海洋平台的环境载荷.ppt

第二章 海洋平台的环境载荷,2.1海洋平台的载荷分类,载荷的分类方法有多种:分成环境载荷和工作载荷；分成静载荷和动载荷；分成确定性载荷和随机性载荷；分成设计载荷、校核载荷和特殊载荷等等,活动平台规范中常用载荷分类方法,环境载荷,出于直接的自然环境作用而发生的载荷有：风载荷、波浪载荷、海流载荷、地震载荷、冰载荷、温度变化引起的载荷等。由间接的自然环境作用而发生的载荷，如系泊力，它是对于环境载荷的反作用力；惯性力，它是由于平台在漂浮状态时在风、浪等外力作用下平台运动产生的力。,定义：由于直接的和间接的自然环境作用发生的、作用在结构物上的载荷。,图2.1 作用在钻井装置上的环境力,波浪载荷,使用载荷,固定载荷：大小、位置和方向不随时间改变，如平台结构自重、永久固定设备、平台水下的浮力活载荷：与平台使用有关的载荷。分为可变载荷和动力载荷。可变载荷：随时间缓慢改变大小或位置的载荷，如活动井架，人员等重量动力载荷：随时间很快改变其大小、方向或位置的载荷，使结构很快发生重大的动力影响。如钻机工作时的动载荷，吊机起重、船舶停靠、直升机起落等引起的冲击载荷。动力载荷需考虑动力放大作用。,定义：平台使用期间受到的除环境载荷以外的其他载荷，分为：固定载荷和活载荷。,施工载荷,这些载荷会使一些构件产生瞬时的高应力它不是结构设计的控制载荷，但需要校核这些载荷对平台结构产生的影响,定义：平台在建造以及海上吊装、安装过程中所承受的载荷。,对于使用载荷和施工载荷，各国的平台结构规范都会有明确规定，且各国规定日趋一致环境载荷是平台结构设计的控制载荷，而且受到环境条件等因素的影响，计算复杂【CCS】如可能，设计环境条件应根据可靠及足够的实测资料由统计分析确定，自存工况设计环境条件的重现期建议不小于 50 年。,2.2 风载荷,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,计算风压P时，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,N/m3，空气密度,为考虑风压沿高度变化的高度系数;,为考虑受风构件形状影响的形状系数,风压与风速的平方成正比，故风速的取值显得特别重要!,海洋平台设计中常用的是两种设计风速，即持续风风速和阵风风速持续风风速一般是几分钟(例如13min)时距的平均风速，而阵风风速是几秒钟(例如3s)时距的平均风速当作用在平台上的波浪力是最大波浪力，则同时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,不同时距平均风速与1h平均风速的比例系数,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,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,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,严格说来是构件形状、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,CCS 规范,计算风压时，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(100kn)；在正常作业时不小于36m/s(70kn)；在遮蔽海区不小于26 m/s(50kn),各海区设计风速建议值（m/s）,受风投影面积A的计算,受风投影面积A的计算按照结构的轮廓投影面积计算 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简化计算，采用桁架的形状系数来代替单根构件的形状系数，受风投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,CCS规定,计算风力时，推荐下列作法：（1）当平台有立柱时，应计入全部立柱的投影面积，不考虑遮蔽效应。（2）对于因倾斜产生的受风面积，如甲板下表面和甲板下构件等，应采用合适的形状系数计入受风面积中。（3）对于密集的甲板室，可用整体投影面积来代替计算每个面积，此时形状系数可取为1.1.（4）对于孤立的建筑物、结构型材和起重机等，应选用合适的形状系数，分别进行计算。（5）通常用作井架、吊杆和某些类型桅杆的开式桁架结构的受风面积，可近似的取每侧满实投影面积的30%，或取双面桁架单侧满实投影面积的60%，并选用合适的形状系数。