半潜式平台在码头防台风中的风载荷计算方法
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第!"卷第#期 ! $%$$年$月 文章编号#%%#?EC%%$%$$%#?%%E>?%C
中国海洋平台 &'()* +,,-'+./01*2,+.3
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半潜式平台在码头防台风中的风载荷计算方法
!$"在采用理论公式简化模型以后&采用 *0( 和 )+.-+N 经验公式计算的结果与全细节模型模 拟风洞试验的结果也非常接近&说明采用 *0(和 )+.-+N 经验公式忽略主要构件之间遮蔽效应的 影响等效于忽略次要构件如带缆桩'栏杆'桅杆等 带来的影响% BAB!艏艉向风载荷分析
柱面积时&一般不考虑立柱之间的遮蔽效应&每个
立柱的投影面积都需要考虑%
?A@! 港口工程荷载规范计算公式 针对码头船舶系泊和靠船结构强度分析&国内
制定 -港口工程荷载规范.(E)&该规范对于常规瘦
长型船舶的横向风载荷和纵向风载荷进行计算#
(<&V ""!5<K#%*C)<&V0<$,#,$
!$"
@!风洞试验
风洞试验作为一项基本试验&其结果可判断理 论计算的准确度(<)%为验证理论公式计算结果的冗 余度和各构件对风载荷的影响程度&以$座半潜式 平台为研究对象&其具体参数如表#所示%
表?!半潜式钻井平台及半潜式风电安装平台主尺度
项目
钻井平台
参数
风电安装平台
上船体长r宽r高[r[r[ 浮箱长r宽r高[r[r[
通过对比发现# !#"在采用 *0..0$-N 和 )+.-+N 公式计
第#期!!!!!!!!!!!贾!君&等!半潜式平台在码头防台风中的风载荷计算方法
*C#*
图B!半潜式风电安装平台侧向风载荷
图D!半潜式风电安装平台艏艉向风载荷
图C!半潜式钻井平台侧向风载荷
图E!半潜式钻井平台艏艉向风载荷
算侧向风载荷时&计算结果与风洞试验结果接近& 误差在 #%m 以内%在采用 -港 口 工 程 荷 载 规 范. 计算风载荷时&计算结果较为保守&约为风洞试验 结果的#GC倍&主要原因是在港口工程中风载荷计 算的研究对象为瘦长型的常规船型&对于长度和宽 度相差不大的半潜式平台&公式的敏感度较差%
图@!半潜式风电安装平台风洞试验模型
平台在码头系泊时&一般处于完工状态或码头
舾装状态&此时平台处于迁移吃水或更小吃水工 况(")%在对 风 载 荷 进 行 数 据 分 析 时 仅 考 虑 迁 移 工
况%对于风洞试验数据&通过坐标系转换&进行无
因次化处理&可 得 到 不 同 方 向 和 单 位 风 速 下 的 风
<7/=(-+8;J8[I?JU9[8YJI968X6OZP5Y[bVIK\65O\bVIK\ZUKK86Z8JZb\8JIQKY8\UK\OKB^
>!引!言
随着近年来国内制造业的发展海洋平台的体 积越建越大特别是半潜式平台安装的设备越来越 多对码头系泊的要求越来越高在码头系泊防台
风时系泊力计算主要考虑风浪和流等!种环境 载荷由于码头在选址设计时考虑不能有过大的流 和浪影响系泊因此在系泊力计算时浪和流占比 较小风载荷在码头系泊力计算时是主要载荷风 载荷可通过风洞试验精确得到但成本较大且部
(=&V "E=5%K#%*C)=&V0=$,#,$
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式中#(<&V和(=&V分别为作用在船舶上横向和纵向
风载荷&a)+)<&V 和 )=&V 分别为船体水面以上横
向和纵向受风面积&[$+0< 和0= 分别为设计风
速的横向和纵向分量&[$J+,# 为风压不均匀折减
因数+,$ 为风压高度修正因数%
载荷的贡献&对部分大型设备面积进行单独计算& 简化部分对整体载荷影响不大的构件&如带缆桩' 钢丝绳'栏杆'透气管'平台主船体外围管路等& 以提高计算效率%同时为验证简化模型对于平台风 载荷计算的适用性&都采用各自的规范对简化完毕 后模型的所有构件进行受风面积统计%在风洞试验 模拟时&半潜式钻井平台采用!F 打印技术&对风 载荷进行全方位'全细节的模拟&对于半潜式风电 安装平台则进行简化模型处理&具体如表$所示% 在此基础上&进行风载荷计算&比较计算结果&判 断经验公式的冗余度和简化模型的适用性%
贾!君#周喜宁#李子凡$
!#G招商局重工!江苏#有限公司"江苏 南通 $$<##<% $G招商局重工邮轮有限公司"江苏 南通 $$<%%%#
!!摘!要为确保半潜式平台在码头防台风系泊时得到更精确的风载荷"以得到合理的系泊布置方式"以
$座半潜式平台为研究对 象" 采 用 美 国 石 油 协 会 !*0(#规 范& 挪 威 石 油 标 准 化 组 织 !)+.-+N#规 范 和 国 内
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中 国 海 洋 平 台!!!!!!!!!!!!!!!第!"卷!第#期
!!对于半潜式钻井平台&采用#u#"C的缩尺比 进行风洞试验&主甲板上各构件采用!F 打印机打 印&全方位'全细节地模拟整个平台%试验模型如 图#所示%
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"
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Байду номын сангаас
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式中#M'9'$ 为!个不同方向上的风载荷&)+
在采用式 !#"计算风载荷时&对结果影响最
大的是受风面积统计%式 !#"规定#在统计受风
面积时&各构件之间的相互影响不予考虑&且独立
的大型设备& 如 起 重 机' 钻 台 等 需 要 单 独 统 计 面
积+对于桁架式吊臂&为简便计算&投影面积以桁
架外轮廓 的 <%m 进 行 计 算+ 在 统 计 半 潜 式 平 台 立
( "%5C%L$.)
