海洋平台结构设计设计荷载.pptx

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1、使用荷载使用荷载活动荷载活动荷载可变荷载可变荷载动力荷载动力荷载结构自重结构自重固定荷载固定荷载防腐阳极块重量防腐阳极块重量附属结构重量附属结构重量机械设备重量机械设备重量管道重量管道重量容器重量容器重量作用在平台水下部分的浮力作用在平台水下部分的浮力结结构构在在空空气气中中的的重重量量第1页/共79页可变荷载：荷载的大小或位置随可变荷载：荷载的大小或位置随时间时间缓慢变化缓慢变化的荷载，一般的荷载，一般按按静荷载静荷载处理。处理。动力荷载：随动力荷载：随时间而变化具有显著的动力性质时间而变化具有显著的动力性质的荷载，包括的荷载，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循环荷载

2、、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，把动荷载转化为力放大系数，把动荷载转化为等效静荷载等效静荷载。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。提供最危险的荷载组合。设计时使用荷载主要包括：设计时使用荷载主要包括：甲板荷载甲板荷载、直升飞机着降荷载直升飞机着降荷载、船舶停靠平台时的船舶停靠平台时的停靠荷载停靠荷载。第2页/共79页1.1.甲板荷载甲板荷载 （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）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

3、品和补给品产设施，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）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分的最大均布荷载和集中荷载值 甲板上均布荷载甲板上均布荷载住所、走道住所、走道4kN/m2工作区工作区8kN/m2生产储存区生产储存区14kN/m2第3页/共79页2.2.直升飞机着降荷载直升飞机着降荷载 （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）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）直升飞机降落荷载约为其最大起飞重量的23倍倍

4、 （3）海上固定平台入级与建造规范规定：直升飞机降落时）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的冲击荷载不得小于直升飞机最大起飞重量的3倍倍 冲击荷载冲击荷载第4页/共79页河海大学 港口海岸与近海工程学院53.3.船舶停靠荷载船舶停靠荷载船船舶舶停停靠靠荷荷载载系缆力系缆力挤靠力挤靠力撞击力撞击力由由于于风风和和流流的的作作用用，通通过过系系船船缆缆作用在平台上的力作用在平台上的力由由于于风风和和流流的的作作用用，使使停停靠靠在在码码头头的船舶直接作用在平台上的力的船舶直接作用在平台上的力船船舶舶靠靠岸岸或或在在波波浪浪作作用用下下撞撞击击平平

5、台时产生的力台时产生的力第5页/共79页（1 1）系缆力）系缆力 1)1)风产生的系缆力风产生的系缆力F F （当风向垂直于船舶纵轴时）当风向垂直于船舶纵轴时）（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各系船柱受力不均匀系数F0 作用于船体上的风压力作用于船体上的风压力K 船舶的风载体型系数船舶的风载体型系数p p 风压强度风压强度A 船舶的空载横向受风面积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风向平行船舶纵轴时，实际受力的系船柱最

6、少数目 系船缆的水平投影与平台靠船装置前沿线的夹角系船缆的水平投影与平台靠船装置前沿线的夹角 系船缆与水平面的夹角系船缆与水平面的夹角第6页/共79页 2 2）海流作用产生的系缆力）海流作用产生的系缆力F F 船舶系泊于平台时，作用于船体上的水流力包括船舶系泊于平台时，作用于船体上的水流力包括形状阻力形状阻力和和表面摩擦阻力表面摩擦阻力。K 绕流系数绕流系数u 海流速度海流速度A 水线以下船体侧面投影面积水线以下船体侧面投影面积L 最大船长最大船长ht 平均吃水深度平均吃水深度 海流流向与船舶纵轴的夹角海流流向与船舶纵轴的夹角a.作用于船体水下部分的作用于船体水下部分的形状阻力形状阻力FD：第

