海洋工程結(jié)構(gòu)環(huán)境課件

2013年5月天津大學(xué)建筑工程學(xué)院船舶與海洋工程系第一章海洋工程結(jié)構(gòu)環(huán)境2013年5月天津大學(xué)建筑工程學(xué)院船舶與海洋工程系第一章海一、海底地貌

目前，人們已經(jīng)可以用儀器對(duì)海底地貌進(jìn)行連續(xù)掃描并記錄下來(lái)。從地質(zhì)構(gòu)造看，在大陸和海洋之間，有一個(gè)接觸區(qū)，稱為過(guò)度帶或者大陸邊緣，其外面為大洋底。如圖1所示。

圖1.海底地貌一、海底地貌目前，人們已經(jīng)可以用儀器對(duì)海底地貌進(jìn)行連續(xù)掃描過(guò)度帶可分為：大陸架、大陸坡、大陸裙。(1)大陸架指被海水淹沒(méi)的大陸部分，水深：0-200米。是目前已發(fā)現(xiàn)的油氣儲(chǔ)藏最為豐富的區(qū)域。大陸架土質(zhì)分為三層:表層、蓋層和基地層。表層主要為：來(lái)自大陸的松散沉積物；蓋層：主要為沉積巖層；基底層：結(jié)晶巖石。過(guò)度帶可分為：大陸架、大陸坡、大陸裙。(2)大陸坡水深范圍：200-2000米，坡度陡，主要沉積來(lái)自大陸的物質(zhì)。大陸坡具有豐富的油氣資源。開(kāi)發(fā)深海油氣資源，主要指開(kāi)發(fā)大陸坡的油氣資源。KingSPAR平臺(tái)：第一座擁有外殼部分和桁架部分（與傳統(tǒng)外殼結(jié)構(gòu)相似）的組合式SPAR平臺(tái)（TrussSPAR），2001年4月建成，位于墨西哥灣MississippiCanyon85，水深1646m，日生產(chǎn)能力為5萬(wàn)桶原油和2.5億立方英尺天然氣。(2)大陸坡深海平臺(tái)-KingSPAR平臺(tái)組合式SPAR平臺(tái)-TrussSPAR，2001年4月建成，位于墨西哥灣，水深1646m，日生產(chǎn)能力為5萬(wàn)桶原油，2.5億立方英尺天然氣。深海平臺(tái)-KingSPAR平臺(tái)組合式SPAR平臺(tái)-Tru

(3)大陸裙

水深范圍：2000-4000米。一般認(rèn)為，大陸裙水域沒(méi)有石油儲(chǔ)藏。但是大陸裙以外的深海盆，為第三紀(jì)沉積盆地，可能具有油氣資源。(3)大陸裙二、風(fēng)

風(fēng)是對(duì)于海洋工程結(jié)構(gòu)具有破壞性的自然現(xiàn)象。此外，風(fēng)又是引起波浪的主要因素。一般同時(shí)考慮風(fēng)和波浪來(lái)計(jì)算海洋工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。對(duì)于海洋中的漂浮結(jié)構(gòu)（比如，自升式鉆井平臺(tái)在調(diào)遣過(guò)程為漂浮結(jié)構(gòu)），其穩(wěn)性和安全與風(fēng)密切相關(guān)。所以，風(fēng)是影響海洋工程的重要環(huán)境因素。二、風(fēng)風(fēng)是對(duì)于海洋工程結(jié)構(gòu)具有破壞性的自然現(xiàn)象。此風(fēng)按其循環(huán)可分為：大規(guī)模風(fēng)系、中規(guī)模風(fēng)系、小規(guī)模風(fēng)系。大規(guī)模風(fēng)系：由地球自轉(zhuǎn)引起的大氣環(huán)流引起；中規(guī)模風(fēng)系：為季節(jié)風(fēng)，由低氣壓和高氣壓的存在產(chǎn)生臺(tái)風(fēng)；小規(guī)模風(fēng)系：來(lái)自于海洋和大陸間氣溫差引起的陸風(fēng)或者海風(fēng)。1.風(fēng)的分類(lèi)及我國(guó)主要風(fēng)系（1）分類(lèi)風(fēng)按其循環(huán)可分為：大規(guī)模風(fēng)系、中規(guī)模風(fēng)系、小規(guī)模風(fēng)系。1.風(fēng)季風(fēng)：由于陸地與海洋的溫度差引起。寒潮大風(fēng)：一般發(fā)生在每年11月至來(lái)年2月。高壓冷氣團(tuán)南下,造成溫度驟降，伴隨霜凍與大風(fēng)的現(xiàn)象。臺(tái)風(fēng)：熱帶地區(qū)海洋上空的熱帶氣旋猛烈發(fā)展形成的急速旋轉(zhuǎn)的氣流運(yùn)動(dòng)。對(duì)于海洋結(jié)構(gòu)最具威脅的是寒潮大風(fēng)和臺(tái)風(fēng)。（2）我國(guó)海域的主要風(fēng)系季風(fēng)：由于陸地與海洋的溫度差引起。（2）我國(guó)海域的主要風(fēng)系卡特里娜颶風(fēng)：風(fēng)速為79.65m/s，波高18.29m卡特里娜颶風(fēng)：風(fēng)速為79.65m/s，波高18.29m2.風(fēng)參數(shù)

風(fēng)的參數(shù)包括風(fēng)速和風(fēng)向。（1）風(fēng)速

風(fēng)的強(qiáng)度用風(fēng)速來(lái)表示。距離海面不同高度處，風(fēng)的速度不同。距離海面5-10米的高度處，約為不受地面影響的幾公里高度處風(fēng)速的0.67倍。風(fēng)速比與高度比的關(guān)系為：(1)式中，為海面以上高度Z處的風(fēng)速；為處的風(fēng)速。系數(shù)n由海面遮蔽情況確定，平坦海面，。例如，10米高度處風(fēng)速為30m/s，則100m高度處風(fēng)速為41m/s。由式(1)可以畫(huà)出曲線如圖2。2.風(fēng)參數(shù)(1)式中，為海面以上高度Z處的風(fēng)速；為圖2.風(fēng)速與高度的關(guān)系