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式中#( 为 )+.-+N 规范计算公式中平台受到的
风载荷&)+% 为 空 气 密 度&取 #G$!aQ$[!+L. 为距水面以上. 高度处的风速&[$J&计算式为
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!<"
式中#L% 为水面以上#%[ 处风的参考速度%
*港口工程荷载规范+中风载荷经验公式进行精细的理论计算"将其结果与精细模型和简化模型的风洞试验
结果进行比较"分析得到各经验公式设计的冗余度和受风面积统计的简化方法"为后期码头系泊力计算提供
合理的风载荷$
关键词半潜式平台%风载荷%风洞试验%设计冗余度
中图分类号;<"EG!>
文献标志码*
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公式为
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表@!不同平台数据分析方法
类型
*0(.0 港口工程 )+.-+N 风洞试验
对于半潜式平台&在采用式 !$"和式 !!"进
行风载荷计算时&各 构 件 的,$ 应 单 独 进 行 计 算& 且修正的高度为该构件投影面积的形心距水线面的
高度%
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感的建筑物当做一个静载来计算&作用在建筑物上
的风载荷公式(C)为
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$-N 荷载规范 规范
校核
半潜式 钻井平台
风电 安装平台
简化模型 计算
简化模型 计算
简化模型 计算
简化模型 计算
简化模型 全细节模拟
计算
简化模型 简化模型
计算
模拟
BA@!侧向风载荷分析 平台侧向风载荷计算结果可用来确定平台在码
头系泊时所需横缆的数量和缆绳的强度%在设计之 初&对码 头 区 域 附 近 气 象 台 连 续 $%O的 气 象 观 测 资料进行分析&挑选环境条件较为温和的区域进行 码头设计(>)%结合码头区域历年环境条件&在码头 防台风 时& 一 般 只 考 虑 蒲 氏 风 级 为 > 级 #$ 级 的 风载荷&当蒲氏风级超过#$级时&一般采用特殊 方式避台风&如坐底方式&将平台拖航至风圈以外 区域等%在进行风载荷结果比较时&采用经验公式 进行不同风速下的理论计算&同时采用风洞试验数 据&依据无 因 次 公 式 换 算 出 > 级 #$ 级 风 速 下 的 侧向风载荷&绘制曲线如图!和图E所示%
艏部立柱长r宽r高[r[r[ 艉部立柱长r宽r高[r[r[
吃水[ 空船质量Z
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''#'& 为 ! 个不同方向对应轴的力矩&)3+
7XX为平台垂线间长&[%
B!数据分析
图?!半潜式钻井平台风洞试验模型
对于半潜式风电安装平台&采用#u$%%缩尺 比进行风洞试验%对主甲板上的部分构件如风帽' 透气管'栏杆'起重机平台斜梯等小型构件进行简 化处理%试验模型如图$所示%
BA?!数据分析方法 在进行受风面积统计时&结合各构件对平台风
作者简介贾君 #=>ED男工程师研究方向为船舶与海洋工程
第#期!!!!!!!!!!!贾!君&等!半潜式平台在码头防台风中的风载荷计算方法
*E=*
分船型无法进行风洞试验&工程应用局限性较大% 采用数值计算通过有限元分析可得到精度较高的结 果&但需要 配 套 专 业 软 件 和 经 验 丰 富 的 工 程 师 支 持&计算时间长&不适用于码头防台风(#?$)%
入条件风载荷&一般选用 *0(.0$-N(!)中的公式 进行计算&计算公式为
# (V "3V !3J3A)"0$
!#"
式中#(V 为 *0(计算公式中平台受到的风载荷&
)+3V 为风力系数&规定为%G<#C)*J$$[E+3J
为形状因数+3A 为高度因数+) 为垂向投影面积&
[$+0 为设计风速&[$J%
本文以#座半潜式钻井平台和#座半潜式风电 安装平台为研究对象&采用经验公式计算风载荷并 将结果与风洞试验结果进行比较&得到不同经验公 式在计算风载荷时的设计裕量&以便在工程应用中 更精确地使用经验公式&确保平台在码头系泊时得 到精确的环境载荷&从而得到合理的系泊布置方式%
?!理论公式
?A?!96*计算公式 在对半潜式平台进行海上系泊分析时&对于输
中国海洋平台 &'()* +,,-'+./01*2,+.3
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半潜式平台在码头防台风中的风载荷计算方法
