型。这个模型时把海上一固）提出的海浪模型。这个模型时把海上一固定点的水面波动用多个随机余弦波的叠加来描述，其表达式为定点的水面波动用多个随机余弦波的叠加来描述，其表达式为 （2.5）式中式中 第第n个余弦组成波的振幅，个余弦
16、组成波的振幅，m；第第n个余弦组成波个余弦组成波的圆频率的圆频率，；第第n个余弦组成波的随机初相角，它是个余弦组成波的随机初相角，它是均匀分布均匀分布 于范围内的随机量。于范围内的随机量。1cosnnnntAw tnAnw/rad sn)20(如果把介于如果把介于()范围内的各组成波的振幅平方之半叠范围内的各组成波的振幅平方之半叠加起来，并除以包含所有这些组成波的频率范围加起来，并除以包含所有这些组成波的频率范围 ，所得的，所得的值将是一个的函数，即值将是一个的函数，即 （2.6）而而 相当于在单位频率间隔内海浪的平均能量相当于在单位频率间隔内海浪的平均能量,相当相当于能量密度相对于组成波频率
17、的分布函数，这个函数称为谱。于能量密度相对于组成波频率的分布函数，这个函数称为谱。由于其实质是代表海浪的能量，所以称为能谱，又因为它是能由于其实质是代表海浪的能量，所以称为能谱，又因为它是能量相对于频率的分布，因而也称为波浪频谱。量相对于频率的分布，因而也称为波浪频谱。2iA211)(SnnSw S 根据波浪谱，可以求出波浪的统计量。如果缺乏结构海区的实根据波浪谱，可以求出波浪的统计量。如果缺乏结构海区的实际海浪谱资料，可以采用下列两种海浪谱：际海浪谱资料，可以采用下列两种海浪谱：（1）Pierson-Moskowitz(P-M)谱谱 产生与产生与1963年，对北大西洋充分发展的海浪统计的结果
18、年，对北大西洋充分发展的海浪统计的结果 （2.7）式中，式中，a菲利普经验常数，菲利普经验常数，a0.0081；g重力加速度，重力加速度，,海面以上海面以上19.5m处的风速。处的风速。264expnnSwag wBw419.50.74/Bg U19.5U（2）Bretschneider谱谱 适用于风的作用范围相对小的水域，其表达式为适用于风的作用范围相对小的水域，其表达式为 （2.8）式中，式中，；有效波高，有效波高，有效波周期。有效波周期。根据海浪谱，可求出一系列简谐波的波高及波浪周期。根据海浪谱，可求出一系列简谐波的波高及波浪周期。54expnnSwAwBw241/3262SAHT410
19、52sBT1/3HsT3.小尺度孤立桩柱上的波浪力计算小尺度孤立桩柱上的波浪力计算(周周2)对于构件直径与波长之比小于或等于对于构件直径与波长之比小于或等于0.2（）时的构）时的构件，称为小尺度构件。件，称为小尺度构件。（1）垂直小尺度构件上的波浪力）垂直小尺度构件上的波浪力 图图2.海流垂直于小尺度构件海流垂直于小尺度构件/D 单位长度上的波浪力单位长度上的波浪力 ，可采用莫里森（，可采用莫里森（Morrison）公式计算。）公式计算。根据根据Morrison公式，单位长度上的波浪力为：公式，单位长度上的波浪力为：（）式中，拖曳力为式中，拖曳力为 （2.9）其中；其中；海水密度；海水密度；拖
20、曳力系数，由试验确定，如试验资拖曳力系数，由试验确定，如试验资料不足时，圆形构件料不足时，圆形构件 ；垂直于构件轴线的水质垂直于构件轴线的水质点的速度分量；点的速度分量；垂直于构件轴线的构件运动速度分量。垂直于构件轴线的构件运动速度分量。fIDfff/N m)(21xuxuACfwDDwDC)2.16.0C(dux u单位长度的惯性力为单位长度的惯性力为 =附连水惯性力附连水惯性力+构件排开水的惯性力构件排开水的惯性力 单位长度构件体积；单位长度构件体积；附连水质量系数。附连水质量系数。（2.10）惯性力系数，由试验确定，在试验资料不足时，圆形构件惯性力系数，由试验确定，在试验资料不足时，圆形
