海洋工程結(jié)構環(huán)境課件

2013年5月天津大學建筑工程學院船舶與海洋工程系第一章海洋工程結(jié)構環(huán)境2013年5月天津大學建筑工程學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)可以用儀器對海底地貌進行連續(xù)掃描并記錄下來。從地質(zhì)構造看，在大陸和海洋之間，有一個接觸區(qū)，稱為過度帶或者大陸邊緣，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)可以用儀器對海底地貌進行連續(xù)掃描過度帶可分為：大陸架、大陸坡、大陸裙。(1)大陸架指被海水淹沒的大陸部分，水深：0-200米。是目前已發(fā)現(xiàn)的油氣儲藏最為豐富的區(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，主要沉積來自大陸的物質(zhì)。大陸坡具有豐富的油氣資源。開發(fā)深海油氣資源，主要指開發(fā)大陸坡的油氣資源。KingSPAR平臺：第一座擁有外殼部分和桁架部分（與傳統(tǒng)外殼結(jié)構相似）的組合式SPAR平臺（TrussSPAR），2001年4月建成，位于墨西哥灣MississippiCanyon85，水深1646m，日生產(chǎn)能力為5萬桶原油和2.5億立方英尺天然氣。(2)大陸坡深海平臺-KingSPAR平臺組合式SPAR平臺-TrussSPAR，2001年4月建成，位于墨西哥灣，水深1646m，日生產(chǎn)能力為5萬桶原油，2.5億立方英尺天然氣。深海平臺-KingSPAR平臺組合式SPAR平臺-Tru

(3)大陸裙

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

風是對于海洋工程結(jié)構具有破壞性的自然現(xiàn)象。此外，風又是引起波浪的主要因素。一般同時考慮風和波浪來計算海洋工程結(jié)構的強度及設計結(jié)構。對于海洋中的漂浮結(jié)構（比如，自升式鉆井平臺在調(diào)遣過程為漂浮結(jié)構），其穩(wěn)性和安全與風密切相關。所以，風是影響海洋工程的重要環(huán)境因素。二、風風是對于海洋工程結(jié)構具有破壞性的自然現(xiàn)象。此風按其循環(huán)可分為：大規(guī)模風系、中規(guī)模風系、小規(guī)模風系。大規(guī)模風系：由地球自轉(zhuǎn)引起的大氣環(huán)流引起；中規(guī)模風系：為季節(jié)風，由低氣壓和高氣壓的存在產(chǎn)生臺風；小規(guī)模風系：來自于海洋和大陸間氣溫差引起的陸風或者海風。1.風的分類及我國主要風系（1）分類風按其循環(huán)可分為：大規(guī)模風系、中規(guī)模風系、小規(guī)模風系。1.風季風：由于陸地與海洋的溫度差引起。寒潮大風：一般發(fā)生在每年11月至來年2月。高壓冷氣團南下,造成溫度驟降，伴隨霜凍與大風的現(xiàn)象。臺風：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)的氣流運動。對于海洋結(jié)構最具威脅的是寒潮大風和臺風。（2）我國海域的主要風系季風：由于陸地與海洋的溫度差引起。（2）我國海域的主要風系卡特里娜颶風：風速為79.65m/s，波高18.29m卡特里娜颶風：風速為79.65m/s，波高18.29m2.風參數(shù)

風的參數(shù)包括風速和風向。（1）風速

風的強度用風速來表示。距離海面不同高度處，風的速度不同。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速的0.67倍。風速比與高度比的關系為：(1)式中，為海面以上高度Z處的風速；為處的風速。系數(shù)n由海面遮蔽情況確定，平坦海面，。例如，10米高度處風速為30m/s，則100m高度處風速為41m/s。由式(1)可以畫出曲線如圖2。2.風參數(shù)(1)式中，為海面以上高度Z處的風速；為圖2.風速與高度的關系

海上無遮蔽時，風速比岸上大，外海風速為海岸附近風速的1.1~1.3倍。圖2中，可以測量得到。圖2.風速與高度的關系海上無遮蔽時，風速比岸上大，（2）風速及風向的表達風的描述：風速和風向。風向一般用16個方位表示：圖3.16個風向的方位圖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）風速及風向的表達圖3.16個風向的方位圖3中，國際上將風劃分為12個等級，稱為蒲氏風級。如下表1：表1.蒲氏風級表表中沒有列入龍卷風，龍卷風的風級可達每秒100-200（米/秒）。（3）蒲氏風級國際上將風劃分為12個等級，稱為蒲氏風級。如下表1：表1.由于海洋結(jié)構總是定點工作在某個海域，所以必須給出平臺工作的鉆井區(qū)的風速和風向的統(tǒng)計特征，表達風速和風向的統(tǒng)計特征的方法有：圖4.我國某海區(qū)的風玫瑰圖(WindRose)