海上無(wú)遮蔽時(shí)，風(fēng)速比岸上大，外海風(fēng)速為海岸附近風(fēng)速的1.1~1.3倍。圖2中，可以測(cè)量得到。圖2.風(fēng)速與高度的關(guān)系海上無(wú)遮蔽時(shí)，風(fēng)速比岸上大，（2）風(fēng)速及風(fēng)向的表達(dá)風(fēng)的描述：風(fēng)速和風(fēng)向。風(fēng)向一般用16個(gè)方位表示：圖3.16個(gè)風(fēng)向的方位圖3中，Southwest(SW)-西南；Southeast(SE)-東南。Westnorthwest(WNW)-西北偏西；(Northnorthwest)NNW-西北偏北；SSE-SouthSouthEast東南偏南。

（2）風(fēng)速及風(fēng)向的表達(dá)圖3.16個(gè)風(fēng)向的方位圖3中，國(guó)際上將風(fēng)劃分為12個(gè)等級(jí)，稱為蒲氏風(fēng)級(jí)。如下表1：表1.蒲氏風(fēng)級(jí)表表中沒(méi)有列入龍卷風(fēng)，龍卷風(fēng)的風(fēng)級(jí)可達(dá)每秒100-200（米/秒）。（3）蒲氏風(fēng)級(jí)國(guó)際上將風(fēng)劃分為12個(gè)等級(jí)，稱為蒲氏風(fēng)級(jí)。如下表1：表1.由于海洋結(jié)構(gòu)總是定點(diǎn)工作在某個(gè)海域，所以必須給出平臺(tái)工作的鉆井區(qū)的風(fēng)速和風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)特征，表達(dá)風(fēng)速和風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)特征的方法有：圖4.我國(guó)某海區(qū)的風(fēng)玫瑰圖(WindRose)

風(fēng)玫瑰圖給出16個(gè)風(fēng)的方位上不同風(fēng)速風(fēng)出現(xiàn)的頻率。

3.海洋結(jié)構(gòu)工程中風(fēng)的描述（1）風(fēng)玫瑰圖由于海洋結(jié)構(gòu)總是定點(diǎn)工作在某個(gè)海域，所以必須給出平臺(tái)工作的鉆作為海洋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要提供：平均風(fēng)速玫瑰圖；最大風(fēng)速玫瑰圖等。圖5.風(fēng)的統(tǒng)計(jì)直方圖作為海洋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要提供：平均風(fēng)速玫瑰圖；最大風(fēng)速玫瑰圖設(shè)計(jì)風(fēng)速一般取為50年或者一百年一遇的最大風(fēng)速。即重現(xiàn)期為50年或100年。世界各國(guó)風(fēng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：美國(guó)：100年一遇，持續(xù)30秒的最大風(fēng)速；英國(guó)：50年一遇，持續(xù)3秒的最大風(fēng)速；中國(guó)：平均海平面以上10米處，50年一遇，持續(xù)一分鐘的平均最大風(fēng)速和持續(xù)10分鐘的平均最大風(fēng)速，也可根據(jù)具體海域的多年水文觀測(cè)資料值確定。（2）海洋工程中的設(shè)計(jì)風(fēng)速設(shè)計(jì)風(fēng)速一般取為50年或者一百年一遇的最大風(fēng)速。即重現(xiàn)期為三．波浪波浪：是靜水面受到外力作用后，水質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并向一定方向傳播的自然現(xiàn)象。引起波浪的原因：風(fēng)、地震、太陽(yáng)月球引力、重力。風(fēng)是引起波浪的主要因素。風(fēng)和重力的共同作用，形成重力波。1.波浪的描述三．波浪波浪：是靜水面受到外力作用后，水質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置作往重力波：當(dāng)風(fēng)足夠大時(shí)，風(fēng)的能量傳播的結(jié)果使表面張力波變?yōu)橹亓ΣāＲ?guī)則波（簡(jiǎn)諧波）：波高、波長(zhǎng)、周期、波速、相位非規(guī)則波（隨機(jī)波）：特征周期、有義波高、波浪譜重力波：當(dāng)風(fēng)足夠大時(shí)，風(fēng)的能量傳播的結(jié)果使表面張力波變?yōu)橹亓ξ⒎ǎ壕€性波浪理論，假定水質(zhì)點(diǎn)是以平衡位置為圓心的圓周運(yùn)動(dòng)。斯托克斯（STOKES）波：非線性波。微幅波和斯托克斯波均為確定性波浪。2.波浪的分類(lèi)(1)確定性波浪波浪為隨機(jī)的，采用波浪譜表示海洋波浪的隨機(jī)性。波浪譜（波浪譜密度）：為表明波浪能量與波頻變化關(guān)系的曲線。如下圖(2)隨機(jī)波微幅波：線性波浪理論，假定水質(zhì)點(diǎn)是以平衡位置為圓心的圓周運(yùn)動(dòng)

圖6.波浪譜密度曲線根據(jù)波浪譜，可以計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特性，比如位移的均值、方差、自相關(guān)函數(shù)等，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性分析。所以波浪譜有重要的工程應(yīng)用。