21、构件取取 ；垂直于构件轴线的水质点相对于构件的加速度分量垂直于构件轴线的水质点相对于构件的加速度分量；垂直于构件轴线的水质点相对于构件的加速度分量垂直于构件轴线的水质点相对于构件的加速度分量。uVxuVCfwwAI)(VAC)(xCuCVfAMwI MC02311.)(AMCCu u 水平波浪力水平波浪力 由两个部分组成，一是波浪水质点运动的水平速度由两个部分组成，一是波浪水质点运动的水平速度 引起的拖曳力引起的拖曳力 ;另一是波浪水质点运动的水平加速度另一是波浪水质点运动的水平加速度 引起的引起的惯性力惯性力 。当进行桩基平台结构静力分析时，当进行桩基平台结构静力分析时，、可取为水质点的水平
22、速度可取为水质点的水平速度与水平加速度。同时因构件直径远小于设计波浪的波长，可认为与水平加速度。同时因构件直径远小于设计波浪的波长，可认为构件的存在对波浪运动无显著影响，此时，构件的存在对波浪运动无显著影响，此时，、可取在桩柱中心可取在桩柱中心垂线位置上的波浪水质点水平速度与水平加速度值。垂线位置上的波浪水质点水平速度与水平加速度值。作用于垂直桩柱上的总水平波浪力作用于垂直桩柱上的总水平波浪力F可由下式计算可由下式计算 （N）（2.11）式中式中 静水面以上波动水面高度。静水面以上波动水面高度。dIDdzffF0)(fuDfu Ifuu uu If（2）倾斜圆柱形构件上的波浪力）倾斜圆柱形构件
23、上的波浪力 倾斜圆柱形构件如图图倾斜圆柱形构件如图图3所示。所示。图图 3.圆柱形倾斜构件圆柱形倾斜构件 构件轴线与构件轴线与z轴夹角为轴夹角为 ，平面上投影与，平面上投影与x 轴夹角为轴夹角为 。倾斜构件上。倾斜构件上波浪力仍按照莫里森公式计算，但是需要将莫里森公式写成矢量形波浪力仍按照莫里森公式计算，但是需要将莫里森公式写成矢量形式，即在空间坐标系下确定出垂直构件轴线方向的流体质点速度和式，即在空间坐标系下确定出垂直构件轴线方向的流体质点速度和加速度。将莫里森公式写成矢量形式，则可得到深度为加速度。将莫里森公式写成矢量形式，则可得到深度为y处单位长度处单位长度上波浪力的一般表达式上波浪力的
24、一般表达式 （2.12）式中式中 与与 是水质点速度与加速度的法向矢量（垂直于构件轴是水质点速度与加速度的法向矢量（垂直于构件轴线），线），为水质点速度法向矢量的模。为水质点速度法向矢量的模。n2nnDw4DCwwC21t)f(y,Mnwnw nw在三维坐标系下，法向矢量可表示为在三维坐标系下，法向矢量可表示为 得到倾斜构件波浪力计算的莫里森公式为得到倾斜构件波浪力计算的莫里森公式为nzknyjnxinwnzknyjnxinwnznynxMnznynxD42DCnwC21zFyFxFt)(y,f 由速度分量表达法向速度矢量由速度分量表达法向速度矢量:由速度分量表达法向加速度矢量由速度分量表达法
25、向加速度矢量:4、波浪理论与有关公式、波浪理论与有关公式 在确定了流体质点速度和加速度的情况下，波浪力很容易由莫里森在确定了流体质点速度和加速度的情况下，波浪力很容易由莫里森公式计算。所以确定流体质点速度和加速度是关键问题。公式计算。所以确定流体质点速度和加速度是关键问题。计算波浪力时，应根据设计波高计算波浪力时，应根据设计波高 H、周期、周期T和水深和水深d 选用适当的波选用适当的波浪理论。根据水深波长比（浪理论。根据水深波长比（d/L）、波高水深（）、波高水深（H/d）比可提出常用）比可提出常用的波浪理论适用范围。的波浪理论适用范围。（1）当）当 、时，采用线性波理论，适用于波幅较小情时，