7、7页/共79页K 绕流系数绕流系数u 海流速度海流速度A 船体浸水部分表面积船体浸水部分表面积L 船长船长B 船宽船宽ht 船舶吃水船舶吃水C Cb b 方形系数方形系数b.作用于船体表面的作用于船体表面的摩擦力摩擦力Fm：第8页/共79页将海流对船舶的作用力将海流对船舶的作用力F分解：分解：垂直于船舶纵轴的力垂直于船舶纵轴的力F：平行于船舶纵轴的力平行于船舶纵轴的力FT：垂直于船舶纵轴的力垂直于船舶纵轴的力FN：平行于船舶纵轴的力平行于船舶纵轴的力F：第9页/共79页3 3）波浪作用下的系缆力波浪作用下的系缆力F F 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。波浪作用对系缆

8、力的影响较大，它与波浪要素、船舶动力特性有关。H 波高波高F0 作用于船体上的风压力作用于船体上的风压力 船舶仰俯角船舶仰俯角L L 最大船长最大船长用布赖恩公式对其值进行初步估计：用布赖恩公式对其值进行初步估计：第10页/共79页（2 2）挤靠力）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。船结构物且方向指向结构物的作用力。当风向垂直于船舶纵轴时的挤靠力当风向垂直于船舶纵轴时的挤靠力Fj：（防护设施间断布置）（防护设施间断布置）Kj 挤靠力分布不均匀系数，取为挤靠力分布不均

9、匀系数，取为1.11.1F0 作用于船体上的风压力作用于船体上的风压力 船舶直线段与码头接触的长度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，取为各接触点挤靠力分布不均匀系数，取为1.31.3（防护设施连续布置）（防护设施连续布置）第11页/共79页（3 3）撞击力）撞击力 1 1）船舶靠泊时的撞击力计算）船舶靠泊时的撞击力计算 Cd 有效动能系数有效动能系数Cs 船壳变形系数，一般取为船壳变形系数，一般取为0.90.9Cm 附加质量系数附加质量系数Ce 偏心率，即考虑船舶回转而对船舶能量的折减系数偏心率，即考虑船舶回转而对船舶

10、能量的折减系数r 船舶回转半径船舶回转半径L 船长船长a 船舶重心与撞击接触点之间的距离船舶重心与撞击接触点之间的距离C C1 1 平台的变形系数平台的变形系数C C2 2 防冲设施的变形系数防冲设施的变形系数C C3 3 船体的变形系数船体的变形系数有效动能：引起船舶、平台及防冲设施变形的能量。有效动能：引起船舶、平台及防冲设施变形的能量。第12页/共79页 2 2）系泊时波浪作用引起的撞击力计算）系泊时波浪作用引起的撞击力计算 H 船舶停靠时，最大波高船舶停靠时，最大波高T 船舶停靠时，波浪的最大周期船舶停靠时，波浪的最大周期 可能停靠于平台的船舶满载排水量可能停靠于平台的船舶满载排水量g

11、 重力加速度重力加速度求解撞击力的求解撞击力的关键关键是确定波浪作用下船舶撞击结构物的法向速度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：法国平台设计规范推荐的计算船舶最大撞击力的公式：第13页/共79页二、施工荷载二、施工荷载定义：平台在施工期间所受到的荷载；定义：平台在施工期间所受到的荷载；它是发生在建造、装它是发生在建造、装船、运输、下水和安装等阶段的船、运输、下水和安装等阶段的暂时性暂时性荷载。荷载。第14页/共79页1.1.吊装力吊装力 确定吊装力时，应考虑作用于结构上的力的特性。确定吊装力时，应考虑作用于结构上的力的特性。（1）为补

12、偿可能发生在吊点上的任何侧向荷载，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应加上与静吊索荷载同时作用的大小为时作用的大小为5%的静吊索荷载的水平力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）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额外荷载 （3）对吊点构件设计，应取）对吊点构件设计，应取荷载系数荷载系数去乘所得到的静荷载去乘所得到的静荷载 吊装力荷载系数吊装力荷载系数开敞无掩护海区开敞无掩护海区吊点吊点2直接与吊点连接的构件直接与吊点连接的构件1.35传递提升力的构件传递提升力的构件近岸有掩护海区近岸有掩护海区吊点吊点1.

