海洋平台结构设计课件第二章--设计荷载

第二章设计荷载第一节设计荷载分类按建造、安装和使用期间海洋平台所经受荷载的性质对作用于海洋平台上的荷载进行分类。设计荷载使用荷载施工荷载环境荷载固定荷载活动荷载吊装力装船力运输力下水力和扶正力地基的反作用力一、使用荷载定义：平台在使用期间，除环境荷载以外的各种荷载。使用荷载活动荷载可变荷载动力荷载结构自重固定荷载防腐阳极块重量附属结构重量机械设备重量管道重量容器重量作用在平台水下部分的浮力结构在空气中的重量可变荷载：荷载的大小或位置随时间缓慢变化的荷载，一般按静荷载处理。动力荷载：随时间而变化具有显著的动力性质的荷载，包括循环荷载、冲击荷载及事故荷载。通常把动荷载乘以一个动力放大系数，把动荷载转化为等效静荷载。对使用荷载进行分类主要在于为构件的强度和稳定设计提供最危险的荷载组合。设计时使用荷载主要包括：甲板荷载、直升飞机着降荷载、船舶停靠平台时的停靠荷载。1.甲板荷载（1）甲板荷载主要取决于布置在甲板上的工艺设备、机械设备、生活和生产设施，以及其他的备用品和补给品（2）根据工艺布置绘制甲板荷载分布图，明确相应作业工况下甲板上各部分的最大均布荷载和集中荷载值甲板上均布荷载住所、走道≥4kN/m2工作区≥8kN/m2生产储存区≥14kN/m22.直升飞机着降荷载（1）直升飞机着降通常以制造厂家提供的数据作为设计依据（2）直升飞机降落荷载约为其最大起飞重量的2～3倍（3）《海上固定平台入级与建造规范》规定：直升飞机降落时的冲击荷载不得小于直升飞机最大起飞重量的3倍冲击荷载河海大学港口海岸与近海工程学院河海大学港口海岸与近海工程学院73.船舶停靠荷载船舶停靠荷载系缆力挤靠力撞击力由于风和流的作用，通过系船缆作用在平台上的力由于风和流的作用，使停靠在码头的船舶直接作用在平台上的力船舶靠岸或在波浪作用下撞击平台时产生的力（1）系缆力1)风产生的系缆力Fcossin0nFKFncoscos10nFKFnKpAF0（当风向垂直于船舶纵轴时）（当风向垂直于船舶纵轴时）Kn——各系船柱受力不均匀系数F0——作用于船体上的风压力K——船舶的风载体型系数p——风压强度A——船舶的空载横向受风面积n——风向垂直船舶纵轴时，实际受力的系船柱最少数目n1——风向平行船舶纵轴时，实际受力的系船柱最少数目ɑ——系船缆的水平投影与平台靠船装置前沿线的夹角β——系船缆与水平面的夹角2）海流作用产生的系缆力Fsin2AKuFDtLhA9.0船舶系泊于平台时，作用于船体上的水流力包括形状阻力和表面摩擦阻力。K——绕流系数u——海流速度A——水线以下船体侧面投影面积L——最大船长ht——平均吃水深度γ——海流流向与船舶纵轴的夹角a.作用于船体水下部分的形状阻力FD：237.1uAFm765.046.022.1btCBhLBAK——绕流系数u——海流速度Á——船体浸水部分表面积L——船长B——船宽ht——船舶吃水Cb——方形系数b.作用于船体表面的摩擦力Fm：sinmDNFFF将海流对船舶的作用力F分解：cosmDTFFF垂直于船舶纵轴的力F：平行于船舶纵轴的力FT：垂直于船舶纵轴的力FN：平行于船舶纵轴的力F：cossinnFKFNncoscos1nFKFTn3）波浪作用下的系缆力F22sin297.8LHF波浪作用对系缆力的影响较大，它与波浪要素、船舶动力特性有关。H——波高F0——作用于船体上的风压力θ——船舶仰俯角L——最大船长用布赖恩公式对其值进行初步估计：（2）挤靠力定义：停靠在平台的船舶受风、流或冰的作用，通过防冲设施传递给靠船结构物且方向指向结构物的作用力。