!$"在采用理论公式简化模型以后&采用 *0( 和 )+.-+N 经验公式计算的结果与全细节模型模 拟风洞试验的结果也非常接近&说明采用 *0(和 )+.-+N 经验公式忽略主要构件之间遮蔽效应的 影响等效于忽略次要构件如带缆桩'栏杆'桅杆等 带来的影响% BAB!艏艉向风载荷分析
柱面积时&一般不考虑立柱之间的遮蔽效应&每个
立柱的投影面积都需要考虑%
?A@! 港口工程荷载规范计算公式 针对码头船舶系泊和靠船结构强度分析&国内
制定 -港口工程荷载规范.(E)&该规范对于常规瘦
长型船舶的横向风载荷和纵向风载荷进行计算#
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@!风洞试验
风洞试验作为一项基本试验&其结果可判断理 论计算的准确度(<)%为验证理论公式计算结果的冗 余度和各构件对风载荷的影响程度&以$座半潜式 平台为研究对象&其具体参数如表#所示%
表?!半潜式钻井平台及半潜式风电安装平台主尺度
项目
钻井平台
参数
风电安装平台
上船体长r宽r高[r[r[ 浮箱长r宽r高[r[r[
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第#期!!!!!!!!!!!贾!君&等!半潜式平台在码头防台风中的风载荷计算方法
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图B!半潜式风电安装平台侧向风载荷
图D!半潜式风电安装平台艏艉向风载荷
图C!半潜式钻井平台侧向风载荷
图E!半潜式钻井平台艏艉向风载荷
算侧向风载荷时&计算结果与风洞试验结果接近& 误差在 #%m 以内%在采用 -港 口 工 程 荷 载 规 范. 计算风载荷时&计算结果较为保守&约为风洞试验 结果的#GC倍&主要原因是在港口工程中风载荷计 算的研究对象为瘦长型的常规船型&对于长度和宽 度相差不大的半潜式平台&公式的敏感度较差%
图@!半潜式风电安装平台风洞试验模型
平台在码头系泊时&一般处于完工状态或码头
舾装状态&此时平台处于迁移吃水或更小吃水工 况(")%在对 风 载 荷 进 行 数 据 分 析 时 仅 考 虑 迁 移 工
况%对于风洞试验数据&通过坐标系转换&进行无
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>!引!言
随着近年来国内制造业的发展海洋平台的体 积越建越大特别是半潜式平台安装的设备越来越 多对码头系泊的要求越来越高在码头系泊防台
风时系泊力计算主要考虑风浪和流等!种环境 载荷由于码头在选址设计时考虑不能有过大的流 和浪影响系泊因此在系泊力计算时浪和流占比 较小风载荷在码头系泊力计算时是主要载荷风 载荷可通过风洞试验精确得到但成本较大且部
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式中#(<&V和(=&V分别为作用在船舶上横向和纵向
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向和纵向受风面积&[$+0< 和0= 分别为设计风
速的横向和纵向分量&[$J+,# 为风压不均匀折减
因数+,$ 为风压高度修正因数%
载荷的贡献&对部分大型设备面积进行单独计算& 简化部分对整体载荷影响不大的构件&如带缆桩' 钢丝绳'栏杆'透气管'平台主船体外围管路等& 以提高计算效率%同时为验证简化模型对于平台风 载荷计算的适用性&都采用各自的规范对简化完毕 后模型的所有构件进行受风面积统计%在风洞试验 模拟时&半潜式钻井平台采用!F 打印技术&对风 载荷进行全方位'全细节的模拟&对于半潜式风电 安装平台则进行简化模型处理&具体如表$所示% 在此基础上&进行风载荷计算&比较计算结果&判 断经验公式的冗余度和简化模型的适用性%
贾!君#周喜宁#李子凡$
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!!摘!要为确保半潜式平台在码头防台风系泊时得到更精确的风载荷"以得到合理的系泊布置方式"以
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中 国 海 洋 平 台!!!!!!!!!!!!!!!第!"卷!第#期
!!对于半潜式钻井平台&采用#u#"C的缩尺比 进行风洞试验&主甲板上各构件采用!F 打印机打 印&全方位'全细节地模拟整个平台%试验模型如 图#所示%
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面积时&各构件之间的相互影响不予考虑&且独立
的大型设备& 如 起 重 机' 钻 台 等 需 要 单 独 统 计 面
积+对于桁架式吊臂&为简便计算&投影面积以桁
架外轮廓 的 <%m 进 行 计 算+ 在 统 计 半 潜 式 平 台 立
( "%5C%L$.)
