04第四章荷载

DNV海底管线规范（2000版）第四章荷载-1-第四章荷载目录A.总则A100目的A200应用A300荷载B.功能荷载B100总则B200特征荷载效应C.环境荷载C100总则C200风荷载C300流体动力荷载C400波浪和海流荷载C500冰荷载C600特征荷载效应D.施工荷载D100总则E.偶然荷载E100总则F.其他荷载F100拖网荷载F200地震A.总则A100目的101本章定义的荷载条件以及特征荷载效应是在管道系统建造和运行的设计中使用的。102荷载被分成不同的种类。荷载分类的目的是为了把荷载效应和不同的不确定性和偶然性联系起来。指南注解：荷载分类是和所采用LRFD方式紧密联系的。环境荷载的分类要比功能荷载分类保守得多，就是由于更高的荷载分项系数。这是与一般所用得ASD方式相抵触的地方。A200应用201这一章节将说明在LRFD标准中所使用的荷载A300荷载DNV海底管线规范（2000版）第四章荷载-2-301荷载可以分为以下几类——功能荷载——环境荷载——建造荷载，又分为功能荷载和环境荷载——偶然荷载302保守时可以使用简化方法和分析来估算荷载效应。模型试验可以与理论计算相结合，也可以代替理论计算。在理论方法不充分的情况下，则需要做模型试验和全尺寸试验。B功能荷载B100总则101由管道系统存在和预期使用所引起的荷载被划为功能荷载。102必须考虑建造和运行期间保证管道完整性的所有荷载效应。103当确定功能荷载时，至少要考虑以下因素所产生的荷载效应：——重量——外部静水压力——介质温度——来自于其他构件的反作用力（法兰，夹具等）——覆盖（例如：土壤、岩石、垫子）——正常运行期间的内部压力——海床的反作用（摩擦及扭转刚度）——预应力——支撑结构的永久变形——由于地面下沉所导致的竖向和横向永久变形——在埋设管道固定构件（在线阀/三通、固定设备等），四周由于内部气体/液体冷却造成冰壳生所引起的可能荷载——由频繁的清管工作所引起的荷载104重量包括管子的自重、浮力、介质、涂层、阳极、海生物和全部管子附件重量。105埋设管道的土壤压力若显著则必须考虑。106在正常运行期间，既要考虑由压力引起的管端盖帽力的影响又要考虑瞬时压力影响（如由于阀门的闭合）。107在检查疲劳强度时应考虑到温度波动的影响。108当预应力在一定程度上影响到管道系统承受其他荷载的能力时应考虑如永久性弯曲或永久性伸长等在安装期产生的预应力。由法兰螺栓、连接器和立管支撑构件以及其他永久性附属构件产生的与预张力被划为功能荷载。B200特征荷载效应201特征功能荷载效应通常被定义为在所考虑的期限内最可能发生的荷载最大值。202当外压增加管道的承压能力时，采用的外压不能高于相应位置处低潮位时的水压。203与外压减少管道的承压能力时，采用的外压不能低于相应位置处高潮位时的水压。204除下列情况使用正常操作压力和正常操作温度计算外，其他运行条件下的所有计算将使用设计压力和最大或最小设计温度（哪个更保守）。——疲劳分析DNV海底管线规范（2000版）第四章荷载-3-——环境条件起主要作用的情况C环境荷载C100总则101为了计算特征环境荷载可以参考“环境条件与环境荷载”分类条款第30.5给出的准则。102环境荷载即为周围环境作用于管道系统上的荷载，不属于功能荷载或偶然荷载。103拖网渔具荷载可依据下面F的要求分类。C200风载201风载应根据充分的试验数据用认可的理论方法得到，也可以直接使用由充分试验所取得的数据资料。202必须考虑由循环风载引起振动的可能性和不稳定性（如涡流激振）。C300流体动力荷载301流体动力荷载的定义是管子和周围液流之间的相对运动产生的流动诱发荷载。在确定流体动力荷载时，要估计在计算中所采用流体质点相对速度和加速度，若认为必要还应计入波浪、海流的分布和管子运动的影响。