26、采用线性波理论，适用于波幅较小情况；况；0.2dL0.2Hd（2）当）当 、时采用有限振幅波理论（司托克斯时采用有限振幅波理论（司托克斯波理论）；适用于波高较大情况，由于该理论没有涉及水深的影波理论）；适用于波高较大情况，由于该理论没有涉及水深的影响，不适合于浅水情况。响，不适合于浅水情况。（3）当时）当时 （浅水），采用椭圆余弦波理论，（浅水），采用椭圆余弦波理论，此时，由于水浅，水深影响水的流动，所以必须考虑水深求流速此时，由于水浅，水深影响水的流动，所以必须考虑水深求流速和加速度。和加速度。0.10.2dL0.2Hd1.0)L/d(05.004.0米哈特（米哈特（MehauteMehau
27、te）19761976年给出了不同波浪理论的适用范围，年给出了不同波浪理论的适用范围，如下图如下图：图图4 4 波浪理论的适用范围波浪理论的适用范围5.群桩最大波浪载荷群桩最大波浪载荷 各个桩的波浪力与波浪相位角的有关，所以对桩群应根据不同的各个桩的波浪力与波浪相位角的有关，所以对桩群应根据不同的波剖面位置来确定作用于其上的最大总波浪载荷。波剖面位置来确定作用于其上的最大总波浪载荷。（1）桩排垂直于波行进方向：）桩排垂直于波行进方向：由于均位于相同的波浪相位上，故最由于均位于相同的波浪相位上，故最大波浪载荷是单桩最大波浪力与桩数的乘积；大波浪载荷是单桩最大波浪力与桩数的乘积；图图5.桩排垂直于
28、波行进方向桩排垂直于波行进方向 图图6.平行于波行进方向的桩列平行于波行进方向的桩列（2）平行于波行进方向的桩列：）平行于波行进方向的桩列：由于各桩所对应波浪的相位不同，由于各桩所对应波浪的相位不同，此时最大波浪载荷应考虑为同一时刻各桩所受波浪力的叠加。此时最大波浪载荷应考虑为同一时刻各桩所受波浪力的叠加。（3）群桩效应：）群桩效应：由于群桩按排或列布置，在平台设计中，应考虑群由于群桩按排或列布置，在平台设计中，应考虑群桩的遮蔽效应和相互干扰作用。作用在一个构件上的波浪力，将桩的遮蔽效应和相互干扰作用。作用在一个构件上的波浪力，将受到与之靠近的另一个构件尾流场的影响。前面构件尾流的旋涡受到与之
29、靠近的另一个构件尾流场的影响。前面构件尾流的旋涡可能激发后面构件的动态响应，使其波浪力增加，这即是群桩效可能激发后面构件的动态响应，使其波浪力增加，这即是群桩效应。应。当当 时，应该考虑群桩效应。时，应该考虑群桩效应。根据模型试验和现场观测，群桩的掩护和干扰作用主要和桩距根据模型试验和现场观测，群桩的掩护和干扰作用主要和桩距I 和桩径和桩径D之比有关。一般认为当之比有关。一般认为当 时，桩的掩护作用时，桩的掩护作用 和干扰作用可不予考虑；当和干扰作用可不予考虑；当 时，应将波浪载荷乘以群时，应将波浪载荷乘以群 桩系数桩系数 。其值应尽量由实验确定，或者查阅有关资料。其值应尽量由实验确定，或者查
30、阅有关资料。4桩直径桩距4桩直径桩距4DlK6.海生物附着对波浪力的影响海生物附着对波浪力的影响 海洋桩基平台在使用期间，桩上会附着各类海生物，海洋桩基平台在使用期间，桩上会附着各类海生物，这样会增大桩柱的阻力系数值这样会增大桩柱的阻力系数值 ，增大波浪拖曳力。，增大波浪拖曳力。据国外资料提供的数据，在海生物附着显著的海域，据国外资料提供的数据，在海生物附着显著的海域，波浪拖曳力增大波浪拖曳力增大20-40%；同时由于海生物附着，加；同时由于海生物附着，加大了桩柱的直径，也必然加大了波浪惯性力。为此，大了桩柱的直径，也必然加大了波浪惯性力。为此，规范中规定：在海生物附着范围内，莫里森公式中规范
31、中规定：在海生物附着范围内，莫里森公式中惯性力项的桩径应按实际直径计算，并将波浪拖惯性力项的桩径应按实际直径计算，并将波浪拖曳力乘以相应系数曳力乘以相应系数n。n值可根据海生物附着程度的值可根据海生物附着程度的不同确定。不同确定。DC7.大尺度构件上的波浪力大尺度构件上的波浪力大尺度构件指人工岛、半潜式平台等，其直径或者尺度于波长大尺度构件指人工岛、半潜式平台等，其直径或者尺度于波长的比值远远大于的比值远远大于0.2，这类构件称为大尺度构件。，这类构件称为大尺度构件。对于小尺度构件，在构件的宽度范围内，圆柱的存在仅仅影响对于小尺度构件，在构件的宽度范围内，圆柱的存在仅仅影响圆柱周围局部流场，对