風玫瑰圖給出16個風的方位上不同風速風出現(xiàn)的頻率。

3.海洋結(jié)構工程中風的描述（1）風玫瑰圖由于海洋結(jié)構總是定點工作在某個海域，所以必須給出平臺工作的鉆作為海洋結(jié)構的設計，需要提供：平均風速玫瑰圖；最大風速玫瑰圖等。圖5.風的統(tǒng)計直方圖作為海洋結(jié)構的設計，需要提供：平均風速玫瑰圖；最大風速玫瑰圖設計風速一般取為50年或者一百年一遇的最大風速。即重現(xiàn)期為50年或100年。世界各國風的設計標準：美國：100年一遇，持續(xù)30秒的最大風速；英國：50年一遇，持續(xù)3秒的最大風速；中國：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速和持續(xù)10分鐘的平均最大風速，也可根據(jù)具體海域的多年水文觀測資料值確定。（2）海洋工程中的設計風速設計風速一般取為50年或者一百年一遇的最大風速。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)點離開平衡位置作往復運動，并向一定方向傳播的自然現(xiàn)象。引起波浪的原因：風、地震、太陽月球引力、重力。風是引起波浪的主要因素。風和重力的共同作用，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)點離開平衡位置作往重力波：當風足夠大時，風的能量傳播的結(jié)果使表面張力波變?yōu)橹亓Σ?。?guī)則波（簡諧波）：波高、波長、周期、波速、相位非規(guī)則波（隨機波）：特征周期、有義波高、波浪譜重力波：當風足夠大時，風的能量傳播的結(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)點是以平衡位置為圓心的圓周運動。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(1)確定性波浪波浪為隨機的，采用波浪譜表示海洋波浪的隨機性。波浪譜（波浪譜密度）：為表明波浪能量與波頻變化關系的曲線。如下圖(2)隨機波微幅波：線性波浪理論，假定水質(zhì)點是以平衡位置為圓心的圓周運動

圖6.波浪譜密度曲線根據(jù)波浪譜，可以計算結(jié)構的動力響應的統(tǒng)計特性，比如位移的均值、方差、自相關函數(shù)等，可以進行結(jié)構的疲勞可靠性分析。所以波浪譜有重要的工程應用。