13、5直接与吊点连接的构件直接与吊点连接的构件1.15传递提升力的构件传递提升力的构件第15页/共79页2.2.装船力装船力 装船包括吊装装船和滑移装船。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）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）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。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。3.3.运

14、输力运输力 应根据运输方式、作业时的海况、气象条件计算运输力。应根据运输方式、作业时的海况、气象条件计算运输力。第16页/共79页4.4.下水力和扶正力下水力和扶正力 （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）结构物下水期间要考虑结构重力、惯性力、浮力、水阻力、摇臂支撑力力 （2）扶正力：浮吊吊装时结构物所受的力）扶正力：浮吊吊装时结构物所受的力 注：注：（1 1）在海洋环境下施工，应根据相应的固定荷载、）在海洋环境下施工，应根据相应的固定荷载、最大临时荷载最大临时荷载和环境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进行适当组合后对结构的强度和稳定性进行

15、校核（2 2）施工荷载一般不属于结构设计控制荷载，故通常采取）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临时性措施来满足施来满足5.5.地基的反作用力地基的反作用力（1）大多数导管架扶正后，导其底部配置有防沉板）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）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）防沉板应具有一定的结构强度以承受地基的反作用力第17页/共79页三、环境荷载三、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定义：由风

16、、浪、流、冰和地震施加到平台结构上的荷载。第18页/共79页 海洋平台结构在环境荷载作用下，发生过许多重大灾难性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。事故。19611961年，美国新泽西州近海年，美国新泽西州近海TEXASTEXAS平台被暴风摧毁，死亡平台被暴风摧毁，死亡2828人；人；19791979年，我国的自升式钻井平台渤海年，我国的自升式钻井平台渤海2 2号在移位过程中，号在移位过程中，因为操作不当而翻沉，死亡因为操作不当而翻沉，死亡7070余人；余人；19801980年，北海挪威年，北海挪威EKOFISKEKOFISK油田的一座半潜式平台油田的一座半潜式平台ALEX

17、ANDER KIELLANDALEXANDER KIELLAND号因结构疲劳破坏号因结构疲劳破坏发生倾覆，死亡发生倾覆，死亡120120人；人；19811981年，在加拿大东部近海，一座半潜年，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并且合理评估钻井平台荷载载,是十分必要的。是十分必要的。第19页/共79页环境荷载：环境荷载：直接或间接由于环境作用引起的荷载。直接或间接由于环境作用引起的荷载。（一）（一）风荷载风荷

18、载 （二）（二）波浪荷载波浪荷载 （三）（三）海流荷载海流荷载 （四）（四）冰荷载冰荷载 （五）（五）地震荷载地震荷载第20页/共79页（一）（一）风荷载风荷载风是空气的流动，风的强弱以风是空气的流动，风的强弱以风速风速大小表示。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。下面介绍如何确定矩。下面介绍如何确定设计风速设计风速及由风速推算风及由风速推算风荷载大小的办法。荷载大小的办法。第21页/共79页1.设计风速的确定设计风速的确定海上移动平台入级与建造规范

19、海上移动平台入级与建造规范（2005年）年）中确定设计风速选取标中确定设计风速选取标准是：无限航区作业平台，准是：无限航区作业平台，最小设计风速最小设计风速分别为分别为100kn和和70kn：（1）自存工况风速自存工况风速:51.5m/s(100kn1.8531000/3600=51.47（m/s)（2）正常作业工况正常作业工况：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，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，取重现期为按照实际海域的观测资料确定风速，取重现期

20、为5050年的风速。当无条件年的风速。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陆上风速的1.11.3。第22页/共79页2.风荷载风荷载 风荷载包括风的拖曳力和升力。风荷载包括风的拖曳力和升力。（1）基本风压）基本风压p0的确定的确定 海平面以上海平面以上10m处的风压值为基本风压处的风压值为基本风压p0。计算公式为。计算公式为:u-设计风速，或者经观测资料分析得

21、到的设计风速，或者经观测资料分析得到的50年重现期风速年重现期风速（2）风荷载风荷载-拖曳力拖曳力 影响风荷载的两个因素：影响风荷载的两个因素：风速受到海洋表面粗糙度的影响；风速受到海洋表面粗糙度的影响；离海平面越近，风速越低。离海平面越近，风速越低。1）高度因素）高度因素风压高度变化系数风压高度变化系数k kz z 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高度位置风压与海面以上1010米处风压的倍数。米处风压的倍数。第23页/共79页2）构件的外形因素）构件的外形因素:风载体型系数风载体型系

