海結(jié)原理(8)-環(huán)境載荷

1、海洋環(huán)境載荷船舶工程學院陳明海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計原理講義（8）環(huán)境條件的確定（1）在作業(yè)海域內(nèi)根據(jù)實際測量結(jié)果與實船工作情況決定；（2）根據(jù)規(guī)范確定；（3）根據(jù)業(yè)主或用戶要求確定；（4）根據(jù)海況與氣象的實測資料推算的結(jié)果確定設(shè)計波參數(shù)：最大波高、周期、概率1、風載荷中國船級社規(guī)定：正常作業(yè)狀態(tài)設(shè)計風速不小于：36m/s(70kn)自存狀態(tài)設(shè)計風速不小于：51.5m/s(100kn)在遮蔽海區(qū)設(shè)計風速不小于：26m/s(50kn)1.1 CCS風載荷計算法規(guī)范規(guī)定風壓計算公式：PSCCFsh2613. 0VP 構(gòu)件上的風力F計算公式：S：受風構(gòu)件的正投影面積Ch：暴露在風中的構(gòu)件的高度系數(shù)，其值可根據(jù)

2、構(gòu)件幾何心距離設(shè)計水面的高度查表得到。Cs：暴露在風中的構(gòu)件的形狀系數(shù)，根據(jù)構(gòu)件形狀查表取得或根據(jù)風洞實驗得到。如球形的取0.41.2 美國風載荷計算法實際上風力分為與風速方向一致的拖曳力FD和垂直于風向的升力FLSVCFSVCFLLDD222121CD：阻力系數(shù)CL：升力系數(shù)1.3 脈動風壓的動力效應結(jié)構(gòu)的高度大于其寬度的5倍以上，自振周期長于0.5s，結(jié)構(gòu)對動力相應比較敏感，就需要考慮風載荷動力相應，即在計算中考慮加入陣風系數(shù)：陣風系數(shù):查表得到，是自振周期的函數(shù)SVCCPFPtPshcc2)(2 波浪載荷 線性波理論（微幅波）(初步設(shè)計中廣泛采用) 斯拖克斯波（2階到5階波） 橢圓余弦波

3、 孤立波 流函數(shù) 繞射理論2.1 波浪理論2.2 線性波理論1 、線性波浪理論假設(shè)：流體均勻且不可壓縮；不計科氏力；不計表面張力；流體無旋；底部水平、靜止且不可穿透；波浪為二維；波浪不受其他水流運動地影響；表面壓力為嘗數(shù)；1) 波幅相對波長、水深為小良。2、波浪參數(shù)定義波高：H周期：T波幅：A1/2H波長：L水深：d水表面質(zhì)點高度： 相對靜止水面水質(zhì)點相對軌跡中心地水平和垂直坐標：水支點運動地水平和垂直速度分良：),(),(wu3、線性波浪分類 4、 線性波理論總結(jié)水深d0.9144波高H0.1524周期T1質(zhì)點位置z-0.6096判斷d/gT20.093306122 深水波波速C0gT/(2

4、*Pi)1.559718波長L0gT2/(2*Pi)1.559718波數(shù)k2Pi/L4.02841水平速度upiHe(kz)/T0.041垂向速度wpiHe(kz)/T0垂向加速度az2H(pi/T)2e(kz)0.258水平加速度ax2H(pi/T)2e(kz)0一造波水池長170米，寬6米，深4米，裝有0.9144米深淡水。造波機產(chǎn)生波高0.1524米，周期1秒的波浪。計算波峰處位于靜止水表面下0.6096米的水質(zhì)點的速度和加速度5、線性波理論應用2.3 波浪載荷計算方法邱卡數(shù): DTUKm/雷諾數(shù): /ReDUmUm波峰處水質(zhì)點的速度T波浪周期D構(gòu)建直徑 海水運動黏性系數(shù)步驟一：計算兩個

5、常數(shù) K 和 Re步驟二：根據(jù)常數(shù)決定用哪個算法步驟三：如果用Morison方程nndnmuudACuVCF21dddF: 在體積dv、投影面積為dA的構(gòu)件微段上的波浪力垂直于構(gòu)件軸線的速度和加速度；Cm 阻力系數(shù)，Cd慣性力系數(shù)。微分形式：豎直圓柱Morison方程（1）zurCzuurCFdmdddd|002zuzdrCzuuzdrCMdmddd)(d|)(002利用線性波浪理論的水質(zhì)點速度和加速度帶入上面的表達式，取,tx , 0cos|cos|sin22122dmCACATLrHFcos|cos|sin243222dmCACATLrHMkdkdkddkkdAkdkdkdkdHrAkdk

6、dkdAHrA2ch12sh22sh641chsh1sh42sh2sh161222243221一個波浪周期內(nèi)豎直圓柱受力變化水平放置圓柱受力3 冰載荷我國北部的渤海和黃海的冰情雖然不及嚴寒地區(qū)嚴重，但是在嚴重年份的2，3月份，對海上鉆井平臺、采油平臺帶來的影響也不容忽視。一般的辦法是在冰期不作業(yè)。3.1 冰載荷的主要形式1. 冰原包圍 整個海面處于冰層覆蓋狀態(tài)。在潮流和風的作用下，大面積冰原呈整體移動，擠壓平臺。如果平臺能夠承受，冰原被樁腿切入或割裂。 這種載荷呈現(xiàn)周期性，并伴隨著振動。在大面積冰原破碎前，平臺受到的擠壓力最大。3.1 冰載荷的主要形式2. 流冰（浮冰） 自由漂浮流動的冰塊，沖

7、擊平臺產(chǎn)生的沖擊力。3. 冰層膨脹 冬季氣溫急劇變化的情況下，整體冰蓋層由于溫度變化引起的冰體膨脹（冰密度變化）而產(chǎn)生的對平臺的擠壓的膨脹力。3.1 冰載荷的主要形式4. 附連冰的拖曳力 平臺四周海冰因溫度下降而結(jié)成一體附連在平臺上，冰體由于潮流和風力作用而移動產(chǎn)生對平臺的拖曳力。由于水位的波動還會產(chǎn)生垂直的作用力（附連冰的重力和浮力）。5. 流冰期冰塊對平臺的摩擦作用力 前兩種冰載荷為主要形式。3.2 冰載荷計算1. 大面積冰原擠壓孤立垂直樁柱所產(chǎn)生的冰載荷P PmK1K2Rcbh (kN)m：樁柱的形狀系數(shù)，對于圓柱采用0.9K1：局部擠壓系數(shù)(2.53.0)K2: 接觸系數(shù)（0.30.45）Rc:冰塊試樣的極限抗壓強度（kN/m2，渤黃海取1470）b:樁柱寬度或直徑(m