圖6.波浪譜密度曲線根據(jù)波浪譜，可以計算結(jié)構的動力響應的3.波浪分級表2.波浪分級表根據(jù)氣象學，波浪可以分為9個等級，如下表2：3.波浪分級表2.波浪分級表根據(jù)氣象學，波浪可以分為9個等四、海流海流：指大范圍的海水以相對穩(wěn)定的速度在水平或者垂直方向連續(xù)的流動現(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。其與地形、海底摩擦及地球自轉(zhuǎn)有關。運動形式分為往復流和旋轉(zhuǎn)流。在開闊水域，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、海流的分類四、海流海流：指大范圍的海水以相對穩(wěn)定的速度在水平或者垂直方（2）風海流海風吹動海面，引起風海流。季風引起的海流（2）風海流海風吹動海面，引起風海流。季風引起的海流（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。風引起的流速與海區(qū)的遮蔽狀況有關，對于不同海區(qū)，風引起的海流流速由風速的百分數(shù)表示，根據(jù)統(tǒng)計資料，如下區(qū)域風生流流速大約為：渤海灣、黃海：2.5%風速南海30海里：4%風速海南島東岸：（5~8）%風速（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)構設計的控制因素，即冰載荷大于其它流體載荷。海冰融化流動的浮冰五．海冰在寒冷結(jié)冰海域，海冰可能是結(jié)構設計的控制因素，即冰載浮冰：不與任何固定物體或者海底連接，在風和流驅(qū)動下漂浮運動的冰。固定冰：沒有水平方向運動，僅有垂向升降。一般說，對于海洋結(jié)構物構成威脅的主要是浮冰，尤其是冰排。1、海冰的分類浮冰：不與任何固定物體或者海底連接，在風和流驅(qū)動下漂浮運2、我國沿海的冰情表3.我國沿海的冰情2、我國沿海的冰情表3.我國沿海的冰情（1）凍融損傷作用:凍-融交替發(fā)生,主要破壞混凝土結(jié)構。（2）膨脹擠壓作用：冰開始融化時，海冰體積膨脹，擠壓結(jié)構物。（3）靜力推壓結(jié)構：大面積連續(xù)冰層，在風或流帶動下，對與冰接觸的結(jié)構進行水平推壓。此為海冰造成結(jié)構破壞的主要方式。3、海冰對于海洋工程結(jié)構物的作用（1）凍融損傷作用:凍-融交替發(fā)生,主要破壞混凝土結(jié)構。（4）附著冰引起的垂向力：與結(jié)構凍在一起附著冰，冰層受風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，產(chǎn)生附加重力載荷；上升時，對樁腿產(chǎn)生上拔力。矗立在海冰中的導管架平臺（4）附著冰引起的垂向力：與結(jié)構凍在一起附著冰，冰層受風或者（5）動力撞擊作用：在海冰融化季節(jié)，冰排在風和流驅(qū)動下，以一定速度撞擊海洋結(jié)構物，形成撞擊載荷，這是一種動態(tài)冰力。撞擊的頻率如果接近海洋結(jié)構的固有頻率，可能導致共振發(fā)生。（5）動力撞擊作用：在海冰融化季節(jié)，冰排在風和流驅(qū)動下，以一六、地震地震是一種災害性的自然現(xiàn)象。全世界每年約發(fā)生五百萬次地震，其中絕大多數(shù)屬于小震，有的甚至人們并無感覺。但大地震的破壞性嚴重，除人的傷亡外，還有房屋的破壞，交通生產(chǎn)中斷，水、火、疾病等次生災害和由此造成的社會與政治影響。我國位于環(huán)太平洋地震帶，屬于多發(fā)地震國家。●1976年7月28日凌晨3點唐山地震：1976年唐山大地震，死亡24萬人，直接經(jīng)濟損失僅30億元?！?008年5月12汶川地震，8級，死亡6萬，直接經(jīng)濟損失8541億。●2013年4月20日四川蘆山地震，7級，死亡196人，直接經(jīng)濟損失6百億。六、地震地震是一種災害性的自然現(xiàn)象。全世界每年約發(fā)生五百萬次截至1994年，中國歷史上直接被地震直接奪去生命的人數(shù)為2341319人，因次生、衍生和伴生災害而失去生命的人數(shù)為163461人，合計約為250.8萬人。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，是中國歷史上死亡人數(shù)最多的大地震?，F(xiàn)代科學家根據(jù)史料記載推斷，此次地震強度為8-8.3級，烈度為11度。死亡人數(shù)“八十三萬有奇”，而當時全國的總?cè)丝诩s為6300萬。截至1994年，中國歷史上直接被地震直接奪去生命的按照板塊構造學說，地震是由于板塊構造運動而引起的，是地殼巖層中長期積累的變形在極短時間內(nèi)轉(zhuǎn)換為動能的結(jié)果。板塊構造學說把地殼分為六個大板塊，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造學說，地震是由于板塊構造運動而引起的，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。當兩個板塊互相沖撞，其中一個板塊插入另一板塊之下時，上部板塊在剪力作用下產(chǎn)生剪切變形從而積累應變能，當變形超過極限值時，巖層即突然斷裂,從而將地殼積累的彈性應變能變?yōu)閯幽茚尫懦鰜?，形成地震波。地震波的形成：構造地震：地殼巖石中的大斷裂面叫做斷層，絕大多數(shù)斷層形成時都伴隨有大地震。由此形成的地震叫做構造地震。構造地震的一般發(fā)生在地球板塊的邊緣。世界上90％以上的地震屬于構造地震。構造地震：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。這是因為板內(nèi)地震大多發(fā)生在人類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，強度高，所以發(fā)生強地震可能性較大，而且震源大都在10～30km深度之內(nèi)，容易造成嚴重震害。我國沿海海域有一定的地震活動性。從目前已經(jīng)開始進行石油開發(fā)的各海區(qū)情況看，其中不少在歷史上或近期發(fā)生過強烈地震。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，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而振幅大，傳播過程衰減較慢，故能傳播到很遠的地方。這是地震波波及面廣的原因。地震波傳播過程，引起地面的三維運動（位移、速度、加速度）從而導致地面建筑的破壞。2、地震強度的表達地震發(fā)生時，巖層積累的巨大變形能突然釋放，一部分轉(zhuǎn)化為熱能，（1）震級震級就是地震本身強弱的等級。它是一次地震釋放能量多少的一種量度，震級越高表示地震釋放的能量越多。1935年C,F,Richter提出把震級M定義為式中A為標準地震儀（周期為0.8s，阻尼比0.8，放大倍數(shù)為2800）在距震中100km處記錄的兩個最大水平位移振幅分量的平均值，單位為m。實際上地震臺距震中的距離不一定正好是100km。所以，對于地震臺距震中距離不是100km時，確定的震級，要做修正。

