海洋平臺(tái)的環(huán)境載荷課件

第二章海洋平臺(tái)的環(huán)境載荷

第二章海洋平臺(tái)的環(huán)境載荷2.1海洋平臺(tái)的載荷分類載荷的分類方法有多種:分成環(huán)境載荷和工作載荷；分成靜載荷和動(dòng)載荷；分成確定性載荷和隨機(jī)性載荷；分成設(shè)計(jì)載荷、校核載荷和特殊載荷等等2.1海洋平臺(tái)的載荷分類載荷的分類方法有多種:活動(dòng)平臺(tái)規(guī)范中常用載荷分類方法使用期間建造期間：｛平臺(tái)載荷｛環(huán)境載荷使用載荷施工載荷活動(dòng)平臺(tái)規(guī)范中常用載荷分類方法使用期間建造期間：｛平臺(tái)載荷｛環(huán)境載荷

出于直接的自然環(huán)境作用而發(fā)生的載荷有：風(fēng)載荷、波浪載荷、海流載荷、地震載荷、冰載荷、溫度變化引起的載荷等。由間接的自然環(huán)境作用而發(fā)生的載荷，如系泊力，它是對(duì)于環(huán)境載荷的反作用力；慣性力，它是由于平臺(tái)在漂浮狀態(tài)時(shí)在風(fēng)、浪等外力作用下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力。定義：由于直接的和間接的自然環(huán)境作用發(fā)生的、作用在結(jié)構(gòu)物上的載荷。環(huán)境載荷定義：由于直接的和間接的自然環(huán)境作用發(fā)生的、作用在圖2.1作用在鉆井裝置上的環(huán)境力圖2.1作用在鉆井裝置上的環(huán)境力波浪載荷波浪載荷使用載荷固定載荷：大小、位置和方向不隨時(shí)間改變，如平臺(tái)結(jié)構(gòu)自重、永久固定設(shè)備、平臺(tái)水下的浮力活載荷：與平臺(tái)使用有關(guān)的載荷。分為可變載荷和動(dòng)力載荷?？勺冚d荷：隨時(shí)間緩慢改變大小或位置的載荷，如活動(dòng)井架，人員等重量動(dòng)力載荷：隨時(shí)間很快改變其大小、方向或位置的載荷，使結(jié)構(gòu)很快發(fā)生重大的動(dòng)力影響。如鉆機(jī)工作時(shí)的動(dòng)載荷，吊機(jī)起重、船舶停靠、直升機(jī)起落等引起的沖擊載荷。動(dòng)力載荷需考慮動(dòng)力放大作用。定義：平臺(tái)使用期間受到的除環(huán)境載荷以外的其他載荷，分為：固定載荷和活載荷。使用載荷固定載荷：大小、位置和方向不隨時(shí)間改變，如平臺(tái)結(jié)構(gòu)自施工載荷這些載荷會(huì)使一些構(gòu)件產(chǎn)生瞬時(shí)的高應(yīng)力它不是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制載荷，但需要校核這些載荷對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響定義：平臺(tái)在建造以及海上吊裝、安裝過(guò)程中所承受的載荷。施工載荷這些載荷會(huì)使一些構(gòu)件產(chǎn)生瞬時(shí)的高應(yīng)力定義：平臺(tái)在建造對(duì)于使用載荷和施工載荷，各國(guó)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)規(guī)范都會(huì)有明確規(guī)定，且各國(guó)規(guī)定日趨一致環(huán)境載荷是平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制載荷，而且受到環(huán)境條件等因素的影響，計(jì)算復(fù)雜【CCS】如可能，設(shè)計(jì)環(huán)境條件應(yīng)根據(jù)可靠及足夠的實(shí)測(cè)資料由統(tǒng)計(jì)分析確定，自存工況設(shè)計(jì)環(huán)境條件的重現(xiàn)期建議不小于50年。對(duì)于使用載荷和施工載荷，各國(guó)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)規(guī)范都會(huì)有明確規(guī)定，且2.2風(fēng)載荷P為受風(fēng)構(gòu)件表面上的風(fēng)壓,N/m2,A為構(gòu)件垂直于風(fēng)向的輪廓投影面積

計(jì)算風(fēng)壓P時(shí)，以根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)高度和形狀選定的基本風(fēng)壓值P0為基礎(chǔ)，然后再對(duì)風(fēng)壓沿高度的變化和受風(fēng)構(gòu)件形狀作修正N/m3

，空氣密度為考慮風(fēng)壓沿高度變化的高度系數(shù);為考慮受風(fēng)構(gòu)件形狀影響的形狀系數(shù)風(fēng)壓與風(fēng)速的平方成正比，故風(fēng)速的取值顯得特別重要!2.2風(fēng)載荷P為受風(fēng)構(gòu)件表面上的風(fēng)壓,N/m2,A為構(gòu)件海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中常用的是兩種設(shè)計(jì)風(fēng)速，即持續(xù)風(fēng)風(fēng)速和陣風(fēng)風(fēng)速持續(xù)風(fēng)風(fēng)速一般是幾分鐘(例如1～3min)時(shí)距的平均風(fēng)速，而陣風(fēng)風(fēng)速是幾秒鐘(例如3s)時(shí)距的平均風(fēng)速當(dāng)作用在平臺(tái)上的波浪力是最大波浪力，則同時(shí)作用在平臺(tái)上的風(fēng)力按持續(xù)風(fēng)風(fēng)速計(jì)算如果僅僅陣風(fēng)的作用比持續(xù)風(fēng)加波浪的作用更為不利時(shí)，則應(yīng)以陣風(fēng)風(fēng)速計(jì)算海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中常用的是兩種設(shè)計(jì)風(fēng)速，即持續(xù)風(fēng)風(fēng)速和陣風(fēng)風(fēng)速不同時(shí)距的風(fēng)速之間有一定的關(guān)系，時(shí)距短的風(fēng)速比時(shí)距長(zhǎng)的風(fēng)速要大不同時(shí)距平均風(fēng)速與1h平均風(fēng)速的比例系數(shù)時(shí)距1h10min1min15s5s3s系數(shù)值1.001.041.261.261.321.35不同時(shí)距的風(fēng)速之間有一定的關(guān)系，時(shí)距短的風(fēng)速比時(shí)距長(zhǎng)的風(fēng)速要基本風(fēng)壓的標(biāo)準(zhǔn)高度為海面上10m，所以設(shè)計(jì)風(fēng)速一般取海面上10m高處的風(fēng)速n值與測(cè)量風(fēng)速的時(shí)距以及離岸的距離有關(guān)，一般在7～13之間變化美國(guó)API規(guī)范建議，在開(kāi)敞的海域，對(duì)于持續(xù)風(fēng)風(fēng)速n等于8，對(duì)于陣風(fēng)風(fēng)速n等于13基本風(fēng)壓的標(biāo)準(zhǔn)高度為海面上10m，所以設(shè)計(jì)風(fēng)速一般取海面上1海洋平臺(tái)的環(huán)境載荷課件嚴(yán)格說(shuō)來(lái)是構(gòu)件形狀、構(gòu)件表面粗糙度及雷諾數(shù)的函數(shù)