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式中#( 为 )+.-+N 规范计算公式中平台受到的
风载荷&)+% 为 空 气 密 度&取 #G$!aQ$[!+L. 为距水面以上. 高度处的风速&[$J&计算式为
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式中#L% 为水面以上#%[ 处风的参考速度%
*港口工程荷载规范+中风载荷经验公式进行精细的理论计算"将其结果与精细模型和简化模型的风洞试验
结果进行比较"分析得到各经验公式设计的冗余度和受风面积统计的简化方法"为后期码头系泊力计算提供
合理的风载荷$
关键词半潜式平台%风载荷%风洞试验%设计冗余度
中图分类号;<"EG!>
文献标志码*
U#$,%$#&'() V7&I(+(0J')+M(#+(0.74'L.%:47-8':$76$#&0(-4 #&O%#/8'+7')9)&'LG/3I(()U()+'&'()
载荷和风载荷对应轴所产生的力矩%无因次化
公式为
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类型
*0(.0 港口工程 )+.-+N 风洞试验
对于半潜式平台&在采用式 !$"和式 !!"进
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感的建筑物当做一个静载来计算&作用在建筑物上
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校核
半潜式 钻井平台
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简化模型 计算
简化模型 计算
简化模型 计算
简化模型 计算
简化模型 全细节模拟
计算
简化模型 简化模型
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BA@!侧向风载荷分析 平台侧向风载荷计算结果可用来确定平台在码
头系泊时所需横缆的数量和缆绳的强度%在设计之 初&对码 头 区 域 附 近 气 象 台 连 续 $%O的 气 象 观 测 资料进行分析&挑选环境条件较为温和的区域进行 码头设计(>)%结合码头区域历年环境条件&在码头 防台风 时& 一 般 只 考 虑 蒲 氏 风 级 为 > 级 #$ 级 的 风载荷&当蒲氏风级超过#$级时&一般采用特殊 方式避台风&如坐底方式&将平台拖航至风圈以外 区域等%在进行风载荷结果比较时&采用经验公式 进行不同风速下的理论计算&同时采用风洞试验数 据&依据无 因 次 公 式 换 算 出 > 级 #$ 级 风 速 下 的 侧向风载荷&绘制曲线如图!和图E所示%
艏部立柱长r宽r高[r[r[ 艉部立柱长r宽r高[r[r[
吃水[ 空船质量Z
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B!数据分析
图?!半潜式钻井平台风洞试验模型
对于半潜式风电安装平台&采用#u$%%缩尺 比进行风洞试验%对主甲板上的部分构件如风帽' 透气管'栏杆'起重机平台斜梯等小型构件进行简 化处理%试验模型如图$所示%
BA?!数据分析方法 在进行受风面积统计时&结合各构件对平台风
作者简介贾君 #=>ED男工程师研究方向为船舶与海洋工程
第#期!!!!!!!!!!!贾!君&等!半潜式平台在码头防台风中的风载荷计算方法
*E=*
分船型无法进行风洞试验&工程应用局限性较大% 采用数值计算通过有限元分析可得到精度较高的结 果&但需要 配 套 专 业 软 件 和 经 验 丰 富 的 工 程 师 支 持&计算时间长&不适用于码头防台风(#?$)%
入条件风载荷&一般选用 *0(.0$-N(!)中的公式 进行计算&计算公式为
# (V "3V !3J3A)"0$
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式中#(V 为 *0(计算公式中平台受到的风载荷&
)+3V 为风力系数&规定为%G<#C)*J$$[E+3J
为形状因数+3A 为高度因数+) 为垂向投影面积&
[$+0 为设计风速&[$J%
本文以#座半潜式钻井平台和#座半潜式风电 安装平台为研究对象&采用经验公式计算风载荷并 将结果与风洞试验结果进行比较&得到不同经验公 式在计算风载荷时的设计裕量&以便在工程应用中 更精确地使用经验公式&确保平台在码头系泊时得 到精确的环境载荷&从而得到合理的系泊布置方式%
?!理论公式
?A?!96*计算公式 在对半潜式平台进行海上系泊分析时&对于输