地震強度表達：震級和烈度（1）震級地震強度表達：震級和烈度

我國采用的震級的計算公式為

式中近震體波震級；記錄的水平最大地動位移（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。一般說來，5級以上的地震就會在地表面引起不同程度的破壞，稱為破壞性地震；7級以上稱為強烈地震或大地震；8級以上稱為特大地震。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級地震。我國采用的震級的計算公式為地震烈度：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弱程度。其既可以描述物理量（地面運動、速度、加速度），也可以描述宏觀地震破壞程度。相應有兩種地震烈度表：我國的地震烈度分為12個水平，最強烈的地震烈度為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)構環(huán)境課件同一次地震在不同地方所表現(xiàn)的強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《建筑抗震設計規(guī)范》（GBJ11-89）(以下簡稱《GBJ11-89規(guī)范》)把地震烈度區(qū)分為基本烈度和設防烈度。對地震多發(fā)區(qū)給出其基本烈度和設防烈度?；玖叶龋菏侵冈摰貐^(qū)在今后一定時期（100年）內(nèi)，可能普遍遭遇的最大地震烈度，即現(xiàn)行全國地震區(qū)劃烈度圖所規(guī)定的烈度。設防烈度：是經(jīng)國家抗震主管部門審定，作為一個地區(qū)抗震設防的防御目標，它是抗震設計時所實際采用的地震烈度。同一次地震在不同地方所表現(xiàn)的強烈程度和引起的破壞是不同的。任海洋結(jié)構的基本烈度與設防烈度：我國1983年制定的《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》（以下簡稱《固定平臺規(guī)范》）中規(guī)定，在海洋平臺的地震載荷分析中，設防烈度一般采用所在海域的基本烈度。對次生災害嚴重的平臺和特殊重要的平臺，可將基本烈度提高1度作為設防烈度。我國的渤海、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)構物的設計必須考慮地震。海洋結(jié)構的基本烈度與設防烈度：我國1983年制定的《海上固定地面運動的加速度引起附加慣性力-附加載荷地面晃動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致地面液化，地基承載力下降，喪失穩(wěn)定性，結(jié)構坍塌。3、地震對海洋工程結(jié)構的破壞機理地面運動的加速度引起附加慣性力-附加載荷3、地震對海洋工程結(jié)結(jié)構的抗震設計，有三個方面的基本要求：（1）當遭受多遇的、低于本地區(qū)設防烈度的地震時，建筑物應不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用；（2）當遭受本地區(qū)設防烈度的地震時，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）當遭受高于本地區(qū)設防烈度的罕遇地震時，建筑物應不致倒塌或發(fā)生危及人員生命安全的嚴重破壞。概括為：“小震不壞，大震不倒”。4、抗震設計的基本要求結(jié)構的抗震設計，有三個方面的基本要求：4、抗震設計的基本要求