為便于工程應(yīng)用，一般都根據(jù)構(gòu)件的形狀定出

CCS規(guī)范嚴(yán)格說(shuō)來(lái)是構(gòu)件形狀、構(gòu)件表面粗糙度及雷諾數(shù)的函數(shù)為便于工程計(jì)算風(fēng)壓時(shí)，設(shè)計(jì)風(fēng)速一般是選用50年一遇或100年一遇的風(fēng)速我國(guó)移動(dòng)平臺(tái)規(guī)范規(guī)定，設(shè)計(jì)風(fēng)速在極端風(fēng)暴狀態(tài)時(shí)一般不小于51.5m/s(100kn)；在正常作業(yè)時(shí)不小于36m/s(70kn)；在遮蔽海區(qū)不小于26m/s(50kn)

各海區(qū)設(shè)計(jì)風(fēng)速建議值（m/s）計(jì)算風(fēng)壓時(shí)，設(shè)計(jì)風(fēng)速一般是選用50年一遇或100年一遇的風(fēng)速受風(fēng)投影面積A的計(jì)算受風(fēng)投影面積A的計(jì)算按照結(jié)構(gòu)的輪廓投影面積計(jì)算桁架結(jié)構(gòu)，可以先計(jì)算作用在組成桁架的各構(gòu)件上的風(fēng)載，再將它們疊加起來(lái)就成為桁架的總風(fēng)載簡(jiǎn)化計(jì)算，采用桁架的形狀系數(shù)來(lái)代替單根構(gòu)件的形狀系數(shù)，受風(fēng)投影面積用桁架迎風(fēng)的前后兩個(gè)輪廓面積的30％，或一個(gè)輪廓面積的60％來(lái)計(jì)算受風(fēng)投影面積A的計(jì)算受風(fēng)投影面積A的計(jì)算CCS規(guī)定計(jì)算風(fēng)力時(shí)，推薦下列作法：（1）當(dāng)平臺(tái)有立柱時(shí)，應(yīng)計(jì)入全部立柱的投影面積，不考慮遮蔽效應(yīng)。（2）對(duì)于因傾斜產(chǎn)生的受風(fēng)面積，如甲板下表面和甲板下構(gòu)件等，應(yīng)采用合適的形狀系數(shù)計(jì)入受風(fēng)面積中。（3）對(duì)于密集的甲板室，可用整體投影面積來(lái)代替計(jì)算每個(gè)面積，此時(shí)形狀系數(shù)可取為1.1.（4）對(duì)于孤立的建筑物、結(jié)構(gòu)型材和起重機(jī)等，應(yīng)選用合適的形狀系數(shù)，分別進(jìn)行計(jì)算。（5）通常用作井架、吊桿和某些類型桅桿的開(kāi)式桁架結(jié)構(gòu)的受風(fēng)面積，可近似的取每側(cè)滿實(shí)投影面積的30%，或取雙面桁架單側(cè)滿實(shí)投影面積的60%，并選用合適的形狀系數(shù)。CCS規(guī)定計(jì)算風(fēng)力時(shí)，推薦下列作法：基本風(fēng)壓的修正對(duì)平臺(tái)上的高聳結(jié)構(gòu)，因其剛度較低，自振周期較長(zhǎng)，在不穩(wěn)定的脈動(dòng)風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)物將出現(xiàn)一定的動(dòng)力響應(yīng)，特別是風(fēng)速較大時(shí)，動(dòng)力響應(yīng)更為顯著所以設(shè)計(jì)高聳建筑物時(shí)，除了要考慮因平均風(fēng)速產(chǎn)生的穩(wěn)定風(fēng)壓外、還必須考慮因脈動(dòng)風(fēng)速產(chǎn)生的脈動(dòng)風(fēng)壓。在工程設(shè)計(jì)中，常常采用動(dòng)力放大系數(shù)來(lái)對(duì)基本風(fēng)壓進(jìn)行修正?；撅L(fēng)壓的修正對(duì)平臺(tái)上的高聳結(jié)構(gòu)，因其剛度較低，自振周期較長(zhǎng)我國(guó)固定平臺(tái)規(guī)范規(guī)定，對(duì)平臺(tái)上的高聳結(jié)構(gòu)，當(dāng)其基本自震周期T＞0.5s時(shí)，作用風(fēng)壓應(yīng)為基本風(fēng)壓值的倍，我國(guó)固定平臺(tái)規(guī)范規(guī)定，對(duì)平臺(tái)上的高聳結(jié)構(gòu)，當(dāng)其基本自震周期T思考題1、目前世界上用的最多的海洋平臺(tái)是哪三類？2、海洋平臺(tái)作業(yè)的特點(diǎn)，平臺(tái)事故發(fā)生的直接原因是什么？3、海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)破壞形式是什么？4、海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟是什么？5、海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的分析方法是哪兩種？各自的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？6、活動(dòng)平臺(tái)規(guī)范中常用的載荷分類方法是什么？7、風(fēng)載荷的計(jì)算方法是什么（只需寫出基本思路，提示：P與P0的關(guān)系）？思考題1、目前世界上用的最多的海洋平臺(tái)是哪三類？知識(shí)點(diǎn)回顧目前世界上使用最多的是自升式平臺(tái)、半潛式平臺(tái)和鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺(tái)。知識(shí)點(diǎn)回顧目前世界上使用最多的是自升式平臺(tái)、半潛式平臺(tái)和鋼質(zhì)

一、自升式平臺(tái)(JACK-UPPlatform)

組成：由平臺(tái)主體、樁腿和升降機(jī)構(gòu)三大部分組成。

一、自升式平臺(tái)(JACK-UPPlatform)

組成：二、半潛式平臺(tái)

（Semi-submersiblePlatform）

半潛式平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)由三大部分組成：即平臺(tái)主體、浮箱(或下浮體)、立柱和撐桿。二、半潛式平臺(tái)

（Semi-submersiblePla三、導(dǎo)管架平臺(tái)（Jacket-upPlatform

）組成:上部結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管架和樁。三、導(dǎo)管架平臺(tái)（Jacket-upPlatform）組海洋平臺(tái)作業(yè)的特點(diǎn)：海洋平臺(tái)在十分惡劣的海洋環(huán)境中作業(yè)，所受的外載荷復(fù)雜平臺(tái)外載荷及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度難以精確確定作業(yè)狀態(tài)的多樣性（多工況），對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)和使用還缺乏經(jīng)驗(yàn)平臺(tái)事故發(fā)生的直接原因往往是由于：(1)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備不足(2)浮力儲(chǔ)備和穩(wěn)性不足(3)操作不當(dāng)海洋平臺(tái)作業(yè)的特點(diǎn)：平臺(tái)事故發(fā)生的直接原因往往是由于：海洋平臺(tái)的安全性一般是通過(guò)保證外載荷效應(yīng)(如結(jié)構(gòu)應(yīng)力)小于相應(yīng)的結(jié)構(gòu)承載能力(如危險(xiǎn)應(yīng)力)的某個(gè)百分?jǐn)?shù)的方法來(lái)達(dá)到，也就是在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上保留一定的安全儲(chǔ)備。海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)破壞模式有四種：