圖6.波浪譜密度曲線根據(jù)波浪譜，可以計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)的3.波浪分級(jí)表2.波浪分級(jí)表根據(jù)氣象學(xué)，波浪可以分為9個(gè)等級(jí)，如下表2：3.波浪分級(jí)表2.波浪分級(jí)表根據(jù)氣象學(xué)，波浪可以分為9個(gè)等四、海流海流：指大范圍的海水以相對(duì)穩(wěn)定的速度在水平或者垂直方向連續(xù)的流動(dòng)現(xiàn)象。海流流速隨水深增加而衰減，一般處理為沿水深線性衰減。潮汐流由引潮力所引起，海水作周期性的水平流動(dòng)。其與地形、海底摩擦及地球自轉(zhuǎn)有關(guān)。運(yùn)動(dòng)形式分為往復(fù)流和旋轉(zhuǎn)流。在開(kāi)闊水域，潮流多具有旋轉(zhuǎn)流，其流速為：黃海潮流流速（近東岸）：1.0~1.5m/s東海潮流流速：（長(zhǎng)江口余山海區(qū)）：1.0~2.5m/s南海潮流（廣州灣）：0.75m/s（1）潮汐流1、海流的分類(lèi)四、海流海流：指大范圍的海水以相對(duì)穩(wěn)定的速度在水平或者垂直方（2）風(fēng)海流海風(fēng)吹動(dòng)海面，引起風(fēng)海流。季風(fēng)引起的海流（2）風(fēng)海流海風(fēng)吹動(dòng)海面，引起風(fēng)海流。季風(fēng)引起的海流（3）密度流、鹽水流等梯度流由于海水溫度、含鹽量、密度等不均勻引起的海水的流動(dòng)。風(fēng)引起的流速與海區(qū)的遮蔽狀況有關(guān)，對(duì)于不同海區(qū)，風(fēng)引起的海流流速由風(fēng)速的百分?jǐn)?shù)表示，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，如下區(qū)域風(fēng)生流流速大約為：渤海灣、黃海：2.5%風(fēng)速南海30海里：4%風(fēng)速海南島東岸：（5~8）%風(fēng)速（3）密度流、鹽水流等梯度流由于海水溫度、含鹽量、密度等不均五．海冰在寒冷結(jié)冰海域，海冰可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，即冰載荷大于其它流體載荷。海冰融化流動(dòng)的浮冰五．海冰在寒冷結(jié)冰海域，海冰可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，即冰載浮冰：不與任何固定物體或者海底連接，在風(fēng)和流驅(qū)動(dòng)下漂浮運(yùn)動(dòng)的冰。固定冰：沒(méi)有水平方向運(yùn)動(dòng)，僅有垂向升降。一般說(shuō)，對(duì)于海洋結(jié)構(gòu)物構(gòu)成威脅的主要是浮冰，尤其是冰排。1、海冰的分類(lèi)浮冰：不與任何固定物體或者海底連接，在風(fēng)和流驅(qū)動(dòng)下漂浮運(yùn)2、我國(guó)沿海的冰情表3.我國(guó)沿海的冰情2、我國(guó)沿海的冰情表3.我國(guó)沿海的冰情（1）凍融損傷作用:凍-融交替發(fā)生,主要破壞混凝土結(jié)構(gòu)。（2）膨脹擠壓作用：冰開(kāi)始融化時(shí)，海冰體積膨脹，擠壓結(jié)構(gòu)物。（3）靜力推壓結(jié)構(gòu)：大面積連續(xù)冰層，在風(fēng)或流帶動(dòng)下，對(duì)與冰接觸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平推壓。此為海冰造成結(jié)構(gòu)破壞的主要方式。3、海冰對(duì)于海洋工程結(jié)構(gòu)物的作用（1）凍融損傷作用:凍-融交替發(fā)生,主要破壞混凝土結(jié)構(gòu)。（4）附著冰引起的垂向力：與結(jié)構(gòu)凍在一起附著冰，冰層受風(fēng)或者潮流的作用上下升降。這種作用影響樁腿的安全，冰層下降時(shí)，產(chǎn)生附加重力載荷；上升時(shí)，對(duì)樁腿產(chǎn)生上拔力。矗立在海冰中的導(dǎo)管架平臺(tái)（4）附著冰引起的垂向力：與結(jié)構(gòu)凍在一起附著冰，冰層受風(fēng)或者（5）動(dòng)力撞擊作用：在海冰融化季節(jié)，冰排在風(fēng)和流驅(qū)動(dòng)下，以一定速度撞擊海洋結(jié)構(gòu)物，形成撞擊載荷，這是一種動(dòng)態(tài)冰力。撞擊的頻率如果接近海洋結(jié)構(gòu)的固有頻率，可能導(dǎo)致共振發(fā)生。（5）動(dòng)力撞擊作用：在海冰融化季節(jié)，冰排在風(fēng)和流驅(qū)動(dòng)下，以一六、地震地震是一種災(zāi)害性的自然現(xiàn)象。全世界每年約發(fā)生五百萬(wàn)次地震，其中絕大多數(shù)屬于小震，有的甚至人們并無(wú)感覺(jué)。但大地震的破壞性嚴(yán)重，除人的傷亡外，還有房屋的破壞，交通生產(chǎn)中斷，水、火、疾病等次生災(zāi)害和由此造成的社會(huì)與政治影響。我國(guó)位于環(huán)太平洋地震帶，屬于多發(fā)地震國(guó)家?！?976年7月28日凌晨3點(diǎn)唐山地震：1976年唐山大地震，死亡24萬(wàn)人，直接經(jīng)濟(jì)損失僅30億元?！?008年5月12汶川地震，8級(jí)，死亡6萬(wàn)，直接經(jīng)濟(jì)損失8541億?！?013年4月20日四川蘆山地震，7級(jí)，死亡196人，直接經(jīng)濟(jì)損失6百億。六、地震地震是一種災(zāi)害性的自然現(xiàn)象。全世界每年約發(fā)生五百萬(wàn)次截至1994年，中國(guó)歷史上直接被地震直接奪去生命的人數(shù)為2341319人，因次生、衍生和伴生災(zāi)害而失去生命的人數(shù)為163461人，合計(jì)約為250.8萬(wàn)人。發(fā)生于明朝嘉靖三十四年臘月十二日（1556年1月23日）、震中位于陜西華縣的大地震，是中國(guó)歷史上死亡人數(shù)最多的大地震?，F(xiàn)代科學(xué)家根據(jù)史料記載推斷，此次地震強(qiáng)度為8-8.3級(jí)，烈度為11度。死亡人數(shù)“八十三萬(wàn)有奇”，而當(dāng)時(shí)全國(guó)的總?cè)丝诩s為6300萬(wàn)。截至1994年，中國(guó)歷史上直接被地震直接奪去生命的按照板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)，地震是由于板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而引起的，是地殼巖層中長(zhǎng)期積累的變形在極短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的結(jié)果。板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)把地殼分為六個(gè)大板塊，即歐亞、太平洋、美洲、非洲、印澳和南極板塊。1、地震發(fā)生的原因按照板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)，地震是由于板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而引起的，是地殼巖層地震波的形成：