2013年5月天津大學建筑工程學院船舶與海洋工程系第一章海洋工程結(jié)構環(huán)境2013年5月天津大學建筑工程學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)可以用儀器對海底地貌進行連續(xù)掃描并記錄下來。從地質(zhì)構造看，在大陸和海洋之間，有一個接觸區(qū)，稱為過度帶或者大陸邊緣，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)可以用儀器對海底地貌進行連續(xù)掃描過度帶可分為：大陸架、大陸坡、大陸裙。(1)大陸架指被海水淹沒的大陸部分，水深：0-200米。是目前已發(fā)現(xiàn)的油氣儲藏最為豐富的區(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，主要沉積來自大陸的物質(zhì)。大陸坡具有豐富的油氣資源。開發(fā)深海油氣資源，主要指開發(fā)大陸坡的油氣資源。KingSPAR平臺：第一座擁有外殼部分和桁架部分（與傳統(tǒng)外殼結(jié)構相似）的組合式SPAR平臺（TrussSPAR），2001年4月建成，位于墨西哥灣MississippiCanyon85，水深1646m，日生產(chǎn)能力為5萬桶原油和2.5億立方英尺天然氣。(2)大陸坡深海平臺-KingSPAR平臺組合式SPAR平臺-TrussSPAR，2001年4月建成，位于墨西哥灣，水深1646m，日生產(chǎn)能力為5萬桶原油，2.5億立方英尺天然氣。深海平臺-KingSPAR平臺組合式SPAR平臺-Tru

(3)大陸裙

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

風是對于海洋工程結(jié)構具有破壞性的自然現(xiàn)象。此外，風又是引起波浪的主要因素。一般同時考慮風和波浪來計算海洋工程結(jié)構的強度及設計結(jié)構。對于海洋中的漂浮結(jié)構（比如，自升式鉆井平臺在調(diào)遣過程為漂浮結(jié)構），其穩(wěn)性和安全與風密切相關。所以，風是影響海洋工程的重要環(huán)境因素。二、風風是對于海洋工程結(jié)構具有破壞性的自然現(xiàn)象。此風按其循環(huán)可分為：大規(guī)模風系、中規(guī)模風系、小規(guī)模風系。大規(guī)模風系：由地球自轉(zhuǎn)引起的大氣環(huán)流引起；中規(guī)模風系：為季節(jié)風，由低氣壓和高氣壓的存在產(chǎn)生臺風；小規(guī)模風系：來自于海洋和大陸間氣溫差引起的陸風或者海風。1.風的分類及我國主要風系（1）分類風按其循環(huán)可分為：大規(guī)模風系、中規(guī)模風系、小規(guī)模風系。1.風季風：由于陸地與海洋的溫度差引起。寒潮大風：一般發(fā)生在每年11月至來年2月。高壓冷氣團南下,造成溫度驟降，伴隨霜凍與大風的現(xiàn)象。臺風：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)的氣流運動。對于海洋結(jié)構最具威脅的是寒潮大風和臺風。（2）我國海域的主要風系季風：由于陸地與海洋的溫度差引起。（2）我國海域的主要風系卡特里娜颶風：風速為79.65m/s，波高18.29m卡特里娜颶風：風速為79.65m/s，波高18.29m2.風參數(shù)

風的參數(shù)包括風速和風向。（1）風速

風的強度用風速來表示。距離海面不同高度處，風的速度不同。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速的0.67倍。風速比與高度比的關系為：(1)式中，為海面以上高度Z處的風速；為處的風速。系數(shù)n由海面遮蔽情況確定，平坦海面，。例如，10米高度處風速為30m/s，則100m高度處風速為41m/s。由式(1)可以畫出曲線如圖2。2.風參數(shù)(1)式中，為海面以上高度Z處的風速；為圖2.風速與高度的關系

海上無遮蔽時，風速比岸上大，外海風速為海岸附近風速的1.1~1.3倍。圖2中，可以測量得到。圖2.風速與高度的關系海上無遮蔽時，風速比岸上大，（2）風速及風向的表達風的描述：風速和風向。風向一般用16個方位表示：圖3.16個風向的方位圖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）風速及風向的表達圖3.16個風向的方位圖3中，國際上將風劃分為12個等級，稱為蒲氏風級。如下表1：表1.蒲氏風級表表中沒有列入龍卷風，龍卷風的風級可達每秒100-200（米/秒）。（3）蒲氏風級國際上將風劃分為12個等級，稱為蒲氏風級。如下表1：表1.由于海洋結(jié)構總是定點工作在某個海域，所以必須給出平臺工作的鉆井區(qū)的風速和風向的統(tǒng)計特征，表達風速和風向的統(tǒng)計特征的方法有：圖4.我國某海區(qū)的風玫瑰圖(WindRose)