(1)屈服失效

(2)屈曲失效

(3)疲勞失效

(4)脆性破壞失效海洋平臺(tái)的安全性和失效海洋平臺(tái)的安全性一般是通過(guò)保證外載荷效應(yīng)(如結(jié)構(gòu)應(yīng)力)小于相平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟1.選擇平臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式

2.確定平臺(tái)主尺度，具體進(jìn)行總體布置

3.移動(dòng)式平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)性能和穩(wěn)性的分析

4.外載荷計(jì)算，進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性校核

5.強(qiáng)力構(gòu)件尺寸初步確定，構(gòu)件材料的選取

6.結(jié)構(gòu)的總體強(qiáng)度分析

7.對(duì)結(jié)構(gòu)重量進(jìn)行校核

8.局部節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟1.選擇平臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式

2.確定平海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析方法

兩種：

(1)設(shè)計(jì)波法，又稱確定性方法；

(2)設(shè)計(jì)譜法，又稱隨機(jī)性方法。

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析方法

兩種：

(1)設(shè)計(jì)波法，又稱確定設(shè)計(jì)譜法優(yōu)點(diǎn)

能較好地描述平臺(tái)在不規(guī)則波中的響應(yīng)特性，被逐步推廣缺點(diǎn)

波浪力及錨泊力的非線性問(wèn)題很難直接考慮，比前一種方法復(fù)雜，計(jì)算工作量也大得多。

設(shè)計(jì)波法優(yōu)點(diǎn)計(jì)算簡(jiǎn)單可以采用高階波理論能計(jì)入海流的影響波浪力的非線性成分較易處理缺點(diǎn)

沒(méi)有反映平臺(tái)在實(shí)際海面上受到的載荷的隨機(jī)特性設(shè)計(jì)譜法設(shè)計(jì)波法活動(dòng)平臺(tái)規(guī)范中常用載荷分類方法使用期間建造期間：｛平臺(tái)載荷｛環(huán)境載荷使用載荷施工載荷活動(dòng)平臺(tái)規(guī)范中常用載荷分類方法使用期間建造期間：｛平臺(tái)載荷｛風(fēng)載荷P為受風(fēng)構(gòu)件表面上的風(fēng)壓,N/m2,A為構(gòu)件垂直于風(fēng)向的輪廓投影面積

計(jì)算風(fēng)壓P時(shí)，以根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)高度和形狀選定的基本風(fēng)壓值P0為基礎(chǔ)，然后再對(duì)風(fēng)壓沿高度的變化和受風(fēng)構(gòu)件形狀作修正N/m3

，空氣密度為考慮風(fēng)壓沿高度變化的高度系數(shù);為考慮受風(fēng)構(gòu)件形狀影響的形狀系數(shù)風(fēng)壓與風(fēng)速的平方成正比，故風(fēng)速的取值顯得特別重要!風(fēng)載荷P為受風(fēng)構(gòu)件表面上的風(fēng)壓,N/m2,A為構(gòu)件垂直于風(fēng)2.3波浪載荷（設(shè)計(jì)波法與設(shè)計(jì)譜法）一、波浪理論的選擇1.幾種重要的波浪理論2.各種波浪理論的適用范圍3.選擇波浪理論的主要依據(jù)2.3波浪載荷（設(shè)計(jì)波法與設(shè)計(jì)譜法）一、波浪理論的選擇1.1.幾種重要的波浪理論

(1)艾里（Airy）波：深水和淺水中的微幅波，線性理論（波峰波谷形狀對(duì)稱）

(2)斯托克斯（Stokes）高階波：深水中的有限幅波，非線性理論（波谷形狀較平坦）

(3)橢圓余弦波：淺水中的有限幅波，非線性理論

(4)孤立波：極淺水中的有限幅波，非線性理論1.幾種重要的波浪理論

(1)艾里（Airy）波：深水波面波長(zhǎng)速度勢(shì)（1）艾里波理論波面（1）艾里波理論根據(jù)速度勢(shì)可求得波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度根據(jù)速度勢(shì)可求得波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度海洋平臺(tái)的環(huán)境載荷課件（2）司托克斯五階波理論

波面波長(zhǎng)速度勢(shì)5階（2）司托克斯五階波理論波面5階（3）橢圓余弦波理論（3）橢圓余弦波理論海洋平臺(tái)的環(huán)境載荷課件模數(shù)k的值在0與1之間變化。當(dāng)k=0時(shí)，橢圓余弦波轉(zhuǎn)化為正弦波（艾里波）當(dāng)k=1時(shí)，橢圓余弦波變?yōu)椴ㄩL(zhǎng)無(wú)限大，孤峰凸起于水面以上，即為孤立波孤立波是橢圓余弦波的一種特殊情況實(shí)際計(jì)算中，k值接近1，收斂較快模數(shù)k的值在0與1之間變化。（4）孤立波理論波面波速（4）孤立波理論波面海洋平臺(tái)的環(huán)境載荷課件

2.各種波浪理論的適用范圍2.各種波浪理論的適用范圍各種波浪理論的比較就波峰處的水平加速度和垂直加速度而言，孤立波理論的結(jié)果一般偏大，只有在極淺水域(d/T2＜0.007，其中d為水深，T為波浪周期)時(shí)才與橢圓余弦波相接近艾里波理論的結(jié)果一般偏小，只有在深水區(qū)(d/T2＞1)時(shí)才與司托克斯五階波的結(jié)果相接近橢圓余弦波與司托克斯五階波的比較一般是橢圓余弦波的結(jié)果大些，僅當(dāng)d/T2=0.08～0.1時(shí)，兩者才比較接近。各種波浪理論的比較就波峰處的水平加速度和垂直加速度而言，孤立3.選擇波浪理論的主要依據(jù)

——平臺(tái)的工作水深對(duì)于海洋平臺(tái)的波浪力計(jì)算，從工程實(shí)用角度出發(fā):d/T2=0.08～0.1作為分界線大于此值：選用司托克斯五階波小于此值：選用橢圓余弦波艾里波理論由于其簡(jiǎn)單，使用簡(jiǎn)便，有良好的適應(yīng)性(適用于各種水深，其線性性質(zhì)可用于研究繞射問(wèn)題和各種譜分析)艾里波理論雖適合于微幅波情況，但在實(shí)際應(yīng)用中并不受此限制，波高甚大時(shí)用此種理論進(jìn)行工程計(jì)算也能有較好的效果，在作初步的估算時(shí)，可選用艾里波理論3.選擇波浪理論的主要依據(jù)二、波浪載荷計(jì)算概述波浪誘導(dǎo)載荷的成分：