在各大板塊之間還可有若干較小的板塊。當(dāng)兩個(gè)板塊互相沖撞，其中一個(gè)板塊插入另一板塊之下時(shí)，上部板塊在剪力作用下產(chǎn)生剪切變形從而積累應(yīng)變能，當(dāng)變形超過(guò)極限值時(shí)，巖層即突然斷裂,從而將地殼積累的彈性應(yīng)變能變?yōu)閯?dòng)能釋放出來(lái)，形成地震波。地震波的形成：構(gòu)造地震：地殼巖石中的大斷裂面叫做斷層，絕大多數(shù)斷層形成時(shí)都伴隨有大地震。由此形成的地震叫做構(gòu)造地震。構(gòu)造地震的一般發(fā)生在地球板塊的邊緣。世界上90％以上的地震屬于構(gòu)造地震。構(gòu)造地震：有些地震發(fā)生在地球板塊內(nèi)，稱為板內(nèi)地震。板內(nèi)地震的危害性大。這是因?yàn)榘鍍?nèi)地震大多發(fā)生在人類(lèi)居住集中的大陸板塊中央地區(qū)，那里地殼較厚，巖層年齡較老，強(qiáng)度高，所以發(fā)生強(qiáng)地震可能性較大，而且震源大都在10～30km深度之內(nèi)，容易造成嚴(yán)重震害。我國(guó)沿海海域有一定的地震活動(dòng)性。從目前已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行石油開(kāi)發(fā)的各海區(qū)情況看，其中不少在歷史上或近期發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈地震。有些地震發(fā)生在地球板塊內(nèi)，稱為板內(nèi)地震。板內(nèi)地震的危害性大。地震發(fā)生時(shí)，巖層積累的巨大變形能突然釋放，一部分轉(zhuǎn)化為熱能，一部分以波的形式向四周傳播，這種波就是地震波。地震波分為體波和面波。體波：由震中三維向外傳播的地震波，為立體傳播形式。面波：面波是沿地面?zhèn)鞑サ牟?，面波的周期長(zhǎng)而振幅大，傳播過(guò)程衰減較慢，故能傳播到很遠(yuǎn)的地方。這是地震波波及面廣的原因。地震波傳播過(guò)程，引起地面的三維運(yùn)動(dòng)（位移、速度、加速度）從而導(dǎo)致地面建筑的破壞。2、地震強(qiáng)度的表達(dá)地震發(fā)生時(shí)，巖層積累的巨大變形能突然釋放，一部分轉(zhuǎn)化為熱能，（1）震級(jí)震級(jí)就是地震本身強(qiáng)弱的等級(jí)。它是一次地震釋放能量多少的一種量度，震級(jí)越高表示地震釋放的能量越多。1935年C,F,Richter提出把震級(jí)M定義為式中A為標(biāo)準(zhǔn)地震儀（周期為0.8s，阻尼比0.8，放大倍數(shù)為2800）在距震中100km處記錄的兩個(gè)最大水平位移振幅分量的平均值，單位為m。實(shí)際上地震臺(tái)距震中的距離不一定正好是100km。所以，對(duì)于地震臺(tái)距震中距離不是100km時(shí)，確定的震級(jí)，要做修正。