風玫瑰圖給出16個風的方位上不同風速風出現(xiàn)的頻率。

3.海洋結(jié)構工程中風的描述（1）風玫瑰圖由于海洋結(jié)構總是定點工作在某個海域，所以必須給出平臺工作的鉆作為海洋結(jié)構的設計，需要提供：平均風速玫瑰圖；最大風速玫瑰圖等。圖5.風的統(tǒng)計直方圖作為海洋結(jié)構的設計，需要提供：平均風速玫瑰圖；最大風速玫瑰圖設計風速一般取為50年或者一百年一遇的最大風速。即重現(xiàn)期為50年或100年。世界各國風的設計標準：美國：100年一遇，持續(xù)30秒的最大風速；英國：50年一遇，持續(xù)3秒的最大風速；中國：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速和持續(xù)10分鐘的平均最大風速，也可根據(jù)具體海域的多年水文觀測資料值確定。（2）海洋工程中的設計風速設計風速一般取為50年或者一百年一遇的最大風速。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)點離開平衡位置作往復運動，并向一定方向傳播的自然現(xiàn)象。引起波浪的原因：風、地震、太陽月球引力、重力。風是引起波浪的主要因素。風和重力的共同作用，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)點離開平衡位置作往重力波：當風足夠大時，風的能量傳播的結(jié)果使表面張力波變?yōu)橹亓ΣāＲ?guī)則波（簡諧波）：波高、波長、周期、波速、相位非規(guī)則波（隨機波）：特征周期、有義波高、波浪譜重力波：當風足夠大時，風的能量傳播的結(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)點是以平衡位置為圓心的圓周運動。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(1)確定性波浪波浪為隨機的，采用波浪譜表示海洋波浪的隨機性。波浪譜（波浪譜密度）：為表明波浪能量與波頻變化關系的曲線。如下圖(2)隨機波微幅波：線性波浪理論，假定水質(zhì)點是以平衡位置為圓心的圓周運動

圖6.波浪譜密度曲線根據(jù)波浪譜，可以計算結(jié)構的動力響應的統(tǒng)計特性，比如位移的均值、方差、自相關函數(shù)等，可以進行結(jié)構的疲勞可靠性分析。所以波浪譜有重要的工程應用。