拖曳力—物體造成水流擾動(dòng)，粘性效應(yīng)

慣性力—入射波壓力(F-K力)；流體附加質(zhì)量力

繞射力—考慮物體時(shí)，波浪繞射引起的三種力對(duì)具體結(jié)構(gòu)并非同等重要，主要取決：1結(jié)構(gòu)的型式、尺度2選取的波浪工況大尺度結(jié)構(gòu)，慣性力和繞射力！小尺度結(jié)構(gòu)，拖曳力和慣性力！二、波浪載荷計(jì)算概述波浪誘導(dǎo)載荷的成分：大尺度結(jié)構(gòu)，慣性力海洋結(jié)構(gòu)物按尺度的劃分：小尺度構(gòu)件：D/L0.2的情況(D為構(gòu)件的直徑，L為波長(zhǎng))大尺度構(gòu)件：D/L>0.2的情況(D為構(gòu)件的直徑，L為波長(zhǎng))小尺度構(gòu)件—以拖曳力和慣性力為主，莫里森公式大尺度構(gòu)件─以繞射力和慣性力為主，勢(shì)流理論海洋平臺(tái)強(qiáng)度分析中，除鋼筋混凝土重力式平臺(tái)等大尺度物體外，平臺(tái)構(gòu)件基本上是按小尺度結(jié)構(gòu)來(lái)考慮的海洋結(jié)構(gòu)物按尺度的劃分：三、應(yīng)用莫里森公式計(jì)算小尺度構(gòu)件的載荷

1.莫里森（Morison）公式2.無(wú)因次的拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)三、應(yīng)用莫里森公式計(jì)算小尺度構(gòu)件的載荷1.莫里森（Mori1.莫里森（Morison）公式

計(jì)算垂直構(gòu)件軸線方向的單位長(zhǎng)度波浪力

(1)原始形式：固定垂直立柱的單位長(zhǎng)度波浪力

(2)一般形式：計(jì)及結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)（剛體運(yùn)動(dòng)和彈性變形）的任意方向構(gòu)件的單位長(zhǎng)度波浪力（拖曳力＋慣性力）（拖曳力＋F-K力＋附加質(zhì)量力）1.莫里森（Morison）公式(2)一般形式：計(jì)及結(jié)適用小尺度構(gòu)件受波浪載荷(拖曳力與慣性力)適用小尺度構(gòu)件受波浪載荷(拖曳力與慣性力)波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度選定適當(dāng)?shù)牟ɡ死碚撚?jì)算考慮波浪的入射角，或平臺(tái)的傾斜構(gòu)件，坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換三個(gè)坐標(biāo)系：波浪坐標(biāo)系，結(jié)構(gòu)總坐標(biāo)系，構(gòu)件坐標(biāo)系(1)根據(jù)波浪的方向角，將相對(duì)于波浪坐標(biāo)系的水質(zhì)點(diǎn)速度轉(zhuǎn)換為相對(duì)于結(jié)構(gòu)總坐標(biāo)系的速度。(2)將結(jié)構(gòu)總坐標(biāo)系的水質(zhì)點(diǎn)速度轉(zhuǎn)換為相對(duì)于構(gòu)件坐標(biāo)系的速度。波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度三個(gè)坐標(biāo)系：波浪坐標(biāo)系，結(jié)構(gòu)總坐標(biāo)系

2.無(wú)因次的拖曳力系數(shù)CD和慣性力系數(shù)CM

（1）拖曳力系數(shù)CD取決于：物體截面形狀、表面粗糙度、雷諾數(shù)等，通常依賴試驗(yàn)測(cè)定

（2）慣性力系數(shù)CM=1+Cm：一般可按勢(shì)流理論計(jì)算或試驗(yàn)確定

海洋平臺(tái)的環(huán)境載荷課件波浪載荷的慣性力包括兩部分，傅汝德—克雷洛夫力和附加質(zhì)量力慣性力系數(shù)：CM=1+Cm,一般光滑桿件的附加質(zhì)量由勢(shì)流理論根據(jù)其截面形狀和運(yùn)動(dòng)方向確定波浪載荷的慣性力包括兩部分，傅汝德—克雷洛夫力和附加質(zhì)量力海洋平臺(tái)的環(huán)境載荷課件四、應(yīng)用勢(shì)流理論計(jì)算大尺度構(gòu)件的載荷1.繞射問(wèn)題

總速度勢(shì)繞射速度勢(shì)滿足

總速度勢(shì)

脈動(dòng)壓力力和力矩四、應(yīng)用勢(shì)流理論計(jì)算大尺度構(gòu)件的載荷1.繞射問(wèn)題2.計(jì)算方法

(1)理論方法

(2)半理論半經(jīng)驗(yàn)方法——F-K法

波浪力

｛解析法：僅適合于圓柱體數(shù)值方法（三維分布源法）：適合于一般形狀的大型物體2.計(jì)算方法｛解析法：僅適合于圓柱體海洋平臺(tái)的環(huán)境載荷課件海洋中的水流一般包括兩個(gè)部分：一是潮流，二是風(fēng)海流。潮流是由于太陽(yáng)、月球?qū)Φ厍虻囊κ购Ｋ科鸷蠖鸬乃椒较虻乃鬟\(yùn)動(dòng)。潮流有季節(jié)性的變化，但大致以一定的方向流動(dòng)。潮流方向一般在12h左右反轉(zhuǎn)一次。一般海洋中的潮流流速是比較小的，但在海峽和水道內(nèi)產(chǎn)生的潮流流速比較大些。風(fēng)海流是由于貿(mào)易風(fēng)形成的大氣環(huán)流吹成的水流，它還受到由于地球的轉(zhuǎn)動(dòng)、大陸架海水密度差異等等的動(dòng)力作用的影響。它的流向幾乎是不變的，在北半球?yàn)轫槙r(shí)針，在南半球?yàn)槟鏁r(shí)針。2.4海流（潮）載荷

海洋中的水流一般包括兩個(gè)部分：一是潮流，二是風(fēng)海流。2.4海(潮)流力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用是以海流流速與水質(zhì)點(diǎn)速度矢量疊加的形式加以考慮浪、流聯(lián)合作用：在莫里森公式中取海（潮）流力單獨(dú)作用計(jì)算公式為2.4海流（潮）載荷

海(潮)流力對(duì)結(jié)構(gòu)的作用是以海流流速與水質(zhì)點(diǎn)速度矢量疊加的形影響海(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規(guī)律海(潮)流流向結(jié)構(gòu)構(gòu)件的形狀與尺度海流速沿深度的變化，參考DNV公式影響海(潮)流力大小的因素主要有：2.5冰載荷

