海洋平台的环境载荷

海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷1第二章海洋平台的环境载荷海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷22.1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等等海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷3活动平台规范中常用载荷分类方法使用期间建造期间：｛平台载荷｛环境载荷使用载荷施工载荷海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷4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。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷5图2.1作用在钻井装置上的环境力海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷6波浪载荷海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷7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。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷8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。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷9•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。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷102.2风载荷pAF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2012pvg01.12N/m3，空气密度20613.0vp2613.0vCCpsH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HCsC风压与风速的平方成正比，故风速的取值显得特别重要!sHCACpF0海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷11•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1～3min)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海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷12•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时距1h10min1min15s5s3s系数值1.001.041.261.261.321.35海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷13•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10110vzvnznHzC210n值与测量风速的时距以及离岸的距离有关，一般在7～13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海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷14海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷15sC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sCCCS规范海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷16•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26m/s(50kn)各海区设计风速建议值（m/s）海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷17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％来计算海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷18CCS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。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷19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。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷20•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T＞0.5s时，作用风压应为基本风压值的倍，海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷21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）？海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷22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。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷23一、自升式平台(JACK-UPPlatform)组成：由平台主体、桩腿和升降机构三大部分组成。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷24二、半潜式平台（Semi-submersiblePlatform）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。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷25三、导管架平台（Jacket-upPlatform）组成:上部结构、导管架和桩。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷26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)操作不当海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷27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海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷28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与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷29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。海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷30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海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷31活动平台规范中常用载荷分类方法使用期间建造期间：｛平台载荷｛环境载荷使用载荷施工载荷海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷32风载荷pAF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2012pvg01.12N/m3，空气密度20613.0vp2613.0vCCpsH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HCsC风压与风速的平方成正比，故风速的取值显得特别重要!sHCACpF0海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷332.3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海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷341.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，非线性理论海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷35•波面•波长•速度势（1）艾里波理论tkxHcos2LdthgTL222tkxkdchdykchgHsin2海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷36根据速度势可求得波浪水质点的速度和加速度海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷37海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷38（2）司托克斯五阶波理论•波面•波长•速度势nyknncos1515阶241205535533311CCkdthLdLdBBBLddHndynkchkTLnnsin51海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷39（3）椭圆余弦波理论海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文第二章环境载荷40海洋平台结构与强度，2014秋季，