22、数K 风载体型系数系数风载体型系数系数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。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。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：规范中给出的风荷载计算公式为：式中式中:风压高度系数风压高度系数 风载体型系数风载体型系数 基本风压基本风压 受风作用的轮廓面积受风作用的轮廓面积 第24页/共79页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按照风压中心到海平面以上的高度选取风压高度

23、变化系数 第25页/共79页 风载体型系数风载体型系数第26页/共79页（3）考虑脉动风压的风荷载计算）考虑脉动风压的风荷载计算 对于对于平台上高耸结构平台上高耸结构，其柔性较小，某些风速作用下诱发风激振，其柔性较小，某些风速作用下诱发风激振动。比如，动。比如，渤海渤海4号号为桁架式桩腿，设计水深为桁架式桩腿，设计水深91.5米，在渤海湾作米，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。所以对象。所以对桩腿一类高耸柔性结构桩腿一类高耸柔性结构，考虑风的动力效应是需要的，考虑风的动力效应是需要的，而不能仅仅考虑静风

24、力。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。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。这种动力作用就不容忽视。第27页/共79页结构动风荷载应按下式计算结构动风荷载应按下式计算 式中式中,风振系数。风振系数。一般可按照下表取值：一般可按照下表取值：第28页/共79页（4）风的升力计算）风的升力计算 对于大面积的平面结构，如对于大面积

25、的平面结构，如直升机平台甲板直升机平台甲板，风对其作用一方，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。升力。风向风向 风的升力风的升力 风的升力示意图风的升力示意图 第29页/共79页 特别当平台倾斜时，升力的作用影响移动式平台的特别当平台倾斜时，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：稳性，甚至导致倾覆。升力的计算公式为：式中，式中，为升力系数；其余符号意义同前。在为升力系数；其余符号意义同前。在DNV规规范中，给出了不同结构形状的升力系数，可供计算时范中，给出了不同结构形状的升

26、力系数，可供计算时使用。使用。第30页/共79页在工程设计中：在工程设计中：（1）风的）风的长周期长周期变化一般是按静态处理变化一般是按静态处理 （2）风的）风的短周期短周期脉动效应按准动态处理脉动效应按准动态处理 （3）当风作用在高而细的）当风作用在高而细的柔性柔性建筑物上时，需要考虑风的动力效应建筑物上时，需要考虑风的动力效应 风荷载风荷载第31页/共79页2008 年12月22日 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（或称为惯性力质量力（或称

27、为惯性力散射效应自由表面效应大大尺尺度度结结构构物物波浪对海洋结构物的作用效应：波浪对海洋结构物的作用效应：（二）波浪荷载（二）波浪荷载第32页/共79页 波浪荷载是设计海洋平台的重要环境荷载之一。作用在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准所选取的波浪参数波浪参数或或海浪谱海浪谱。第33页/共79页设计波高的选取：设计波高的选取：（1）P P部分大波的波高部分大波的波高H HP P

28、：将波高按从大到小顺序排列，取最高的前：将波高按从大到小顺序排列，取最高的前P P个波个波高计算其平均值，称为该高计算其平均值，称为该P P部分大波的波高，记作部分大波的波高，记作H HP P。美国、日本等国采用。美国、日本等国采用此法；习惯称此法；习惯称H H1/31/3为为有义波高有义波高 （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，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

29、决定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 1波浪参数波浪参数（1 1）设计波高设计波高第34页/共79页 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），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。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：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，根据规范选取破碎临界波高，根据规范选取 第35页/共79页渤海深水渤海深水波高为：波高为：对应波数对应波数

30、。其中其中 为有义波高值为有义波高值波数计算公式：波数计算公式：或或 ，和和 分别为波长和波浪频率。分别为波长和波浪频率。浅水浅水设计波高为：设计波高为：比值可由规范直接确定；比值可由规范直接确定；波高的平均值：波高的平均值：第36页/共79页（2）波浪周期）波浪周期 某一重现期的最大波高的可能值某一重现期的最大波高的可能值 所对应的周期所对应的周期T，应采用使平台结构产生最大应力值的周期。周期，应采用使平台结构产生最大应力值的周期。周期T的范的范围为围为 一般波浪周期一般波浪周期T均小于均小于20s,而周期为而周期为 时，已达时，已达到破碎极限。实际工程的计算方法是：采用不同的波浪周到破碎极