32、波浪的反射作用不明显，因此可以忽略圆柱周围局部流场，对波浪的反射作用不明显，因此可以忽略构件对于流场的影响。但是当尺寸加大时，结构的尺度相对于构件对于流场的影响。但是当尺寸加大时，结构的尺度相对于波长不在是小量，此时，结构对波浪流场的反射和散射作用不波长不在是小量，此时，结构对波浪流场的反射和散射作用不可忽略。所以必须考虑结构存在引起的波浪的绕射作用。可忽略。所以必须考虑结构存在引起的波浪的绕射作用。考虑波浪的线性绕射计算波浪载荷，已经提出了多种方法，主考虑波浪的线性绕射计算波浪载荷，已经提出了多种方法，主要有：要有：格林函数法格林函数法；奇点分布法奇点分布法、源汇分布法源汇分布法。(1)海上
33、大型固定结构波浪载荷计算 比如人工岛、半潜式平台等。半潜式平台波浪载荷包括两部分：入射波：主扰动波浪，对应主扰动载荷及主扰动速度势。绕射波：波浪遇到结构表面时，被反射回来，这时产生的波 称为 绕射波，其对应绕射速度势。（2）海上大型浮动结构波浪载荷计算 比如船舶、浮动式平台等。张力腿平台（TLP）桁架单柱式平台（Truss Spar）波浪载荷包括三部分：入射波：主扰动波浪，对应主扰动载荷及主扰动速度势。绕射波：波浪遇到结构表面时，被反射回来，这时产生的波 称为 绕射波，其对应绕射速度势。辐射波：浮体运动时引起周围流体产生波动，该流场的波动称为 辐射波，对应辐射速度势。主扰动力+绕射力称为傅如德
34、、克雷洛夫力。四.海流载荷 海流海流：指由于潮的作用、风的拖曳等原因引起的比较稳定的：指由于潮的作用、风的拖曳等原因引起的比较稳定的水流运动。这种潮流或风海流（又称漂流）往往会改变波浪水流运动。这种潮流或风海流（又称漂流）往往会改变波浪形态，影响作用在结构上的波浪力。形态，影响作用在结构上的波浪力。1.海流速度海流速度 海流包括海流包括潮海流潮海流和和风海流风海流，需要分别计算潮海流和风海流，需要分别计算潮海流和风海流,而而后迭加得到总的海流流速。后迭加得到总的海流流速。潮海流：潮海流：流海流流速随水深而变化，实测资料不足时，可近流海流流速随水深而变化，实测资料不足时，可近似的取：潮海流按相对
35、水深的似的取：潮海流按相对水深的1/7次方变化：次方变化：式中式中 设计泥面以上高度处的海流速度设计泥面以上高度处的海流速度，；水面的潮流速度，水面的潮流速度，；设计泥面以上的垂直距离，设计泥面以上的垂直距离，；水深，水深，。设计海流流速应采用平台使用期间可能出现的最大流速。其值设计海流流速应采用平台使用期间可能出现的最大流速。其值可根据现场实测资料整理分析后确定。可根据现场实测资料整理分析后确定。711dxuuzozsm/1zusm/ozuxmdmsm/m sVvU风海流：风海流：主要是由风引起的，特别是近海风海流流向基本与主要是由风引起的，特别是近海风海流流向基本与风向一致，因此可利用其与
36、风速的关系，估算出最大可能风向一致，因此可利用其与风速的关系，估算出最大可能风海流流速值风海流流速值 。（2.14）式中式中 10分钟最大风速，分钟最大风速，；系数，系数，一般，渤海采用一般，渤海采用 0.025，我国南海，我国南海和东海可取和东海可取0.040.08。ck0.0240.05ckVkucv风海流随着水深变化线性衰减。于是风海流随着水深变化线性衰减。于是总海流流速：)(711dxudxuuvzz总海流流速：2.海流力海流力 当只考虑海流作用时，圆形构件单位长度的海流载荷可按莫里森公当只考虑海流作用时，圆形构件单位长度的海流载荷可按莫里森公式的拖曳力分量计算，即式的拖曳力分量计算，