,基本风压的修正,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，动力响应更为显著所以设计高耸建筑物时，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。,我国固定平台规范规定，对平台上的高耸结构，当其基本自震周期T0.5s时，作用风压应为基本风压值的 倍，,思考题,1、目前世界上用的最多的海洋平台是哪三类？2、海洋平台作业的特点，平台事故发生的直接原因是什么？3、海洋平台的结构破坏形式是什么？4、海洋平台结构设计的一般步骤是什么？5、海洋平台结构与强度的分析方法是哪两种？各自的优缺点是什么？6、活动平台规范中常用的载荷分类方法是什么？7、风载荷的计算方法是什么（只需写出基本思路，提示：P与P0的关系）？,知识点回顾,目前世界上使用最多的是自升式平台、半潜式平台和钢质导管架平台。,一、自升式平台(JACK-UP Platform)组成：由平台主体、桩腿和升降机构三大部分组成。,二、半潜式平台（Semi-submersible Platform）半潜式平台主要结构由三大部分组成：即平台主体、浮箱(或下浮体)、立柱和撑杆。,三、导管架平台（Jacket-up Platform）组成:上部结构、导管架和桩。,海洋平台作业的特点：海洋平台在十分恶劣的海洋环境中作业，所受的外载荷复杂平台外载荷及结构强度难以精确确定作业状态的多样性（多工况），对平台设计和使用还缺乏经验,平台事故发生的直接原因往往是由于：(1)结构强度储备不足(2)浮力储备和稳性不足(3)操作不当,海洋平台的安全性一般是通过保证外载荷效应(如结构应力)小于相应的结构承载能力(如危险应力)的某个百分数的方法来达到，也就是在结构强度上保留一定的安全储备。海洋平台的结构破坏模式有四种：(1)屈服失效(2)屈曲失效(3)疲劳失效(4)脆性破坏失效,海洋平台的安全性和失效,平台结构设计的一般步骤,1.选择平台的结构型式2.确定平台主尺度，具体进行总体布置3.移动式平台进行运动性能和稳性的分析4.外载荷计算，进行结构安全性校核5.强力构件尺寸初步确定，构件材料的选取6.结构的总体强度分析7.对结构重量进行校核8.局部节点结构设计,海洋平台结构的强度分析方法两种：(1)设计波法，又称确定性方法；(2)设计谱法，又称随机性方法。,设计谱法优点能较好地描述平台在不规则波中的响应特性，被逐步推广缺点波浪力及锚泊力的非线性问题很难直接考虑，比前一种方法复杂，计算工作量也大得多。,设计波法优点计算简单可以采用高阶波理论能计入海流的影响波浪力的非线性成分较易处理缺点没有反映平台在实际海面上受到的载荷的随机特性,活动平台规范中常用载荷分类方法,风载荷,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,计算风压P时，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,N/m3，空气密度,为考虑风压沿高度变化的高度系数;,为考虑受风构件形状影响的形状系数,风压与风速的平方成正比，故风速的取值显得特别重要!,2.3 波浪载荷,（设计波法与设计谱法）,一、波浪理论的选择,1.几种重要的波浪理论2.各种波浪理论的适用范围3.选择波浪理论的主要依据,1.几种重要的波浪理论,(1)艾里（Airy）波：深水和浅水中的微幅波，线性理论（波峰波谷形状对称）(2)斯托克斯（Stokes）高阶波：深水中的有 限幅波，非线性理论（波谷形状较平坦）(3)椭圆余弦波：浅水中的有限幅波，非线性理论(4)孤立波：极浅水中的有限幅波，非线性理论,波面波长速度势,（1）艾里波理论,根据速度势可求得波浪水质点的速度和加速度,（2）司托克斯五阶波理论,波面波长速度势,5阶,（3）椭圆余弦波理论,模数k的值在0与1之间变化。当k=0时，椭圆余弦波转化为正弦波（艾里波）当k=1时，椭圆余弦波变为波长无限大，孤峰凸起于水面以上，即为孤立波孤立波是椭圆余弦波的一种特殊情况实际计算中，k值接近1，收敛较快,（4）孤立波理论,波面波速,2.各种波浪理论的适用范围,各种波浪理论的比较,就波峰处的水平加速度和垂直加速度而言，孤立波理论的结果一般偏大，只有在极浅水域(d/T20.007，其中d为水深，T为波浪周期)时才与椭圆余弦波相接近 艾里波理论的结果一般偏小，只有在深水区(d/T21)时才与司托克斯五阶波的结果相接近椭圆余弦波与司托克斯五阶波的比较一般是椭圆余弦波的结果大些，仅当d/T2=0.080.1时，两者才比较接近。,3.