302必须考虑以下流体动力荷载，但不仅限于此：——与水质点的绝对速度或相对速度一致的阻力和升力——与水质点的绝对速度或相对速度一致的惯性力——由于涡流激振和其他不稳定现象产生的流动诱发循环荷载——由于波浪撞击产生的冲击荷载——由于波浪作用产生的浮力变化C400波浪和海流荷载401必须按照公认的办法计算作用下水下管道上的波浪和流引起的荷载。402模型试验数据或者来自于工程实践中的数据可以用来确定相关流体动力系数。403要确定作用在立管和管道上的海流引起的阻力和升力，并按照公认的波流干扰理论将其与波浪引起的力相结合。可以采用流和波浪诱发的水质点运动速度的矢量相加的方法进行组合。如有可能，最好应根据更为精确的波浪—海流相互作用的原理计算质点总速度和总加速度。404如果立管由数根紧密排列的管子组成，则在确定每根管子或整个管束的质量系数和阻力系数时，必须考虑相互作用效应和整体作用效应。如果没有充分的数据资料，则可要求进行大比例尺的模型试验。405对位于固定边界或靠近固定边界（如管道悬跨）布置或位于自由流区（如主管）的管道，必须将垂直于管子轴线的升力和垂直于速度矢量的升力计算在内。406在确定波浪和海流的荷载时，要将邻近结构部件的可能影响考虑在内，流体流过圆柱体（导管架腿或杆件柱杆）时加速度和流速的增加会在立管和立管支撑构件上产生附加力。407要考虑由涡流激振诱发的横向振动所导致阻力系数的增加。408要考虑在空气区作用于立管系统的波浪和海流荷载影响。指南注解：波浪的最大荷载并不一定总是在设计波浪通过时出现，最大波浪荷载是由特定的波的波长、周期或坡陡产生的。波浪冲击或拍击的最初响应通常发生在管道的暴露段被大部分浸没之前，因此，作用于管道系统的其他流体荷载DNV海底管线规范（2000版）第四章荷载-4-通常不施加冲击荷载。然而，由于立管结构的连续性，除了波浪直接荷载之外，必须考虑作用于管道系统的其他部分的整体波浪荷载。当波浪经过时，水面升高，相应的水平构件被淹没，发生波浪冲击，最大的波浪冲击力发生在构件的平均水平面上且与冲击力的方向接近垂直。波浪拍击是与破碎波作用联系在一起的，除了垂直于波浪方向的平面外，能够对任何斜度的构件产生影响。最大的力发生在平均水平面以上的构件上。拍击和冲击都是脉冲式作用的（在一个很短的时间内），要考虑管道系统的动力响应。409位于波浪一般影响区以上的部分管道系统，由于波浪的爬升会暴露于波浪荷载的冲击之下。如果发现是相关的，则需考虑该荷载的影响。C500冰荷载501在一个可能结冰或有浮冰的地区需要考虑作用于管道上的各种冰荷载的可能性，这类作用力可能一部分是由冻结在管道系统上的冰本身造成的，一部分可能是由浮冰造成的。对于海岸附近和浅水地区，应该考虑浮冰的侵蚀作用和撞击作用的可能性。502管道系统的水面以上部分处于冰冻的情况下（如由于浪花作用）应考虑下述的力：——冰的重量——由于冰的融化产生的撞击力——由于冰的膨胀产生的力——由于暴露的面积加入而增加的风力和波浪力503由于浮冰产生的作用力，应根据通用的理论进行计算。应注意冰的力学特性、接触面积、结构形状和冰的运动方向等。在结构分析中需要考虑冰的作用力（由了水平作用力和浮冰断裂造成）的振动特性，当结构的尺寸主要取决于冰水平运动产生的作用力时，可要求进行冰和结构物相互作用的模型试验。C600特征荷载效应601对于每一种荷载及设计条件，用同时作用的荷载最不利的位置、方向及相关的组合来证明管道的完整性。602在管道系统的安装过程中，环境特征荷载取所考虑的时间周期中给定海况下的最大值，该海况由（Hs、Tp）以及相应的海流和风条件确定。特征荷载影响即最大的荷载影响（即波浪、海流和风）LE由下式计算：式中：F（LE）是LE概率分布函数，N是在持续时间不小于3小时的荷载效应循环次数。指南注解：所考虑的时间周期中给定海况，应解释为针对相应位置和安装周期的海况，为了包括可能的延迟，通常要求周期足够长，安装周期不能超过这个时间周期。