對(duì)于會(huì)出現(xiàn)冰凍的寒冷海域，冰力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響往往是很嚴(yán)重的冰作用在平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的力主要有；(1)巨大冰層包圍結(jié)構(gòu)物，冰層移動(dòng)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的擠壓；(2)流冰對(duì)結(jié)構(gòu)物的沖擊；(3)冰層膨脹擠壓結(jié)構(gòu)物時(shí)所產(chǎn)生的膨脹力；(4)當(dāng)冰層與結(jié)構(gòu)物凍結(jié)在一起，冰層移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的拖曳力，冰層因水位下降時(shí)而產(chǎn)生的向下的附加重力，冰層因水位上升時(shí)而產(chǎn)生的向上的附加浮力；(5)海冰與結(jié)構(gòu)物之間的摩擦力；2.5冰載荷對(duì)于會(huì)出現(xiàn)冰凍的寒冷海域，冰力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響往在工程中采用極限冰壓力作為計(jì)算的冰載荷冰壓力一般與冰的極限受壓強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)物迎冰面的寬度和厚度、冰層厚度、冰行結(jié)構(gòu)物時(shí)的速度及冰溫等因素有關(guān)冰原對(duì)垂直樁柱的最大擠壓力P的計(jì)算有效接觸面積mK2bh

冰所能承受的單位面積最大擠壓力K1RC在工程中采用極限冰壓力作為計(jì)算的冰載荷m為樁柱的形狀系數(shù)，可按表選取K1為局部擠壓系數(shù)K2為樁柱與冰層的接觸系數(shù)b為樁柱寬度（或直徑）h為冰層計(jì)算厚度，按實(shí)測(cè)資料確定遼東灣h＝1m渤海灣h＝0.8m

萊州灣h＝0.7m黃海北部沿海h＝0.8mm為樁柱的形狀系數(shù)，可按表選取在水面變化范圍內(nèi)，采用帶有傾斜面的樁柱可以減弱冰壓力的作用當(dāng)冰壓至斜面時(shí)，作用在斜面上的冰壓力可以分解為垂直于斜面的法向力和沿斜面的斜向分力，斜向分力使冰塊沿斜面上升，法向力中分解出的垂直力使冰層產(chǎn)生彎曲或剪切力，使冰層破壞，分解出的水平力則明顯地比直壁圓柱的擠壓力小得多在水面變化范圍內(nèi)，采用帶有傾斜面的樁柱可以減弱冰壓力的作用第二章海洋平臺(tái)的環(huán)境載荷

第二章海洋平臺(tái)的環(huán)境載荷2.1海洋平臺(tái)的載荷分類載荷的分類方法有多種:分成環(huán)境載荷和工作載荷；分成靜載荷和動(dòng)載荷；分成確定性載荷和隨機(jī)性載荷；分成設(shè)計(jì)載荷、校核載荷和特殊載荷等等2.1海洋平臺(tái)的載荷分類載荷的分類方法有多種:活動(dòng)平臺(tái)規(guī)范中常用載荷分類方法使用期間建造期間：｛平臺(tái)載荷｛環(huán)境載荷使用載荷施工載荷活動(dòng)平臺(tái)規(guī)范中常用載荷分類方法使用期間建造期間：｛平臺(tái)載荷｛環(huán)境載荷

出于直接的自然環(huán)境作用而發(fā)生的載荷有：風(fēng)載荷、波浪載荷、海流載荷、地震載荷、冰載荷、溫度變化引起的載荷等。由間接的自然環(huán)境作用而發(fā)生的載荷，如系泊力，它是對(duì)于環(huán)境載荷的反作用力；慣性力，它是由于平臺(tái)在漂浮狀態(tài)時(shí)在風(fēng)、浪等外力作用下平臺(tái)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的力。定義：由于直接的和間接的自然環(huán)境作用發(fā)生的、作用在結(jié)構(gòu)物上的載荷。環(huán)境載荷定義：由于直接的和間接的自然環(huán)境作用發(fā)生的、作用在圖2.1作用在鉆井裝置上的環(huán)境力圖2.1作用在鉆井裝置上的環(huán)境力波浪載荷波浪載荷使用載荷固定載荷：大小、位置和方向不隨時(shí)間改變，如平臺(tái)結(jié)構(gòu)自重、永久固定設(shè)備、平臺(tái)水下的浮力活載荷：與平臺(tái)使用有關(guān)的載荷。分為可變載荷和動(dòng)力載荷?？勺冚d荷：隨時(shí)間緩慢改變大小或位置的載荷，如活動(dòng)井架，人員等重量動(dòng)力載荷：隨時(shí)間很快改變其大小、方向或位置的載荷，使結(jié)構(gòu)很快發(fā)生重大的動(dòng)力影響。如鉆機(jī)工作時(shí)的動(dòng)載荷，吊機(jī)起重、船舶停靠、直升機(jī)起落等引起的沖擊載荷。動(dòng)力載荷需考慮動(dòng)力放大作用。定義：平臺(tái)使用期間受到的除環(huán)境載荷以外的其他載荷，分為：固定載荷和活載荷。使用載荷固定載荷：大小、位置和方向不隨時(shí)間改變，如平臺(tái)結(jié)構(gòu)自施工載荷這些載荷會(huì)使一些構(gòu)件產(chǎn)生瞬時(shí)的高應(yīng)力它不是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制載荷，但需要校核這些載荷對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響定義：平臺(tái)在建造以及海上吊裝、安裝過(guò)程中所承受的載荷。施工載荷這些載荷會(huì)使一些構(gòu)件產(chǎn)生瞬時(shí)的高應(yīng)力定義：平臺(tái)在建造對(duì)于使用載荷和施工載荷，各國(guó)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)規(guī)范都會(huì)有明確規(guī)定，且各國(guó)規(guī)定日趨一致環(huán)境載荷是平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制載荷，而且受到環(huán)境條件等因素的影響，計(jì)算復(fù)雜【CCS】如可能，設(shè)計(jì)環(huán)境條件應(yīng)根據(jù)可靠及足夠的實(shí)測(cè)資料由統(tǒng)計(jì)分析確定，自存工況設(shè)計(jì)環(huán)境條件的重現(xiàn)期建議不小于50年。對(duì)于使用載荷和施工載荷，各國(guó)的平臺(tái)結(jié)構(gòu)規(guī)范都會(huì)有明確規(guī)定，且2.2風(fēng)載荷P為受風(fēng)構(gòu)件表面上的風(fēng)壓,N/m2,A為構(gòu)件垂直于風(fēng)向的輪廓投影面積