选择波浪理论的主要依据,平台的工作水深,对于海洋平台的波浪力计算，从工程实用角度出发:d/T2=0.080.1作为分界线 大于此值：选用司托克斯五阶波 小于此值：选用椭圆余弦波艾里波理论由于其简单，使用简便，有良好的适应性(适用于各种水深，其线性性质可用于研究绕射问题和各种谱分析)艾里波理论虽适合于微幅波情况，但在实际应用中并不受此限制，波高甚大时用此种理论进行工程计算也能有较好的效果，在作初步的估算时，可选用艾里波理论,二、波浪载荷计算概述,波浪诱导载荷的成分：拖曳力物体造成水流扰动，粘性效应 惯性力入射波压力(F-K力)；流体附加质量力 绕射力考虑物体时，波浪绕射引起的三种力对具体结构并非同等重要，主要取决：1 结构的型式、尺度2 选取的波浪工况,大尺度结构，惯性力和绕射力！,小尺度结构，拖曳力和惯性力！,海洋结构物按尺度的划分：小尺度构件：D/L0.2的情况(D为构件的直径，L为波长)大尺度构件：D/L0.2的情况(D为构件的直径，L为波长)小尺度构件以拖曳力和惯性力为主，莫里森公式大尺度构件以绕射力和惯性力为主，势流理论海洋平台强度分析中，除钢筋混凝土重力式平台等大尺度物体外，平台构件基本上是按小尺度结构来考虑的,三、应用莫里森公式计算小尺度构件的载荷,1.莫里森（Morison）公式2.无因次的拖曳力系数和惯性力系数,1.莫里森（Morison）公式 计算垂直构件轴线方向的单位长度波浪力(1)原始形式：固定垂直立柱的单位长度波浪力,(2)一般形式：计及结构运动（刚体运动和弹性变形）的任意方 向构件的单位长度波浪力,（拖曳力惯性力）,（拖曳力F-K力附加质量力）,适用小尺度构件受波浪载荷(拖曳力与惯性力),波浪水质点的速度和加速度 选定适当的波浪理论计算 考虑波浪的入射角，或平台的倾斜构件，坐标系转换,三个坐标系：波浪坐标系，结构总坐标系，构件坐标系,(1)根据波浪的方向角，将相对于波浪坐标系的水质点速度转换为相对于结构总坐标系的速度。(2)将结构总坐标系的水质点速度转换为相对于构件坐标系的速度。,2.无因次的拖曳力系数CD和惯性力系数CM（1）拖曳力系数 CD 取决于：物体截面形状、表面粗糙度、雷诺数等，通常依赖试验测定（2）惯性力系数 CM=1+Cm：一般可按势流理论计算或试验确定,波浪载荷的惯性力包括两部分，傅汝德克雷洛夫力和附加质量力惯性力系数：CM=1+Cm,一般光滑杆件的附加质量由势流理论根据其截面形状和运动方向确定,四、应用势流理论计算大尺度构件的载荷,1.绕射问题 总速度势 绕射速度势 满足 总速度势 脉动压力 力和力矩,2.计算方法(1)理论方法(2)半理论半经验方法F-K法 波浪力,解析法：仅适合于圆柱体 数值方法（三维分布源法）：适合于一般形状的大型物体,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左右反转一次。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。,2.4 海流（潮）载荷,海(潮)流力对结构的作用是以海流流速与水质点速度矢量叠加的形式加以考虑 浪、流联合作用：在莫里森公式中取海（潮）流力单独作用计算公式为,2.4 海流（潮）载荷,影响海(潮)流力大小的因素主要有：海(潮)流流速及其沿深度方向的分布规律海(潮)流流向结构构件的形状与尺度海流速沿深度的变化，参考DNV公式,2.5 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 冰作用在平台结构上的力主要有；(1)巨大冰层包围结构物，冰层移动时对结构的挤压；(2)流冰对结构物的冲击；(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，冰层移动时所产生的拖曳力，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；,在工程中采用极限冰压力作为计算的冰载荷 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、冰行结构物时的速度及冰温等因素有关冰原对垂直桩柱的最大挤压力P的计算 有效接触面积 mK2bh 冰所能承受的单位面积最大挤压力K1RC,m为桩柱的形状系数，可按表选取 K1为局部挤压系数K2为桩柱与冰层的接触系数b为桩柱宽度（或直径）h为冰层计算厚度，按实测资料确定 辽东湾 h1m 渤海湾 h0.8m 莱州湾 h0.7m 黄海北部沿海 h0.8m,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，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,