圖6.波浪譜密度曲線根據(jù)波浪譜，可以計算結(jié)構的動力響應的3.波浪分級表2.波浪分級表根據(jù)氣象學，波浪可以分為9個等級，如下表2：3.波浪分級表2.波浪分級表根據(jù)氣象學，波浪可以分為9個等四、海流海流：指大范圍的海水以相對穩(wěn)定的速度在水平或者垂直方向連續(xù)的流動現(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。其與地形、海底摩擦及地球自轉(zhuǎn)有關。運動形式分為往復流和旋轉(zhuǎn)流。在開闊水域，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、海流的分類四、海流海流：指大范圍的海水以相對穩(wěn)定的速度在水平或者垂直方（2）風海流海風吹動海面，引起風海流。季風引起的海流（2）風海流海風吹動海面，引起風海流。季風引起的海流（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。風引起的流速與海區(qū)的遮蔽狀況有關，對于不同海區(qū)，風引起的海流流速由風速的百分數(shù)表示，根據(jù)統(tǒng)計資料，如下區(qū)域風生流流速大約為：渤海灣、黃海：2.5%風速南海30海里：4%風速海南島東岸：（5~8）%風速（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)構設計的控制因素，即冰載荷大于其它流體載荷。海冰融化流動的浮冰五．海冰在寒冷結(jié)冰海域，海冰可能是結(jié)構設計的控制因素，即冰載浮冰：不與任何固定物體或者海底連接，在風和流驅(qū)動下漂浮運動的冰。固定冰：沒有水平方向運動，僅有垂向升降。一般說，對于海洋結(jié)構物構成威脅的主要是浮冰，尤其是冰排。1、海冰的分類浮冰：不與任何固定物體或者海底連接，在風和流驅(qū)動下漂浮運2、我國沿海的冰情表3.我國沿海的冰情2、我國沿海的冰情表3.我國沿海的冰情（1）凍融損傷作用:凍-融交替發(fā)生,主要破壞混凝土結(jié)構。（2）膨脹擠壓作用：冰開始融化時，海冰體積膨脹，擠壓結(jié)構物。（3）靜力推壓結(jié)構：大面積連續(xù)冰層，在風或流帶動下，對與冰接觸的結(jié)構進行水平推壓。此為海冰造成結(jié)構破壞的主要方式。3、海冰對于海洋工程結(jié)構物的作用（1）凍融損傷作用:凍-融交替發(fā)生,主要破壞混凝土結(jié)構。（4）附著冰引起的垂向力：與結(jié)構凍在一起附著冰，冰層受風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，產(chǎn)生附加重力載荷；上升時，對樁腿產(chǎn)生上拔力。矗立在海冰中的導管架平臺（4）附著冰引起的垂向力：與結(jié)構凍在一起附著冰，冰層受風或者（5）動力撞擊作用：在海冰融化季節(jié)，冰排在風和流驅(qū)動下，以一定速度撞擊海洋結(jié)構物，形成撞擊載荷，這是一種動態(tài)冰力。撞擊的頻率如果接近海洋結(jié)構的固有頻率，可能導致共振發(fā)生。（5）動力撞擊作用：在海冰融化季節(jié)，冰排在風和流驅(qū)動下，以一六、地震地震是一種災害性的自然現(xiàn)象。全世界每年約發(fā)生五百萬次地震，其中絕大多數(shù)屬于小震，有的甚至人們并無感覺。但大地震的破壞性嚴重，除人的傷亡外，還有房屋的破壞，交通生產(chǎn)中斷，水、火、疾病等次生災害和由此造成的社會與政治影響。我國位于環(huán)太平洋地震帶，屬于多發(fā)地震國家?！?976年7月28日凌晨3點唐山地震：1976年唐山大地震，死亡24萬人，直接經(jīng)濟損失僅30億元?！?008年5月12汶川地震，8級，死亡6萬，直接經(jīng)濟損失8541億?！?013年4月20日四川蘆山地震，7級，死亡196人，直接經(jīng)濟損失6百億。六、地震地震是一種災害性的自然現(xiàn)象。全世界每年約發(fā)生五百萬次截至1994年，中國歷史上直接被地震直接奪去生命的人數(shù)為2341319人，因次生、衍生和伴生災害而失去生命的人數(shù)為163461人，合計約為250.8萬人。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，是中國歷史上死亡人數(shù)最多的大地震?，F(xiàn)代科學家根據(jù)史料記載推斷，此次地震強度為8-8.3級，烈度為11度。死亡人數(shù)“八十三萬有奇”，而當時全國的總?cè)丝诩s為6300萬。截至1994年，中國歷史上直接被地震直接奪去生命的按照板塊構造學說，地震是由于板塊構造運動而引起的，是地殼巖層中長期積累的變形在極短時間內(nèi)轉(zhuǎn)換為動能的結(jié)果。板塊構造學說把地殼分為六個大板塊，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造學說，地震是由于板塊構造運動而引起的，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。當兩個板塊互相沖撞，其中一個板塊插入另一板塊之下時，上部板塊在剪力作用下產(chǎn)生剪切變形從而積累應變能，當變形超過極限值時，巖層即突然斷裂,從而將地殼積累的彈性應變能變?yōu)閯幽茚尫懦鰜?，形成地震波。地震波的形成：構造地震：地殼巖石中的大斷裂面叫做斷層，絕大多數(shù)斷層形成時都伴隨有大地震。由此形成的地震叫做構造地震。構造地震的一般發(fā)生在地球板塊的邊緣。世界上90％以上的地震屬于構造地震。構造地震：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。這是因為板內(nèi)地震大多發(fā)生在人類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，強度高，所以發(fā)生強地震可能性較大，而且震源大都在10～30km深度之內(nèi)，容易造成嚴重震害。我國沿海海域有一定的地震活動性。從目前已經(jīng)開始進行石油開發(fā)的各海區(qū)情況看，其中不少在歷史上或近期發(fā)生過強烈地震。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，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而振幅大，傳播過程衰減較慢，故能傳播到很遠的地方。這是地震波波及面廣的原因。地震波傳播過程，引起地面的三維運動（位移、速度、加速度）從而導致地面建筑的破壞。2、地震強度的表達地震發(fā)生時，巖層積累的巨大變形能突然釋放，一部分轉(zhuǎn)化為熱能，（1）震級震級就是地震本身強弱的等級。它是一次地震釋放能量多少的一種量度，震級越高表示地震釋放的能量越多。1935年C,F,Richter提出把震級M定義為式中A為標準地震儀（周期為0.8s，阻尼比0.8，放大倍數(shù)為2800）在距震中100km處記錄的兩個最大水平位移振幅分量的平均值，單位為