計(jì)算風(fēng)壓P時(shí)，以根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)高度和形狀選定的基本風(fēng)壓值P0為基礎(chǔ)，然后再對(duì)風(fēng)壓沿高度的變化和受風(fēng)構(gòu)件形狀作修正N/m3

，空氣密度為考慮風(fēng)壓沿高度變化的高度系數(shù);為考慮受風(fēng)構(gòu)件形狀影響的形狀系數(shù)風(fēng)壓與風(fēng)速的平方成正比，故風(fēng)速的取值顯得特別重要!2.2風(fēng)載荷P為受風(fēng)構(gòu)件表面上的風(fēng)壓,N/m2,A為構(gòu)件海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中常用的是兩種設(shè)計(jì)風(fēng)速，即持續(xù)風(fēng)風(fēng)速和陣風(fēng)風(fēng)速持續(xù)風(fēng)風(fēng)速一般是幾分鐘(例如1～3min)時(shí)距的平均風(fēng)速，而陣風(fēng)風(fēng)速是幾秒鐘(例如3s)時(shí)距的平均風(fēng)速當(dāng)作用在平臺(tái)上的波浪力是最大波浪力，則同時(shí)作用在平臺(tái)上的風(fēng)力按持續(xù)風(fēng)風(fēng)速計(jì)算如果僅僅陣風(fēng)的作用比持續(xù)風(fēng)加波浪的作用更為不利時(shí)，則應(yīng)以陣風(fēng)風(fēng)速計(jì)算海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中常用的是兩種設(shè)計(jì)風(fēng)速，即持續(xù)風(fēng)風(fēng)速和陣風(fēng)風(fēng)速不同時(shí)距的風(fēng)速之間有一定的關(guān)系，時(shí)距短的風(fēng)速比時(shí)距長(zhǎng)的風(fēng)速要大不同時(shí)距平均風(fēng)速與1h平均風(fēng)速的比例系數(shù)時(shí)距1h10min1min15s5s3s系數(shù)值1.001.041.261.261.321.35不同時(shí)距的風(fēng)速之間有一定的關(guān)系，時(shí)距短的風(fēng)速比時(shí)距長(zhǎng)的風(fēng)速要基本風(fēng)壓的標(biāo)準(zhǔn)高度為海面上10m，所以設(shè)計(jì)風(fēng)速一般取海面上10m高處的風(fēng)速n值與測(cè)量風(fēng)速的時(shí)距以及離岸的距離有關(guān)，一般在7～13之間變化美國(guó)API規(guī)范建議，在開(kāi)敞的海域，對(duì)于持續(xù)風(fēng)風(fēng)速n等于8，對(duì)于陣風(fēng)風(fēng)速n等于13基本風(fēng)壓的標(biāo)準(zhǔn)高度為海面上10m，所以設(shè)計(jì)風(fēng)速一般取海面上1海洋平臺(tái)的環(huán)境載荷課件嚴(yán)格說(shuō)來(lái)是構(gòu)件形狀、構(gòu)件表面粗糙度及雷諾數(shù)的函數(shù)

為便于工程應(yīng)用，一般都根據(jù)構(gòu)件的形狀定出

CCS規(guī)范嚴(yán)格說(shuō)來(lái)是構(gòu)件形狀、構(gòu)件表面粗糙度及雷諾數(shù)的函數(shù)為便于工程計(jì)算風(fēng)壓時(shí)，設(shè)計(jì)風(fēng)速一般是選用50年一遇或100年一遇的風(fēng)速我國(guó)移動(dòng)平臺(tái)規(guī)范規(guī)定，設(shè)計(jì)風(fēng)速在極端風(fēng)暴狀態(tài)時(shí)一般不小于51.5m/s(100kn)；在正常作業(yè)時(shí)不小于36m/s(70kn)；在遮蔽海區(qū)不小于26m/s(50kn)

各海區(qū)設(shè)計(jì)風(fēng)速建議值（m/s）計(jì)算風(fēng)壓時(shí)，設(shè)計(jì)風(fēng)速一般是選用50年一遇或100年一遇的風(fēng)速受風(fēng)投影面積A的計(jì)算受風(fēng)投影面積A的計(jì)算按照結(jié)構(gòu)的輪廓投影面積計(jì)算桁架結(jié)構(gòu)，可以先計(jì)算作用在組成桁架的各構(gòu)件上的風(fēng)載，再將它們疊加起來(lái)就成為桁架的總風(fēng)載簡(jiǎn)化計(jì)算，采用桁架的形狀系數(shù)來(lái)代替單根構(gòu)件的形狀系數(shù)，受風(fēng)投影面積用桁架迎風(fēng)的前后兩個(gè)輪廓面積的30％，或一個(gè)輪廓面積的60％來(lái)計(jì)算受風(fēng)投影面積A的計(jì)算受風(fēng)投影面積A的計(jì)算CCS規(guī)定計(jì)算風(fēng)力時(shí)，推薦下列作法：（1）當(dāng)平臺(tái)有立柱時(shí)，應(yīng)計(jì)入全部立柱的投影面積，不考慮遮蔽效應(yīng)。（2）對(duì)于因傾斜產(chǎn)生的受風(fēng)面積，如甲板下表面和甲板下構(gòu)件等，應(yīng)采用合適的形狀系數(shù)計(jì)入受風(fēng)面積中。（3）對(duì)于密集的甲板室，可用整體投影面積來(lái)代替計(jì)算每個(gè)面積，此時(shí)形狀系數(shù)可取為1.1.（4）對(duì)于孤立的建筑物、結(jié)構(gòu)型材和起重機(jī)等，應(yīng)選用合適的形狀系數(shù)，分別進(jìn)行計(jì)算。（5）通常用作井架、吊桿和某些類型桅桿的開(kāi)式桁架結(jié)構(gòu)的受風(fēng)面積，可近似的取每側(cè)滿實(shí)投影面積的30%，或取雙面桁架單側(cè)滿實(shí)投影面積的60%，并選用合適的形狀系數(shù)。CCS規(guī)定計(jì)算風(fēng)力時(shí)，推薦下列作法：基本風(fēng)壓的修正對(duì)平臺(tái)上的高聳結(jié)構(gòu)，因其剛度較低，自振周期較長(zhǎng)，在不穩(wěn)定的脈動(dòng)風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)物將出現(xiàn)一定的動(dòng)力響應(yīng)，特別是風(fēng)速較大時(shí)，動(dòng)力響應(yīng)更為顯著所以設(shè)計(jì)高聳建筑物時(shí)，除了要考慮因平均風(fēng)速產(chǎn)生的穩(wěn)定風(fēng)壓外、還必須考慮因脈動(dòng)風(fēng)速產(chǎn)生的脈動(dòng)風(fēng)壓。在工程設(shè)計(jì)中，常常采用動(dòng)力放大系數(shù)來(lái)對(duì)基本風(fēng)壓進(jìn)行修正?；撅L(fēng)壓的修正對(duì)平臺(tái)上的高聳結(jié)構(gòu)，因其剛度較低，自振周期較長(zhǎng)我國(guó)固定平臺(tái)規(guī)范規(guī)定，對(duì)平臺(tái)上的高聳結(jié)構(gòu)，當(dāng)其基本自震周期T＞0.5s時(shí)，作用風(fēng)壓應(yīng)為基本風(fēng)壓值的倍，我國(guó)固定平臺(tái)規(guī)范規(guī)定，對(duì)平臺(tái)上的高聳結(jié)構(gòu)，當(dāng)其基本自震周期T思考題1、目前世界上用的最多的海洋平臺(tái)是哪三類？2、海洋平臺(tái)作業(yè)的特點(diǎn)，平臺(tái)事故發(fā)生的直接原因是什么？3、海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)破壞形式是什么？4、海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟是什么？5、海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的分析方法是哪兩種？各自的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？6、活動(dòng)平臺(tái)規(guī)范中常用的載荷分類方法是什么？7、風(fēng)載荷的計(jì)算方法是什么（只需寫出基本思路，提示：P與P0的關(guān)系）？思考題1、目前世界上用的最多的海洋平臺(tái)是哪三類？知識(shí)點(diǎn)回顧目前世界上使用最多的是自升式平臺(tái)、半潛式平臺(tái)和鋼質(zhì)導(dǎo)管架平臺(tái)。知識(shí)點(diǎn)回顧目前世界上使用最多的是自升式平臺(tái)、半潛式平臺(tái)和鋼質(zhì)