37、即 式中式中 海流拖曳力系数，与波浪力的海流拖曳力系数，与波浪力的 相同；相同；海水密度，海水密度，；-设计海流流速，设计海流流速，；单位长度构件垂直于海流方向的投影面积单位长度构件垂直于海流方向的投影面积,212DDcfCAu/N mDCDCcu/m sA2/mm但应指出，此时公式中但应指出，此时公式中 应取波浪水质点速度矢量与海流速度矢量之和在垂应取波浪水质点速度矢量与海流速度矢量之和在垂直于杆件方向上的分矢量。直于杆件方向上的分矢量。12DDfCD u uu/N m当考虑波浪与海流同时作用时，通常认为莫里森公式仍可适用，当考虑波浪与海流同时作用时，通常认为莫里森公式仍可适用，其计算公式为
38、其计算公式为 图图7中，中，为来流速度。当在流为来流速度。当在流体分离点产生旋涡时，流体旋体分离点产生旋涡时，流体旋涡逆时针旋转速度为涡逆时针旋转速度为 ，对，对于管道上侧，流体质点速度变于管道上侧，流体质点速度变小为小为 ，下侧流体质点速，下侧流体质点速度增加为度增加为 ，速度小的一，速度小的一侧，压力大，速度增大一侧，侧，压力大，速度增大一侧，压力减小，两侧出现压力差，压力减小，两侧出现压力差，该压力差即为升力该压力差即为升力 。v1v1vv1vv LF3 3、卡门旋涡、卡门旋涡-涡激升力涡激升力留体沿垂直于圆形构件轴线匀速流动时，在构件周围会出现卡门旋涡。留体沿垂直于圆形构件轴线匀速流动
39、时，在构件周围会出现卡门旋涡。旋涡泄放时将产生一可变升力。该力的变动频率接近时，会引起共振。旋涡泄放时将产生一可变升力。该力的变动频率接近时，会引起共振。进行平台结构设计时，一定要避免这一现象发生。图进行平台结构设计时，一定要避免这一现象发生。图7 7为涡激升力：为涡激升力：图图7 7为涡激升力为涡激升力ReuDvufSD圆柱体的漩涡泻放，主要取决于两个因素：圆柱体的漩涡泻放，主要取决于两个因素：一是雷诺数一是雷诺数ReRe，一是海流速度分一是海流速度分布布。ReRe可由下式给出可由下式给出，出现固定的漩涡；，出现固定的漩涡；，流体不发生分离，不出现漩涡；，流体不发生分离，不出现漩涡；405e
40、R5eR5100.3300eR，涡街处于紊流状态，按照一定频率周期性的发放旋涡。涡街处于紊流状态，按照一定频率周期性的发放旋涡。)/(10003.126smvv海水运动粘性系数，海水运动粘性系数，旋涡发放的频率，按照下式计算：旋涡发放的频率，按照下式计算：ufSD在流速小于声速时（低马赫数时），雷诺数与斯特哈拉数之间的关系为在流速小于声速时（低马赫数时），雷诺数与斯特哈拉数之间的关系为S S称为斯特劳霍尔数（称为斯特劳霍尔数（Strouhal numberStrouhal number）。）。应该避免漩涡的释放频率与结构固有振动频率接近或重合，防止产生涡激共振。应该避免漩涡的释放频率与结构固有
41、振动频率接近或重合，防止产生涡激共振。旋涡引起的升力：旋涡引起的升力：221DuCFLLLC-升力系数涡激振动的锁定现象（lock-in）：当结构的固有频率与旋涡发放的频率较接近时，结构的振动迫使旋涡发放的频率固定在结构固有频率的附近,涡激振动显著放大的现象。五五.波波-流联合作用载荷流速的处理流联合作用载荷流速的处理 图图8中，中，V-设计海流流速；设计海流流速；V1-潮流流速；潮流流速；Vw-风生风生流流速；流流速；Vs-风暴涌流速；风暴涌流速；-风生流的参考水深；风生流的参考水深；-静水水深；静水水深；z-水质点静水质点静水水面以下的垂直距离。水水面以下的垂直距离。0hh 波浪和海流共存，使海流流速增加，计算时应该将波浪水质点速波浪和海流共存，使海流流速增加，计算时应该将波浪水质点速度与海流水质点速度矢量叠加。叠加方法为图度与海流水质点速度矢量叠加。叠加方法为图8 8所示：所示：图图8.8.波浪水质点速度与海流水质点速度矢量叠加波浪水质点速度与海流水质点速度矢量叠加