31、限。实际工程的计算方法是：采用不同的波浪周期，计算平台的应力，直至得到平台的最大应力。期，计算平台的应力，直至得到平台的最大应力。第37页/共79页2.海浪谱海浪谱 从波浪实际观测中发现，海面的波动是一个随机的过程，波面高从波浪实际观测中发现，海面的波动是一个随机的过程，波面高度随机变化，波动周期时长时短。工程中常用郎尤特度随机变化，波动周期时长时短。工程中常用郎尤特-黑金斯黑金斯（Longuet-Higgins）提出的海浪模型。这个模型是把海上一固）提出的海浪模型。这个模型是把海上一固定点的水面波动用多个随机余弦波的叠加来描述，其表达式为定点的水面波动用多个随机余弦波的叠加来描述，其表达式为

32、 式中式中 第第n个余弦组成波的振幅，个余弦组成波的振幅，m；第第n个余弦组成波个余弦组成波的圆频率的圆频率，；第第n个余弦组成波的随机初相角，它是个余弦组成波的随机初相角，它是均匀分布均匀分布 于范围内的随机量。于范围内的随机量。第38页/共79页 如果把介于如果把介于()范围内的各组成波的振幅平方之半叠范围内的各组成波的振幅平方之半叠加起来，并除以包含所有这些组成波的频率范围加起来，并除以包含所有这些组成波的频率范围 ，所得的，所得的值将是一个函数，即值将是一个函数，即 而而 相当于在单位频率间隔内海浪的平均能量相当于在单位频率间隔内海浪的平均能量,相当相当于能量密度相对于组成波频率的分布

33、函数，这个函数称为谱。于能量密度相对于组成波频率的分布函数，这个函数称为谱。由于其实质是代表海浪的能量，所以称为能谱，又因为它是能由于其实质是代表海浪的能量，所以称为能谱，又因为它是能量相对于频率的分布，因而也称为波浪频谱。量相对于频率的分布，因而也称为波浪频谱。第39页/共79页 根据波浪谱，可以求出波浪的统计量。如果缺乏结构海区的实根据波浪谱，可以求出波浪的统计量。如果缺乏结构海区的实际海浪谱资料，可以采用下列两种海浪谱：际海浪谱资料，可以采用下列两种海浪谱：（1）Pierson-Moskowitz(P-M)谱谱 产生于产生于1963年，对北大西洋充分发展的海浪统计的结果年，对北大西洋充分

34、发展的海浪统计的结果 式中，式中，a菲利普经验常数，菲利普经验常数，a0.0081；g重力加速度，重力加速度，,海面以上海面以上19.5m处的风速。处的风速。第40页/共79页（2）Bretschneider谱谱 适用于风的作用范围相对小的水域，其表达式为适用于风的作用范围相对小的水域，其表达式为 式中，式中，；有义波高，有义波高，有效波周期。有效波周期。根据海浪谱，可求出一系列波的波高及波浪周期。根据海浪谱，可求出一系列波的波高及波浪周期。第41页/共79页3.小尺度孤立桩柱上的波浪力计算小尺度孤立桩柱上的波浪力计算 对于构件直径与波长之比对于构件直径与波长之比 小于或等于小于或等于0.2时

35、的构件，时的构件，称为小尺度构件。称为小尺度构件。（1）垂直小尺度构件上的波浪力）垂直小尺度构件上的波浪力 波浪垂直于小尺度构件波浪垂直于小尺度构件第42页/共79页 单位长度上的波浪力单位长度上的波浪力 ，可采用莫里森（，可采用莫里森（Morison）公式计算。）公式计算。根据根据Morison公式，单位长度上的波浪力为：公式，单位长度上的波浪力为：式中，拖曳力为式中，拖曳力为 其中；其中；海水密度；海水密度；拖曳力系数，由试验确定，如试验资拖曳力系数，由试验确定，如试验资料不足时，圆形构件料不足时，圆形构件 ；水质点的速度水平分量；水质点的速度水平分量；构件构件运动速度水平分量。构件构件运