一、自升式平臺(tái)(JACK-UPPlatform)

組成：由平臺(tái)主體、樁腿和升降機(jī)構(gòu)三大部分組成。

一、自升式平臺(tái)(JACK-UPPlatform)

組成：二、半潛式平臺(tái)

（Semi-submersiblePlatform）

半潛式平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)由三大部分組成：即平臺(tái)主體、浮箱(或下浮體)、立柱和撐桿。二、半潛式平臺(tái)

（Semi-submersiblePla三、導(dǎo)管架平臺(tái)（Jacket-upPlatform

）組成:上部結(jié)構(gòu)、導(dǎo)管架和樁。三、導(dǎo)管架平臺(tái)（Jacket-upPlatform）組海洋平臺(tái)作業(yè)的特點(diǎn)：海洋平臺(tái)在十分惡劣的海洋環(huán)境中作業(yè)，所受的外載荷復(fù)雜平臺(tái)外載荷及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度難以精確確定作業(yè)狀態(tài)的多樣性（多工況），對(duì)平臺(tái)設(shè)計(jì)和使用還缺乏經(jīng)驗(yàn)平臺(tái)事故發(fā)生的直接原因往往是由于：(1)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備不足(2)浮力儲(chǔ)備和穩(wěn)性不足(3)操作不當(dāng)海洋平臺(tái)作業(yè)的特點(diǎn)：平臺(tái)事故發(fā)生的直接原因往往是由于：海洋平臺(tái)的安全性一般是通過(guò)保證外載荷效應(yīng)(如結(jié)構(gòu)應(yīng)力)小于相應(yīng)的結(jié)構(gòu)承載能力(如危險(xiǎn)應(yīng)力)的某個(gè)百分?jǐn)?shù)的方法來(lái)達(dá)到，也就是在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上保留一定的安全儲(chǔ)備。海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)破壞模式有四種：

(1)屈服失效

(2)屈曲失效

(3)疲勞失效

(4)脆性破壞失效海洋平臺(tái)的安全性和失效海洋平臺(tái)的安全性一般是通過(guò)保證外載荷效應(yīng)(如結(jié)構(gòu)應(yīng)力)小于相平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟1.選擇平臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式

2.確定平臺(tái)主尺度，具體進(jìn)行總體布置

3.移動(dòng)式平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)性能和穩(wěn)性的分析

4.外載荷計(jì)算，進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全性校核

5.強(qiáng)力構(gòu)件尺寸初步確定，構(gòu)件材料的選取

6.結(jié)構(gòu)的總體強(qiáng)度分析

7.對(duì)結(jié)構(gòu)重量進(jìn)行校核

8.局部節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟1.選擇平臺(tái)的結(jié)構(gòu)型式

2.確定平海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析方法

兩種：

(1)設(shè)計(jì)波法，又稱確定性方法；

(2)設(shè)計(jì)譜法，又稱隨機(jī)性方法。

海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析方法

兩種：

(1)設(shè)計(jì)波法，又稱確定設(shè)計(jì)譜法優(yōu)點(diǎn)

能較好地描述平臺(tái)在不規(guī)則波中的響應(yīng)特性，被逐步推廣缺點(diǎn)

波浪力及錨泊力的非線性問(wèn)題很難直接考慮，比前一種方法復(fù)雜，計(jì)算工作量也大得多。

設(shè)計(jì)波法優(yōu)點(diǎn)計(jì)算簡(jiǎn)單可以采用高階波理論能計(jì)入海流的影響波浪力的非線性成分較易處理缺點(diǎn)

沒(méi)有反映平臺(tái)在實(shí)際海面上受到的載荷的隨機(jī)特性設(shè)計(jì)譜法設(shè)計(jì)波法活動(dòng)平臺(tái)規(guī)范中常用載荷分類方法使用期間建造期間：｛平臺(tái)載荷｛環(huán)境載荷使用載荷施工載荷活動(dòng)平臺(tái)規(guī)范中常用載荷分類方法使用期間建造期間：｛平臺(tái)載荷｛風(fēng)載荷P為受風(fēng)構(gòu)件表面上的風(fēng)壓,N/m2,A為構(gòu)件垂直于風(fēng)向的輪廓投影面積

計(jì)算風(fēng)壓P時(shí)，以根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)高度和形狀選定的基本風(fēng)壓值P0為基礎(chǔ)，然后再對(duì)風(fēng)壓沿高度的變化和受風(fēng)構(gòu)件形狀作修正N/m3

，空氣密度為考慮風(fēng)壓沿高度變化的高度系數(shù);為考慮受風(fēng)構(gòu)件形狀影響的形狀系數(shù)風(fēng)壓與風(fēng)速的平方成正比，故風(fēng)速的取值顯得特別重要!風(fēng)載荷P為受風(fēng)構(gòu)件表面上的風(fēng)壓,N/m2,A為構(gòu)件垂直于風(fēng)2.3波浪載荷（設(shè)計(jì)波法與設(shè)計(jì)譜法）一、波浪理論的選擇1.幾種重要的波浪理論2.各種波浪理論的適用范圍3.選擇波浪理論的主要依據(jù)2.3波浪載荷（設(shè)計(jì)波法與設(shè)計(jì)譜法）一、波浪理論的選擇1.1.幾種重要的波浪理論