lFKFjj0当风向垂直于船舶纵轴时的挤靠力Fj：（防护设施间断布置）Kj——挤靠力分布不均匀系数，取为1.1F0——作用于船体上的风压力——船舶直线段与码头接触的长度n——与船舶接触的防护设施数目——各接触点挤靠力分布不均匀系数，取为1.3nFKFjj0（防护设施连续布置）ljK（3）撞击力1）船舶靠泊时的撞击力计算321maxCCCmCFdemsdCCCCCd——有效动能系数Cs——船壳变形系数，一般取为0.9Cm——附加质量系数Ce——偏心率，即考虑船舶回转而对船舶能量的折减系数r——船舶回转半径L——船长a——船舶重心与撞击接触点之间的距离C1——平台的变形系数C2——防冲设施的变形系数C3——船体的变形系数222arrCeLr25.0~2.0有效动能：引起船舶、平台及防冲设施变形的能量。2）系泊时波浪作用引起的撞击力计算05.0262maxgTHFH——船舶停靠时，最大波高T——船舶停靠时，波浪的最大周期Δ——可能停靠于平台的船舶满载排水量g——重力加速度求解撞击力的关键是确定波浪作用下船舶撞击结构物的法向速度un。法国平台设计规范推荐的计算船舶最大撞击力的公式：二、施工荷载定义：平台在施工期间所受到的荷载；它是发生在建造、装船、运输、下水和安装等阶段的暂时性荷载。1.吊装力确定吊装力时，应考虑作用于结构上的力的特性。（1）为补偿可能发生在吊点上的任何侧向荷载，应加上与静吊索荷载同时作用的大小为5%的静吊索荷载的水平力（2）应考虑重物由于运动而产生的动力荷载和其它因素引起的额外荷载（3）对吊点构件设计，应取荷载系数去乘所得到的静荷载吊装力荷载系数开敞无掩护海区吊点2直接与吊点连接的构件1.35传递提升力的构件近岸有掩护海区吊点1.5直接与吊点连接的构件1.15传递提升力的构件2.装船力装船包括吊装装船和滑移装船。（1）吊装装船：将结构物直接吊装到驳船上（2）滑移装船：用滑道或轨道台车把结构物水平移到驳船上应根据结构物在滑移过程中的可能出现的最不利的支撑情况计算支撑力，校核其强度和稳定，尚应计算开始移动时所需的水平力。3.运输力应根据运输方式、作业时的海况、气象条件计算运输力。4.下水力和扶正力（1）结构物下水期间要考虑结构重力、惯性力、浮力、水阻力、摇臂支撑力（2）扶正力：浮吊吊装时结构物所受的力注：（1）在海洋环境下施工，应根据相应的固定荷载、最大临时荷载和环境荷载进行适当组合后对结构的强度和稳定性进行校核（2）施工荷载一般不属于结构设计控制荷载，故通常采取临时性措施来满足5.地基的反作用力（1）大多数导管架扶正后，导其底部配置有防沉板（2）结构防沉板设计应使地基承载力满足一定的安全系数要求，一般取为2.0（3）防沉板应具有一定的结构强度以承受地基的反作用力三、环境荷载定义：由风、浪、流、冰和地震施加到平台结构上的荷载。海洋平台结构在环境荷载作用下，发生过许多重大灾难性事故。1961年，美国新泽西州近海TEXAS平台被暴风摧毁，死亡28人；1979年，我国的自升式钻井平台渤海2号在移位过程中，因为操作不当而翻沉，死亡70余人；1980年，北海挪威EKOFISK油田的一座半潜式平台ALEXANDERKIELLAND号因结构疲劳破坏发生倾覆，死亡120人；1981年，在加拿大东部近海，一座半潜式平台钻井平台在风暴中失事，死亡数十人。因此，充分认识海洋结构所处海洋环境的特点和风险,并且合理评估钻井平台荷载,是十分必要的。环境荷载：直接或间接由于环境作用引起的荷载。（一）风荷载（二）波浪荷载（三）海流荷载（四）冰荷载（五）地震荷载（一）风荷载风是空气的流动，风的强弱以风速大小表示。具有一定速度的风受到结构物阻挡时即对之产生作用力。作用于海洋结构上的有水平风力和风力矩。下面介绍如何确定设计风速及由风速推算风荷载大小的办法。1.设计风速的确定《海上移动平台入级与建造规范（2005年）》中确定设计风速选取标准是：无限航区作业平台，最小设计风速分别为100kn和70kn：（1）自存工况风速:51.5m/s(100kn×1.853×1000/3600=51.47（m/s)（2）正常作业工况：36m/s(70kn)对于具有作业限制附加标志的平台，其正常作业工况的风速可以减小，但不应该小于25.8m/s。