36、动速度水平分量。第43页/共79页单位长度的惯性力为单位长度的惯性力为 =附连水惯性力附连水惯性力+构件排开水的惯性力构件排开水的惯性力 单位长度构件体积；单位长度构件体积；附连水质量系数附连水质量系数 惯性力系数，由试验确定，在试验资料不足时，圆形构件惯性力系数，由试验确定，在试验资料不足时，圆形构件取取 ；水质点速度水平分量水质点速度水平分量；水质点加速度水平分量水质点加速度水平分量。第44页/共79页 水平波浪力水平波浪力 由两个部分组成，一是波浪水质点运动的水平速度由两个部分组成，一是波浪水质点运动的水平速度 引起的拖曳力引起的拖曳力 ;另一是波浪水质点运动的水平加速度另一是波浪水质点

37、运动的水平加速度 引起的引起的惯性力惯性力 。当进行桩基平台结构静力分析时，当进行桩基平台结构静力分析时，、可取为水质点的水平速度可取为水质点的水平速度与水平加速度。同时因构件直径远小于设计波浪的波长，可认为与水平加速度。同时因构件直径远小于设计波浪的波长，可认为构件的存在对波浪运动无显著影响，此时，构件的存在对波浪运动无显著影响，此时，、可取在桩柱中心可取在桩柱中心垂线位置上的波浪水质点水平速度与水平加速度值。垂线位置上的波浪水质点水平速度与水平加速度值。作用于垂直桩柱上的总水平波浪力作用于垂直桩柱上的总水平波浪力F可由下式计算可由下式计算 式中式中 静水面以上波动水面高度静水面以上波动水面

38、高度 第45页/共79页（2）倾斜圆柱形构件上的波浪力）倾斜圆柱形构件上的波浪力 倾斜圆柱形构件如下图所示：倾斜圆柱形构件如下图所示：圆柱形倾斜构件圆柱形倾斜构件第46页/共79页 构件轴线与构件轴线与z轴夹角为轴夹角为 ，平面上投影与，平面上投影与x 轴夹角为轴夹角为 。倾斜构件上。倾斜构件上波浪力仍按照莫里森公式计算，但是需要将莫里森公式写成矢量形波浪力仍按照莫里森公式计算，但是需要将莫里森公式写成矢量形式，即在空间坐标系下确定出垂直构件轴线方向的流体质点速度和式，即在空间坐标系下确定出垂直构件轴线方向的流体质点速度和加速度。将莫里森公式写成矢量形式，则可得到深度为加速度。将莫里森公式写成

39、矢量形式，则可得到深度为y处单位长度处单位长度波浪力的一般表达式波浪力的一般表达式 式中式中 与与 是水质点速度与加速度的法向矢量（垂直于构件轴线）是水质点速度与加速度的法向矢量（垂直于构件轴线），为水质点速度法向矢量的模。为水质点速度法向矢量的模。第47页/共79页在三维坐标系下，法向矢量可表示为在三维坐标系下，法向矢量可表示为 得到倾斜构件波浪力计算的莫里森公式为得到倾斜构件波浪力计算的莫里森公式为第48页/共79页4、波浪理论与有关公式、波浪理论与有关公式 在确定了流体质点速度和加速度的情况下，波浪力很容易由莫里森在确定了流体质点速度和加速度的情况下，波浪力很容易由莫里森公式计算。所以公

40、式计算。所以确定流体质点速度和加速度是关键问题确定流体质点速度和加速度是关键问题。计算波浪力时，应根据设计波高计算波浪力时，应根据设计波高 H、周期、周期T和水深和水深d 选用适当的波选用适当的波浪理论。根据水深波长比（浪理论。根据水深波长比（d/L）、波高水深比（）、波高水深比（H/d）可提出常用）可提出常用的波浪理论适用范围。的波浪理论适用范围。（1）当）当 、时，采用线性波理论，适用于波幅较小情时，采用线性波理论，适用于波幅较小情况；况；第49页/共79页（2）当）当 、时采用有限振幅波理论（司托克斯时采用有限振幅波理论（司托克斯波理论）；适用于波高较大情况，由于该理论没有涉及水深的影波