地震強(qiáng)度表達(dá)：震級(jí)和烈度（1）震級(jí)地震強(qiáng)度表達(dá)：震級(jí)和烈度

我國(guó)采用的震級(jí)的計(jì)算公式為

式中近震體波震級(jí)；記錄的水平最大地動(dòng)位移（m）；起算函數(shù)，隨震中距而變，由于各種儀器常數(shù)不一樣，略有不同。一般說(shuō)來(lái)，5級(jí)以上的地震就會(huì)在地表面引起不同程度的破壞，稱為破壞性地震；7級(jí)以上稱為強(qiáng)烈地震或大地震；8級(jí)以上稱為特大地震。到目前為止，所記錄到的世界上最大的地震是1960年5月22日發(fā)生在智利的8.9級(jí)地震。我國(guó)采用的震級(jí)的計(jì)算公式為地震烈度：是指某一地區(qū)，地面及建筑物遭受一次地震影響和破壞作用的強(qiáng)弱程度。地震烈度指某一地區(qū)的地面和人工建筑物遭受一次地震影響的強(qiáng)弱程度。其既可以描述物理量（地面運(yùn)動(dòng)、速度、加速度），也可以描述宏觀地震破壞程度。相應(yīng)有兩種地震烈度表：我國(guó)的地震烈度分為12個(gè)水平，最強(qiáng)烈的地震烈度為12。（2）地震烈度地震烈度：是指某一地區(qū)，地面及建筑物遭受一次地震影響和破壞作海洋工程結(jié)構(gòu)環(huán)境課件同一次地震在不同地方所表現(xiàn)的強(qiáng)烈程度和引起的破壞是不同的。任何一次地震，總是震中區(qū)烈度最高，隨著震中距的加大，烈度逐漸降低。我國(guó)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ11-89）(以下簡(jiǎn)稱《GBJ11-89規(guī)范》)把地震烈度區(qū)分為基本烈度和設(shè)防烈度。對(duì)地震多發(fā)區(qū)給出其基本烈度和設(shè)防烈度。基本烈度：是指該地區(qū)在今后一定時(shí)期（100年）內(nèi)，可能普遍遭遇的最大地震烈度，即現(xiàn)行全國(guó)地震區(qū)劃烈度圖所規(guī)定的烈度。設(shè)防烈度：是經(jīng)國(guó)家抗震主管部門(mén)審定，作為一個(gè)地區(qū)抗震設(shè)防的防御目標(biāo)，它是抗震設(shè)計(jì)時(shí)所實(shí)際采用的地震烈度。同一次地震在不同地方所表現(xiàn)的強(qiáng)烈程度和引起的破壞是不同的。任海洋結(jié)構(gòu)的基本烈度與設(shè)防烈度：我國(guó)1983年制定的《海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《固定平臺(tái)規(guī)范》）中規(guī)定，在海洋平臺(tái)的地震載荷分析中，設(shè)防烈度一般采用所在海域的基本烈度。對(duì)次生災(zāi)害嚴(yán)重的平臺(tái)和特殊重要的平臺(tái)，可將基本烈度提高1度作為設(shè)防烈度。我國(guó)的渤海、黃海、東海及南海的大陸架剛好位于環(huán)太平洋地震區(qū)域內(nèi)。所以位于渤海灣的所有海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)必須考慮地震。海洋結(jié)構(gòu)的基本烈度與設(shè)防烈度：我國(guó)1983年制定的《海上固定地面運(yùn)動(dòng)的加速度引起附加慣性力-附加載荷地面晃動(dòng)改變海洋波浪的狀態(tài)，誘發(fā)高水平的波浪載荷地震作用導(dǎo)致地面液化，地基承載力下降，喪失穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)坍塌。3、地震對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理地面運(yùn)動(dòng)的加速度引起附加慣性力-附加載荷3、地震對(duì)海洋工程結(jié)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，有三個(gè)方面的基本要求：（1）當(dāng)遭受多遇的、低于本地區(qū)設(shè)防烈度的地震時(shí)，建筑物應(yīng)不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用；（2）當(dāng)遭受本地區(qū)設(shè)防烈度的地震時(shí)，建筑物可能有一定損壞，經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用；（3）當(dāng)遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震時(shí)，建筑物應(yīng)不致倒塌或發(fā)生危及人員生命安全的嚴(yán)重破壞。概括為：“小震不壞，大震不倒”。4、抗震設(shè)計(jì)的基本要求結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，有三個(gè)方面的基本要求：4、抗震設(shè)計(jì)的基本要求

2013年5月天津大學(xué)建筑工程學(xué)院船舶與海洋工程系第一章海洋工程結(jié)構(gòu)環(huán)境2013年5月天津大學(xué)建筑工程學(xué)院船舶與海洋工程系第一章海一、海底地貌

目前，人們已經(jīng)可以用儀器對(duì)海底地貌進(jìn)行連續(xù)掃描并記錄下來(lái)。從地質(zhì)構(gòu)造看，在大陸和海洋之間，有一個(gè)接觸區(qū)，稱為過(guò)度帶或者大陸邊緣，其外面為大洋底。如圖1所示。

圖1.海底地貌一、海底地貌目前，人們已經(jīng)可以用儀器對(duì)海底地貌進(jìn)行連續(xù)掃描過(guò)度帶可分為：大陸架、大陸坡、大陸裙。(1)大陸架指被海水淹沒(méi)的大陸部分，水深：0-200米。是目前已發(fā)現(xiàn)的油氣儲(chǔ)藏最為豐富的區(qū)域。大陸架土質(zhì)分為三層:表層、蓋層和基地層。表層主要為：來(lái)自大陸的松散沉積物；蓋層：主要為沉積巖層；基底層：結(jié)晶巖石。過(guò)度帶可分為：大陸架、大陸坡、大陸裙。(2)大陸坡水深范圍：200-2000米，坡度陡，主要沉積來(lái)自大陸的物質(zhì)。大陸坡具有豐富的油氣資源。開(kāi)發(fā)深海油氣資源，主要指開(kāi)發(fā)大陸坡的油氣資源。KingSPAR平臺(tái)：第一座擁有外殼部分和桁架部分（與傳統(tǒng)外殼結(jié)構(gòu)相似）的組合式SPAR平臺(tái)（TrussSPAR），2001年4月建成，位于墨西哥灣MississippiCanyon85，水深1646m，日生產(chǎn)能力為5萬(wàn)桶原油和2.5億立方英尺天然氣。(2)大陸坡深海平臺(tái)-KingSPAR平臺(tái)組合式SPAR平臺(tái)-TrussSPAR，2001年4月建成，位于墨西哥灣，水深1646m，日生產(chǎn)能力為5萬(wàn)桶原油，2.5億立方英尺天然氣。深海平臺(tái)-KingSPAR平臺(tái)組合式SPAR平臺(tái)-Tru

(3)大陸裙

水深范圍：2000-4000米。一般認(rèn)為，大陸裙水域沒(méi)有石油儲(chǔ)藏。但是大陸裙以外的深海盆，為第三紀(jì)沉積盆地，可能具有油氣資源。(3)大陸裙二、風(fēng)