603对于运行状态，特征环境荷载组合的影响取一年不超过1%的可能性的值，当不同的荷载元素（例如风、浪、流、冰）之间的相互关系不确定时，用表4—1中的荷载组合（同时作用的荷载）NLFE11)(DNV海底管线规范（2000版）第四章荷载-5-表4—1特征荷载组合（依据每年超过的概率）风波浪海流冰地震10-210-210-110-110-110-210-110-110-110-210-2604对于临时条件下的海底管道，特征环境荷载组合影响如下：——如时间不超过三天，特征荷载影响可以依据可靠的大气预报来决定。——对于临时条件下的贴底管道，所考虑的时间周期可以取10年的重现期的值，相关的时间周期不应小于一季（即3个月），如果环境荷载的联合分布不明确，特征荷载的组合可以采用类似运行状态表中的值。指南注解：“类似运行状态”即是十年波浪加一年流或一年波浪加十年流D．建造荷载D.100总则101建造荷载即管道系统在建造时，包括安装、压力试验、试运行、维护和维修产生的荷载，建造荷载可分为功能荷载和环境荷载。102要考虑在运输、建造、安装、维护和维修时作用于管节点和管截面上的所有有效荷载。103在安装、维护和维修时要考虑由于张拉而引起的功能荷载。104要考虑由于船的移动引起倾斜荷载和动力荷载以及风，波浪，海流对管线所产生的环境荷载。105偶然荷载要考虑由于突然注水，过度弯曲产生的变形所引起的惯性力。以及由于机器操作失误或失败所产生的力，这些失误或失败将引起或者恶化危险条件，参见第9章A300。106其他要考虑的荷载是：——管子的堆放——管段的搬运，例如管段、管段之间的连接处、膨胀弯的提升以及管段的卷绕——挖沟、登岸段拖拉、连接等——压力试验——试运行，如：由于真空干燥造成的压力增加107考虑到结构的活动性，需建立操作限制条件，见第9章D400。108对于预安装的立管、在导管架上的立管支撑导向卡以及类似结构物所产生的建造典型荷载有：——风诱导的力，尤其是承载结构上装后沉没于水中的那部分由风诱导的涡流激振产生的荷载——在承载结构装船期间引起的变形／力——运输期间由于船运动产生的力——结构下水时产生的变形及作用于结构上的水动力荷载（托曳、撞击、拍击）引起的力——承载结构安装过程中产生的变形／力——由于打桩引起的作用在力管支撑导向卡上的惯性荷载——当临时的力管支撑被拿掉以及立管放到最终位置时支持力的重新分配——立管的冷弹性（弹性预变形）——立管与膨胀弯/管道连接时产生的连接力DNV海底管线规范（2000版）第四章荷载-6-——运行前期带来的动力荷载，比如灌注，分离灌注109在建造期间荷载组合效应要考虑选择可能遇到的最恶劣的荷载组合。E．偶然简载E100总则101偶然荷载即在异常和意外情况下施加于管道系统上的荷载。102把一个荷载归类为偶然荷载最主要的标准是看它发生的可能性，这与第5章D1200是一致的。103偶然荷载可能由下列因素造成：——船舶或其他飘浮物的冲击（碰撞、下沉、搁浅）——坠落物的撞击——泥土滑移——爆炸——火灾和热流——操作失灵——锚的拖拉104对于具体的管道系统，要通过风险分析来确定偶然荷载的频率和大小。F．其他荷载F100拖网荷载101“拖网渔具和管道的相互作用”中给出的准则可以作为计算典型的拖网荷载的参考。102设计管道时确定拖网荷载要以拖网频率研究及拖网时潜在破坏评估为基础以确保管道整体性不被破坏。103拖网荷载可能因拖网板或拖网梁的作用而产生，具体取决于该区域的推荐捕鱼工具。104渔具和由此产生的拖网荷载不仅对不同的管道系统作用显著不同，而且沿同一管道系统也可能有显著变化。拖网荷载由拖网板及梁的类型、质量、速度、拖网缆索的性质（刚度、长度和悬链影响）以及尺寸未确定。沿管道路由支撑条件的变化对拖网设备的响应也会有变化。105要确定以下有关拖网的数据：——通常用于本地区的最大拖网设备的尺寸——未来的趋势（新型设备、质量、拖网速度、形状）——本地区拖网作业的频率106拖网荷载的影响可以根据三个交替阶段来划分：a）撞击即由拖网板或梁开始撞击管子时造成管子局部凹陷或涂层的破坏。这种荷载通常被划归为环境荷载。b）拖越常指为在