41、理论）；适用于波高较大情况，由于该理论没有涉及水深的影响，不适合于浅水情况。响，不适合于浅水情况。（3）当时）当时 （浅水），采用椭圆余弦波理论，（浅水），采用椭圆余弦波理论，此时，由于水浅，水深影响水的流动，所以必须考虑水深求流速此时，由于水浅，水深影响水的流动，所以必须考虑水深求流速和加速度。和加速度。第50页/共79页米哈特（米哈特（MehauteMehaute）19761976年给出了不同波浪理论的适用范围，年给出了不同波浪理论的适用范围，如下图如下图：波浪理论的适用范围波浪理论的适用范围第51页/共79页2008 年12月22日 海面位移海面位移海面位移海面位移波浪理论波浪理论波浪运

42、动波浪运动波浪运动波浪运动微幅波理论斯托克斯波理论假定波高与水深相比无限小孤立波理论波浪理论椭圆余弦波理论线性线性理论理论用有限个简单的、频率成比例的余弦波逼近单一周期的有限振幅波非线性非线性理论理论适用于浅水波用来解释近岸极浅水域的波浪现象用于用于浅海浅海平台平台设计设计第52页/共79页5.群桩最大波浪荷载群桩最大波浪荷载 各各个个桩桩的的波波浪浪力力与与波波浪浪相相位位角角有有关关，所所以以对对桩桩群群应应根根据据不不同同的的波波剖面剖面位置来确定作用于其上的最大总波浪荷载。位置来确定作用于其上的最大总波浪荷载。（1）桩桩排排垂垂直直于于波波行行进进方方向向：由由于于均均位位于于相相同同

43、的的波波浪浪相相位位上上，故故最最大波浪荷载是单桩最大波浪力与桩数的乘积；大波浪荷载是单桩最大波浪力与桩数的乘积；桩排垂直于波行进方向桩排垂直于波行进方向 桩列平行于波行进方向桩列平行于波行进方向（2）平平行行于于波波行行进进方方向向的的桩桩列列：由由于于各各桩桩所所对对应应波波浪浪的的相相位位不不同同，此时最大波浪荷载应考虑为同一时刻各桩所受波浪力的叠加。此时最大波浪荷载应考虑为同一时刻各桩所受波浪力的叠加。第53页/共79页（3）群桩效应：）群桩效应：由于群桩按排或列布置，在平台设计中，应考虑群由于群桩按排或列布置，在平台设计中，应考虑群桩的掩护作用和相互干扰作用。作用在一个构件上的波浪力

44、，将桩的掩护作用和相互干扰作用。作用在一个构件上的波浪力，将受到与之靠近的另一个构件尾流场的影响。前面构件尾流的旋涡受到与之靠近的另一个构件尾流场的影响。前面构件尾流的旋涡可能激发后面构件的动态响应，使其波浪力增加，这即是群桩效可能激发后面构件的动态响应，使其波浪力增加，这即是群桩效应。应。当当 时，应该考虑群桩效应。时，应该考虑群桩效应。根据模型试验和现场观测，群桩的掩护和干扰作用主要和桩距根据模型试验和现场观测，群桩的掩护和干扰作用主要和桩距I 和桩径和桩径D之比有关。一般认为当之比有关。一般认为当 时，桩的掩护作用和干扰时，桩的掩护作用和干扰 作用可不予考虑；当作用可不予考虑；当 时，应

45、将波浪荷载乘以群桩系数时，应将波浪荷载乘以群桩系数 。其值应尽量由实验确定，或者查阅有关资料。其值应尽量由实验确定，或者查阅有关资料。第54页/共79页6.海生物附着对波浪力的影响海生物附着对波浪力的影响 海海洋洋桩桩基基平平台台在在使使用用期期间间，桩桩上上会会附附着着各各类类海海生生物物，这这样样会会增增大大桩桩柱柱的的阻阻力力系系数数值值 ，增增大大波波浪浪拖拖曳曳力力。据据国国外外资资料料提提供供的的数数据据，在在海海生生物物附附着着显显著著的的海海域域，波波浪浪拖拖曳曳力力增增大大2040%；同同时时由由于于海海生生物物附附着着，加加大大了了桩桩柱柱的的直直径径，也也必必然然加加大大