(1)艾里（Airy）波：深水和淺水中的微幅波，線性理論（波峰波谷形狀對(duì)稱）

(2)斯托克斯（Stokes）高階波：深水中的有限幅波，非線性理論（波谷形狀較平坦）

(3)橢圓余弦波：淺水中的有限幅波，非線性理論

(4)孤立波：極淺水中的有限幅波，非線性理論1.幾種重要的波浪理論

(1)艾里（Airy）波：深水波面波長(zhǎng)速度勢(shì)（1）艾里波理論波面（1）艾里波理論根據(jù)速度勢(shì)可求得波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度根據(jù)速度勢(shì)可求得波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度海洋平臺(tái)的環(huán)境載荷課件（2）司托克斯五階波理論

波面波長(zhǎng)速度勢(shì)5階（2）司托克斯五階波理論波面5階（3）橢圓余弦波理論（3）橢圓余弦波理論海洋平臺(tái)的環(huán)境載荷課件模數(shù)k的值在0與1之間變化。當(dāng)k=0時(shí)，橢圓余弦波轉(zhuǎn)化為正弦波（艾里波）當(dāng)k=1時(shí)，橢圓余弦波變?yōu)椴ㄩL(zhǎng)無(wú)限大，孤峰凸起于水面以上，即為孤立波孤立波是橢圓余弦波的一種特殊情況實(shí)際計(jì)算中，k值接近1，收斂較快模數(shù)k的值在0與1之間變化。（4）孤立波理論波面波速（4）孤立波理論波面海洋平臺(tái)的環(huán)境載荷課件

2.各種波浪理論的適用范圍2.各種波浪理論的適用范圍各種波浪理論的比較就波峰處的水平加速度和垂直加速度而言，孤立波理論的結(jié)果一般偏大，只有在極淺水域(d/T2＜0.007，其中d為水深，T為波浪周期)時(shí)才與橢圓余弦波相接近艾里波理論的結(jié)果一般偏小，只有在深水區(qū)(d/T2＞1)時(shí)才與司托克斯五階波的結(jié)果相接近橢圓余弦波與司托克斯五階波的比較一般是橢圓余弦波的結(jié)果大些，僅當(dāng)d/T2=0.08～0.1時(shí)，兩者才比較接近。各種波浪理論的比較就波峰處的水平加速度和垂直加速度而言，孤立3.選擇波浪理論的主要依據(jù)

——平臺(tái)的工作水深對(duì)于海洋平臺(tái)的波浪力計(jì)算，從工程實(shí)用角度出發(fā):d/T2=0.08～0.1作為分界線大于此值：選用司托克斯五階波小于此值：選用橢圓余弦波艾里波理論由于其簡(jiǎn)單，使用簡(jiǎn)便，有良好的適應(yīng)性(適用于各種水深，其線性性質(zhì)可用于研究繞射問(wèn)題和各種譜分析)艾里波理論雖適合于微幅波情況，但在實(shí)際應(yīng)用中并不受此限制，波高甚大時(shí)用此種理論進(jìn)行工程計(jì)算也能有較好的效果，在作初步的估算時(shí)，可選用艾里波理論3.選擇波浪理論的主要依據(jù)二、波浪載荷計(jì)算概述波浪誘導(dǎo)載荷的成分：

拖曳力—物體造成水流擾動(dòng)，粘性效應(yīng)

慣性力—入射波壓力(F-K力)；流體附加質(zhì)量力

繞射力—考慮物體時(shí)，波浪繞射引起的三種力對(duì)具體結(jié)構(gòu)并非同等重要，主要取決：1結(jié)構(gòu)的型式、尺度2選取的波浪工況大尺度結(jié)構(gòu)，慣性力和繞射力！小尺度結(jié)構(gòu)，拖曳力和慣性力！二、波浪載荷計(jì)算概述波浪誘導(dǎo)載荷的成分：大尺度結(jié)構(gòu)，慣性力海洋結(jié)構(gòu)物按尺度的劃分：小尺度構(gòu)件：D/L0.2的情況(D為構(gòu)件的直徑，L為波長(zhǎng))大尺度構(gòu)件：D/L>0.2的情況(D為構(gòu)件的直徑，L為波長(zhǎng))小尺度構(gòu)件—以拖曳力和慣性力為主，莫里森公式大尺度構(gòu)件─以繞射力和慣性力為主，勢(shì)流理論海洋平臺(tái)強(qiáng)度分析中，除鋼筋混凝土重力式平臺(tái)等大尺度物體外，平臺(tái)構(gòu)件基本上是按小尺度結(jié)構(gòu)來(lái)考慮的海洋結(jié)構(gòu)物按尺度的劃分：三、應(yīng)用莫里森公式計(jì)算小尺度構(gòu)件的載荷

1.莫里森（Morison）公式2.無(wú)因次的拖曳力系數(shù)和慣性力系數(shù)三、應(yīng)用莫里森公式計(jì)算小尺度構(gòu)件的載荷1.莫里森（Mori1.莫里森（Morison）公式

計(jì)算垂直構(gòu)件軸線方向的單位長(zhǎng)度波浪力

(1)原始形式：固定垂直立柱的單位長(zhǎng)度波浪力

(2)一般形式：計(jì)及結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)（剛體運(yùn)動(dòng)和彈性變形）的任意方向構(gòu)件的單位長(zhǎng)度波浪力（拖曳力＋慣性力）（拖曳力＋F-K力＋附加質(zhì)量力）1.莫里森（Morison）公式(2)一般形式：計(jì)及結(jié)適用小尺度構(gòu)件受波浪載荷(拖曳力與慣性力)適用小尺度構(gòu)件受波浪載荷(拖曳力與慣性力)波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度選定適當(dāng)?shù)牟ɡ死碚撚?jì)算考慮波浪的入射角，或平臺(tái)的傾斜構(gòu)件，坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換三個(gè)坐標(biāo)系：波浪坐標(biāo)系，結(jié)構(gòu)總坐標(biāo)系，構(gòu)件坐標(biāo)系(1)根據(jù)波浪的方向角，將相對(duì)于波浪坐標(biāo)系的水質(zhì)點(diǎn)速度轉(zhuǎn)換為相對(duì)于結(jié)構(gòu)總坐標(biāo)系的速度。(2)將結(jié)構(gòu)總坐標(biāo)系的水質(zhì)點(diǎn)速度轉(zhuǎn)換為相對(duì)于構(gòu)件坐標(biāo)系的速度。波浪水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度三個(gè)坐標(biāo)系：波浪坐標(biāo)系，結(jié)構(gòu)總坐標(biāo)系

2.無(wú)因次的拖曳力系數(shù)CD和慣性力系數(shù)CM

（1）拖曳力系數(shù)CD取決于：物體截面形狀、表面粗糙度、雷諾數(shù)等，通常依賴試驗(yàn)測(cè)定

（2）慣性力系數(shù)CM=1+Cm：一般可按