風(fēng)是對(duì)于海洋工程結(jié)構(gòu)具有破壞性的自然現(xiàn)象。此外，風(fēng)又是引起波浪的主要因素。一般同時(shí)考慮風(fēng)和波浪來(lái)計(jì)算海洋工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。對(duì)于海洋中的漂浮結(jié)構(gòu)（比如，自升式鉆井平臺(tái)在調(diào)遣過(guò)程為漂浮結(jié)構(gòu)），其穩(wěn)性和安全與風(fēng)密切相關(guān)。所以，風(fēng)是影響海洋工程的重要環(huán)境因素。二、風(fēng)風(fēng)是對(duì)于海洋工程結(jié)構(gòu)具有破壞性的自然現(xiàn)象。此風(fēng)按其循環(huán)可分為：大規(guī)模風(fēng)系、中規(guī)模風(fēng)系、小規(guī)模風(fēng)系。大規(guī)模風(fēng)系：由地球自轉(zhuǎn)引起的大氣環(huán)流引起；中規(guī)模風(fēng)系：為季節(jié)風(fēng)，由低氣壓和高氣壓的存在產(chǎn)生臺(tái)風(fēng)；小規(guī)模風(fēng)系：來(lái)自于海洋和大陸間氣溫差引起的陸風(fēng)或者海風(fēng)。1.風(fēng)的分類(lèi)及我國(guó)主要風(fēng)系（1）分類(lèi)風(fēng)按其循環(huán)可分為：大規(guī)模風(fēng)系、中規(guī)模風(fēng)系、小規(guī)模風(fēng)系。1.風(fēng)季風(fēng)：由于陸地與海洋的溫度差引起。寒潮大風(fēng)：一般發(fā)生在每年11月至來(lái)年2月。高壓冷氣團(tuán)南下,造成溫度驟降，伴隨霜凍與大風(fēng)的現(xiàn)象。臺(tái)風(fēng)：熱帶地區(qū)海洋上空的熱帶氣旋猛烈發(fā)展形成的急速旋轉(zhuǎn)的氣流運(yùn)動(dòng)。對(duì)于海洋結(jié)構(gòu)最具威脅的是寒潮大風(fēng)和臺(tái)風(fēng)。（2）我國(guó)海域的主要風(fēng)系季風(fēng)：由于陸地與海洋的溫度差引起。（2）我國(guó)海域的主要風(fēng)系卡特里娜颶風(fēng)：風(fēng)速為79.65m/s，波高18.29m卡特里娜颶風(fēng)：風(fēng)速為79.65m/s，波高18.29m2.風(fēng)參數(shù)

風(fēng)的參數(shù)包括風(fēng)速和風(fēng)向。（1）風(fēng)速

風(fēng)的強(qiáng)度用風(fēng)速來(lái)表示。距離海面不同高度處，風(fēng)的速度不同。距離海面5-10米的高度處，約為不受地面影響的幾公里高度處風(fēng)速的0.67倍。風(fēng)速比與高度比的關(guān)系為：(1)式中，為海面以上高度Z處的風(fēng)速；為處的風(fēng)速。系數(shù)n由海面遮蔽情況確定，平坦海面，。例如，10米高度處風(fēng)速為30m/s，則100m高度處風(fēng)速為41m/s。由式(1)可以畫(huà)出曲線如圖2。2.風(fēng)參數(shù)(1)式中，為海面以上高度Z處的風(fēng)速；為圖2.風(fēng)速與高度的關(guān)系

海上無(wú)遮蔽時(shí)，風(fēng)速比岸上大，外海風(fēng)速為海岸附近風(fēng)速的1.1~1.3倍。圖2中，可以測(cè)量得到。圖2.風(fēng)速與高度的關(guān)系海上無(wú)遮蔽時(shí)，風(fēng)速比岸上大，（2）風(fēng)速及風(fēng)向的表達(dá)風(fēng)的描述：風(fēng)速和風(fēng)向。風(fēng)向一般用16個(gè)方位表示：圖3.16個(gè)風(fēng)向的方位圖3中，Southwest(SW)-西南；Southeast(SE)-東南。Westnorthwest(WNW)-西北偏西；(Northnorthwest)NNW-西北偏北；SSE-SouthSouthEast東南偏南。

（2）風(fēng)速及風(fēng)向的表達(dá)圖3.16個(gè)風(fēng)向的方位圖3中，國(guó)際上將風(fēng)劃分為12個(gè)等級(jí)，稱為蒲氏風(fēng)級(jí)。如下表1：表1.蒲氏風(fēng)級(jí)表表中沒(méi)有列入龍卷風(fēng)，龍卷風(fēng)的風(fēng)級(jí)可達(dá)每秒100-200（米/秒）。（3）蒲氏風(fēng)級(jí)國(guó)際上將風(fēng)劃分為12個(gè)等級(jí)，稱為蒲氏風(fēng)級(jí)。如下表1：表1.由于海洋結(jié)構(gòu)總是定點(diǎn)工作在某個(gè)海域，所以必須給出平臺(tái)工作的鉆井區(qū)的風(fēng)速和風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)特征，表達(dá)風(fēng)速和風(fēng)向的統(tǒng)計(jì)特征的方法有：圖4.我國(guó)某海區(qū)的風(fēng)玫瑰圖(WindRose)

風(fēng)玫瑰圖給出16個(gè)風(fēng)的方位上不同風(fēng)速風(fēng)出現(xiàn)的頻率。

3.海洋結(jié)構(gòu)工程中風(fēng)的描述（1）風(fēng)玫瑰圖由于海洋結(jié)構(gòu)總是定點(diǎn)工作在某個(gè)海域，所以必須給出平臺(tái)工作的鉆作為海洋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要提供：平均風(fēng)速玫瑰圖；最大風(fēng)速玫瑰圖等。圖5.風(fēng)的統(tǒng)計(jì)直方圖作為海洋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，需要提供：平均風(fēng)速玫瑰圖；最大風(fēng)速玫瑰圖設(shè)計(jì)風(fēng)速一般取為50年或者一百年一遇的最大風(fēng)速。即重現(xiàn)期為50年或100年。世界各國(guó)風(fēng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：美國(guó)：100年一遇，持續(xù)30秒的最大風(fēng)速；英國(guó)：50年一遇，持續(xù)3秒的最大風(fēng)速；中國(guó)：平均海平面以上10米處，50年一遇，持續(xù)一分鐘的平均最大風(fēng)速和持續(xù)10分鐘的平均最大風(fēng)速，也可根據(jù)具體海域的多年水文觀測(cè)資料值確定。（2）海洋工程中的設(shè)計(jì)風(fēng)速設(shè)計(jì)風(fēng)速一般取為50年或者一百年一遇的最大風(fēng)速。即重現(xiàn)期為三．波浪波浪：是靜水面受到外力作用后，水質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并向一定方向傳播的自然現(xiàn)象。引起波浪的原因：風(fēng)、地震、太陽(yáng)月球引力、重力。風(fēng)是引起波浪的主要因素。風(fēng)和重力的共同作用，形成重力波。1.波浪的描述三．波浪波浪：是靜水面受到外力作用后，水質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)平衡位置作往重力波：當(dāng)風(fēng)足夠大時(shí)，風(fēng)的能量傳播的結(jié)果使表面張力波變?yōu)橹亓Σ?。?guī)則波（簡(jiǎn)諧波）：波高、波長(zhǎng)、周期、波速、相位非規(guī)則波（隨機(jī)波）：特征周期、有義波高、波浪譜重力波：當(dāng)風(fēng)足夠大時(shí)，風(fēng)的能量傳播的結(jié)果使表面張力波變?yōu)橹亓ξ⒎ǎ壕€性波浪理論，假定水質(zhì)點(diǎn)是以平衡位置為圓心的圓周運(yùn)動(dòng)。斯托克斯（STOKES）波：非線性波。微幅波和斯托克斯波均為確定性波浪。2.波浪的分類(lèi)(1)確定性波浪波浪為隨機(jī)的，采用波浪譜表示海洋波浪的隨機(jī)性。波浪譜（波浪譜密度）：為表明波浪能量與波頻變化關(guān)系的曲線。如下圖(2)隨機(jī)波微幅波：線性波浪理論，假定水質(zhì)點(diǎn)是以平衡位置為圓心的圓周運(yùn)動(dòng)