46、了了波波浪浪惯惯性性力力。为为此此，规规范范中中规规定定：在在海海生生物物附附着着范范围围内内，莫莫里里森森公公式式中中惯惯性性力力项项的的桩桩径径应应按按实实际际直直径径计计算算，并并将将波波浪浪拖拖曳曳力力乘乘以以相相应应系系数数，其其值值可可根根据据海海生生物物附附着着程程度的不同确定。度的不同确定。第55页/共79页7.大尺度构件上的波浪力大尺度构件上的波浪力大尺度构件指大尺度构件指人工岛、半潜式平台人工岛、半潜式平台等，其直径或者尺度与波长等，其直径或者尺度与波长的比值远远大于的比值远远大于0.2，这类构件称为大尺度构件。，这类构件称为大尺度构件。对于小尺度构件，在构件的宽度范围内，

47、圆柱的存在仅仅影响对于小尺度构件，在构件的宽度范围内，圆柱的存在仅仅影响圆柱周围局部流畅流场，对波浪的反射作用不明显，因此可以圆柱周围局部流畅流场，对波浪的反射作用不明显，因此可以忽略构件对于流场的影响。但是当尺寸加大时，结构的尺度相忽略构件对于流场的影响。但是当尺寸加大时，结构的尺度相对于波长不在是小量，此时，结构对波浪流场的反射和散射作对于波长不在是小量，此时，结构对波浪流场的反射和散射作用不可忽略。所以必须考虑结构存在引起的波浪的绕射作用。用不可忽略。所以必须考虑结构存在引起的波浪的绕射作用。考虑波浪的线性绕射计算波浪荷载，已经提出了多种方法，主考虑波浪的线性绕射计算波浪荷载，已经提出了

48、多种方法，主要有：要有：格林函数法格林函数法；奇点分布法奇点分布法、源汇分布法源汇分布法。第56页/共79页（三）（三）海流荷载海流荷载 作为平台荷载考虑的海流包括潮流和余流。作为平台荷载考虑的海流包括潮流和余流。潮流潮流：由于天体运动产生的引潮力而造成的潮汐现象，因潮汐涨落：由于天体运动产生的引潮力而造成的潮汐现象，因潮汐涨落产生的周期性海水水平流动。产生的周期性海水水平流动。余流余流：水文、气象等因素引起的海水流动，即非潮流部分的海流。：水文、气象等因素引起的海水流动，即非潮流部分的海流。1.漂流：由大范围的信风作用引起的定常海流漂流：由大范围的信风作用引起的定常海流 2.梯度流：海面上空

49、大气压力分布不均匀或海水密度分布不均匀梯度流：海面上空大气压力分布不均匀或海水密度分布不均匀会引起海水等压面倾斜，从而产生沿等压线流动的海流会引起海水等压面倾斜，从而产生沿等压线流动的海流 3.海底回流：在近岸海区，由于波浪破碎引起的海流海底回流：在近岸海区，由于波浪破碎引起的海流 风海流风海流是余流的主要组成部分。是余流的主要组成部分。第57页/共79页 海流海流：指由于潮的作用、风的拖曳等原因引起：指由于潮的作用、风的拖曳等原因引起的比较稳定的水流运动。这种潮流或漂流往往的比较稳定的水流运动。这种潮流或漂流往往会改变波浪形态，影响作用在结构上的波浪力。会改变波浪形态，影响作用在结构上的波浪

50、力。1.海流速度海流速度 海流包括海流包括潮海流潮海流和和风海流风海流，需要分别计算潮海，需要分别计算潮海流和风海流流和风海流,而后迭加得到总的海流流速。而后迭加得到总的海流流速。第58页/共79页 潮海流：潮海流：流速随水深而变化，实测资料不足时，可近似的取：流速随水深而变化，实测资料不足时，可近似的取：潮海流按相对水深的潮海流按相对水深的1/7次方变化。总海流流速近似计算公式为：次方变化。总海流流速近似计算公式为：式中式中 设计泥面以上高度处的海流速度设计泥面以上高度处的海流速度，水面的潮流速度，水面的潮流速度，设计泥面以上的垂直距离，设计泥面以上的垂直距离，水深，水深，设计海流流速应采用