按照实际海域的观测资料确定风速，取重现期为50年的风速。当无条件进行海、陆大风风速间相关分析时，可用陆上风速乘以风速增大系数代替海上风速。海上风速与陆上风速之间关系可以查表确定，一般海上风速为陆上风速的1.1~1.3。2.风荷载风荷载包括风的拖曳力和升力。（1）基本风压p0的确定海平面以上10m处的风压值为基本风压p0。计算公式为:u--设计风速，或者经观测资料分析得到的50年重现期风速（2）风荷载-拖曳力影响风荷载的两个因素：风速受到海洋表面粗糙度的影响；离海平面越近，风速越低。1）高度因素——风压高度变化系数kz计算结构物不同高度处的风压强时，需乘以风压高度系数，表示实际高度位置风压与海面以上10米处风压的倍数。20612.0up0pApKKFZw0ZKK2）构件的外形因素:风载体型系数K风载体型系数系数K表示构件对风的阻挡效应，即风吹到结构物表面引起的实际风压与按结构物轮廓挡风面积计算所得到的理论风压的比值。主要与结构物的体型、尺度有关。规范中给出的风荷载计算公式为：式中:——风压高度系数——风载体型系数——基本风压——受风作用的轮廓面积A按照风压中心到海平面以上的高度选取风压高度变化系数ZK风载体型系数K（3）考虑脉动风压的风荷载计算对于平台上高耸结构，其柔性较小，某些风速作用下诱发风激振动。比如，渤海4号为桁架式桩腿，设计水深91.5米，在渤海湾作业时，由于桩腿外伸出船体数十米，曾发生过严重的风激振动现象。所以对桩腿一类高耸柔性结构，考虑风的动力效应是需要的，而不能仅仅考虑静风力。风速随时间变化，是时间的函数，因此风压力本质上是动荷载。由于高耸结构比如桩腿基本自振周期较长，在风荷载作用下具有明显的动力效应。当高耸结构基本自振周期这种动力作用就不容忽视。0.5Ts结构动风荷载应按下式计算式中,——风振系数。一般可按照下表取值：AuKKFZZw2612.0ZZ（4）风的升力计算对于大面积的平面结构，如直升机平台甲板，风对其作用一方面引起风向的拖曳力，此外引起垂直于结构表面的作用力，称为升力。风向风的升力风的升力示意图特别当平台倾斜时，升力的作用影响移动式平台的稳性，甚至导致倾覆。升力的计算公式为：式中，为升力系数；其余符号意义同前。在DNV规范中，给出了不同结构形状的升力系数，可供计算时使用。AuCFLL2612.0LC在工程设计中：（1）风的长周期变化一般是按静态处理（2）风的短周期脉动效应按准动态处理（3）当风作用在高而细的柔性建筑物上时，需要考虑风的动力效应风荷载2008年12月22日[e-mail]流体的粘滞性引起流体运动惯性、结构物存在引起粘滞效应结构物与流体自由表面之间作用绕射效应结构物对入射波浪的散射作用阻力（或称为速度力、拖曳力附加质量效应质量力（或称为惯性力散射效应自由表面效应大尺度结构物波浪对海洋结构物的作用效应：（二）波浪荷载波浪荷载是设计海洋平台的重要环境荷载之一。作用在结构上波浪力的大小除与结构所在海区的设计水深、结构形状和尺寸大小有关外，主要取决于根据平台设计标准所选取的波浪参数或海浪谱。设计波高的选取：（1）P部分大波的波高HP：将波高按从大到小顺序排列，取最高的前P个波高计算其平均值，称为该P部分大波的波高，记作HP。美国、日本等国采用此法；习惯称H1/3为有义波高（2）设计平台采用的设计波高应取服役海域某一重现期内波高的极值（3）设计波高取决于结构物所在海域的设计波浪情况和结构物的重要性，遵照规范要求应尽量做到既保证安全，有经济合理，综合考虑加以决定1．波浪参数（1）设计波高根据平台所在位置及附近海域长期实测资料（要求不少于一年），推算不同重现期的设计波高。我国《海上移动平台入级与建造规范》规定的设计波高的选取方法：－最大波高的可能值，根据波数选取－破碎临界波高，根据规范选取),(maxbdHHMinHmaxHbH•渤海深水波高为：对应波数。•其