圖6.波浪譜密度曲線根據(jù)波浪譜，可以計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特性，比如位移的均值、方差、自相關(guān)函數(shù)等，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性分析。所以波浪譜有重要的工程應(yīng)用。

圖6.波浪譜密度曲線根據(jù)波浪譜，可以計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)的3.波浪分級(jí)表2.波浪分級(jí)表根據(jù)氣象學(xué)，波浪可以分為9個(gè)等級(jí)，如下表2：3.波浪分級(jí)表2.波浪分級(jí)表根據(jù)氣象學(xué)，波浪可以分為9個(gè)等四、海流海流：指大范圍的海水以相對(duì)穩(wěn)定的速度在水平或者垂直方向連續(xù)的流動(dòng)現(xiàn)象。海流流速隨水深增加而衰減，一般處理為沿水深線性衰減。潮汐流由引潮力所引起，海水作周期性的水平流動(dòng)。其與地形、海底摩擦及地球自轉(zhuǎn)有關(guān)。運(yùn)動(dòng)形式分為往復(fù)流和旋轉(zhuǎn)流。在開(kāi)闊水域，潮流多具有旋轉(zhuǎn)流，其流速為：黃海潮流流速（近東岸）：1.0~1.5m/s東海潮流流速：（長(zhǎng)江口余山海區(qū)）：1.0~2.5m/s南海潮流（廣州灣）：0.75m/s（1）潮汐流1、海流的分類(lèi)四、海流海流：指大范圍的海水以相對(duì)穩(wěn)定的速度在水平或者垂直方（2）風(fēng)海流海風(fēng)吹動(dòng)海面，引起風(fēng)海流。季風(fēng)引起的海流（2）風(fēng)海流海風(fēng)吹動(dòng)海面，引起風(fēng)海流。季風(fēng)引起的海流（3）密度流、鹽水流等梯度流由于海水溫度、含鹽量、密度等不均勻引起的海水的流動(dòng)。風(fēng)引起的流速與海區(qū)的遮蔽狀況有關(guān)，對(duì)于不同海區(qū)，風(fēng)引起的海流流速由風(fēng)速的百分?jǐn)?shù)表示，根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，如下區(qū)域風(fēng)生流流速大約為：渤海灣、黃海：2.5%風(fēng)速南海30海里：4%風(fēng)速海南島東岸：（5~8）%風(fēng)速（3）密度流、鹽水流等梯度流由于海水溫度、含鹽量、密度等不均五．海冰在寒冷結(jié)冰海域，海冰可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，即冰載荷大于其它流體載荷。海冰融化流動(dòng)的浮冰五．海冰在寒冷結(jié)冰海域，海冰可能是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素，即冰載浮冰：不與任何固定物體或者海底連接，在風(fēng)和流驅(qū)動(dòng)下漂浮運(yùn)動(dòng)的冰。固定冰：沒(méi)有水平方向運(yùn)動(dòng)，僅有垂向升降。一般說(shuō)，對(duì)于海洋結(jié)構(gòu)物構(gòu)成威脅的主要是浮冰，尤其是冰排。1、海冰的分類(lèi)浮冰：不與任何固定物體或者海底連接，在風(fēng)和流驅(qū)動(dòng)下漂浮運(yùn)2、我國(guó)沿海的冰情表3.我國(guó)沿海的冰情2、我國(guó)沿海的冰情表3.我國(guó)沿海的冰情（1）凍融損傷作用:凍-融交替發(fā)生,主要破壞混凝土結(jié)構(gòu)。（2）膨脹擠壓作用：冰開(kāi)始融化時(shí)，海冰體積膨脹，擠壓結(jié)構(gòu)物。（3）靜力推壓結(jié)構(gòu)：大面積連續(xù)冰層，在風(fēng)或流帶動(dòng)下，對(duì)與冰接觸的結(jié)構(gòu)進(jìn)行水平推壓。此為海冰造成結(jié)構(gòu)破壞的主要方式。3、海冰對(duì)于海洋工程結(jié)構(gòu)物的作用（1）凍融損傷作用:凍-融交替發(fā)生,主要破壞混凝土結(jié)構(gòu)。（4）附著冰引起的垂向力：與結(jié)構(gòu)凍在一起附著冰，冰層受風(fēng)或者潮流的作用上下升降。這種作用影響樁腿的安全，冰層下降時(shí)，產(chǎn)生附加重力載荷；上升時(shí)，對(duì)樁腿產(chǎn)生上拔力。矗立在海冰中的導(dǎo)管架平臺(tái)（4）附著冰引起的垂向力：與結(jié)構(gòu)凍在一起附著冰，冰層受風(fēng)或者（5）動(dòng)力撞擊作用：在海冰融化季節(jié)，冰排在風(fēng)和流驅(qū)動(dòng)下，以一定速度撞擊海洋結(jié)構(gòu)物，形成撞擊載荷，這是一種動(dòng)態(tài)冰力。撞擊的頻率如果接近海洋結(jié)構(gòu)的固有頻率，可能導(dǎo)致共振發(fā)生。（5）動(dòng)力撞擊作用：在海冰融化季節(jié)，冰排在風(fēng)和流驅(qū)動(dòng)下，以一六、地震地震是一種災(zāi)害性的自然現(xiàn)象。全世界每年約發(fā)生五百萬(wàn)次地震，其中絕大多數(shù)屬于小震，有的甚至人們并無(wú)感覺(jué)。但大地震的破壞性嚴(yán)重，除人的傷亡外，還有房屋的破壞，交通生產(chǎn)中斷，水、火、疾病等次生災(zāi)害和由此造成的社會(huì)與政治影響。我國(guó)位于環(huán)太平洋地震帶，屬于多發(fā)地震國(guó)家?！?976年7月28日凌晨3點(diǎn)唐山地震：1976年唐山大地震，死亡24萬(wàn)人，直接經(jīng)濟(jì)損失僅30億元?！?008年5月12汶川地震，8級(jí)，死亡6萬(wàn)，直接經(jīng)濟(jì)損失8541億?！?013年4月20日四川蘆山地震，7級(jí)，死亡196人，直接經(jīng)濟(jì)損失6百億。六、地震地震是一種災(zāi)害性的自然現(xiàn)象。全世界每年約發(fā)生五百萬(wàn)次截至1994年，中國(guó)歷史上直接被地震直接奪去生命的人數(shù)為2341319人，因次生、衍生和伴生災(zāi)害而失去生命的人數(shù)為163461人，合計(jì)約為250.8萬(wàn)人。發(fā)生于明朝嘉靖三十四年臘月十二日（1556年1月23日）、震中位于陜西華縣的大地震，是中國(guó)歷史上死亡人數(shù)最多的大地震?，F(xiàn)代科學(xué)家根據(jù)史料記載推斷，此次地震強(qiáng)度為8-8.3級(jí)，烈度為11度。死亡人數(shù)“八十三萬(wàn)有奇”，而當(dāng)時(shí)全國(guó)的總?cè)丝诩s為6300萬(wàn)。截至1994年，中國(guó)歷史上直接被地震直接奪去生命的按照板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)，地震是由于板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而引起的，是地殼巖層中長(zhǎng)期積累的變形在極短時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)換為動(dòng)能的結(jié)果。板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)把地殼分為六個(gè)大板塊，即歐亞、太平洋、美洲、非洲、印澳和南極板塊。1、地震發(fā)生的原因按照板塊構(gòu)造學(xué)說(shuō)，地震是由于板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而引起的，是地殼巖層地震波的形成：

在各大板塊之間還可有若干較小的板塊。當(dāng)兩個(gè)板塊互相沖撞，其中一個(gè)板塊插入另一板塊之下時(shí)，上部板塊在剪力作用下產(chǎn)生剪切變形從而積累應(yīng)變能，當(dāng)變形超過(guò)極限值時(shí)，巖層即突然斷裂,從而將地殼積累的彈性應(yīng)變能變?yōu)閯?dòng)能釋放出來(lái)，形成地震波。地震波的形成：構(gòu)造地震：地殼巖石中的大斷裂面叫做斷層，絕大多數(shù)斷層形成時(shí)都伴隨有大地震。由此形成的地震叫做構(gòu)造地震。構(gòu)造地震的一般發(fā)生在地球板塊的邊緣。世界上90％以上的地震屬于構(gòu)造地震。構(gòu)造地震：有些地震發(fā)生在地球板塊內(nèi)，稱為板內(nèi)地震。板內(nèi)地震的危害性大。這是因?yàn)榘鍍?nèi)地震大多發(fā)生在人類(lèi)居住集中的大陸板塊中央地區(qū)，那里地殼較厚，巖層年齡較老，強(qiáng)度高，所以發(fā)生強(qiáng)地震可能性較大，而且震源大都在10～30km深度之內(nèi)，容易造成嚴(yán)重震害。我國(guó)沿海海域有一定的地震活動(dòng)性。從目前已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行石油開(kāi)發(fā)的各海區(qū)情況看，其中不少在歷史上或近期發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈地震。有些地震發(fā)生在地球板塊內(nèi)，稱為板內(nèi)地震。板內(nèi)地震的危害性大。地震發(fā)生時(shí)，巖層積累的巨大變形能突然釋放，一部分轉(zhuǎn)化為熱能，一部分以波的形式向四周傳播，這種波就是地震波。地震波分為體波和面波。體波：由震中三維向外傳播的地震波，為立體傳播形式。面波：面波是沿地面?zhèn)鞑サ牟ǎ娌ǖ闹芷陂L(zhǎng)而振幅大，傳播過(guò)程衰減較慢，故能傳播到很遠(yuǎn)的地方。這是地震波波及面廣的原因。地震波傳播過(guò)程，引起地面的三維運(yùn)動(dòng)（位移、速度、加速度）從而導(dǎo)致地面建筑的破壞。2、地震強(qiáng)度的表達(dá)地震發(fā)生時(shí)，巖層積累的巨大變形能突然釋放，一部分轉(zhuǎn)化為熱能，（1）震級(jí)震級(jí)就是地震本身強(qiáng)弱的等級(jí)。它是一次地震釋放能量多少的一種量度，震級(jí)越高表示地震釋放的能量越多。1935年C,F,Richter提出把震級(jí)M定義為式中A為標(biāo)準(zhǔn)地震儀（周期為0.8s，阻尼比0.8，放大倍數(shù)為2800）在距震中100km處記錄的兩個(gè)最大水平位移振幅分量的平均值，單位為