海洋平台的环境载荷 PPT
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海洋平台的环境载荷
结构优化方法选择
拓扑优化
通过改变结构的拓扑构型，实现材料的高效利用和结构的轻量化 。
形状优化
调整结构的几何形状，以改善结构的受力性能和动力学特性。
尺寸优化
优化结构的截面尺寸和构件布局，以提高结构的承载能力和稳定性 。
结构优化效果评估
有限元分析
采用有限元方法对优化后的结构进行详细的受力分析和性能评估 。
04
CATALOGUE
海洋平台环境载荷计算方法研究
理论计算方法研究
1 2
基于势流理论的计算方法
通过建立海洋平台与周围流体的势流模型，利用 边界元等方法求解流体动力载荷。
基于莫里森公式的计算方法
针对小尺度结构物，利用莫里森公式计算波浪力 、水流力等环境载荷。
3
考虑流固耦合效应的计算方法
通过建立海洋平台与周围流体的流固耦合模型， 综合考虑结构变形对流场的影响，提高计算精度 。
海洋平台的环境载 荷
目录
• 海洋平台概述 • 环境载荷类型及特点 • 环境载荷对海洋平台影响分析 • 海洋平台环境载荷计算方法研究 • 环境载荷作用下海洋平台结构优化设计探
讨 • 总结与展望
01
CATALOGUE
海洋平台概述
定义与分类
定义
海洋平台是用于在海上进行石油 、天然气等资源的勘探、开发、 生产等作业的大型海上结构物。
数值模拟方法研究
01
基于有限元的数值模拟方法
利用有限元软件建立海洋平台的精细化模型，通过施加边界条件和载荷
，求解结构的应力和变形。
02
基于有限体积的数值模拟方法
通过建立海洋平台周围流体的有限体积模型，利用数值方法求解流体动
力载荷。
海洋工程结构动力分析课件第三章环境载荷
其中： S ——圆柱体表面积
FFK
p dV V x
du dV V dt
Vu&
单位长度柱体上的Froude-Krylov力
FFK Au&
3、Morison公式
F
1 2
CD D
u
u
mu&
Au&
1 2
CD
D
u
u
Ca
Au&
Au&
1 2
CD
D
u
u
Ca
1
Au&
令 CM Ca 1
则：
赛车
卡车 摩托车
0.7-1.3
0.5 0.2 - 0.3 0.8 - 1.0 1.8
2、升力(lift force)
FL
CL
D 2
u2
其中：
CL CL (Re, Kc, ks D , e)
——升力系数(lift coefficient)
33, 000 Re 66, 000
104 Re 3104
入射波势函数
i
i
gH 2
cosh[k (z d )] ei(kxt) cosh(kd )
或
i
i
gH 2
cosh[k (z d )] eiteikr cos cosh(kd )
eikrcos cos kr cos i sin kr cos
J0 (kr) 2 (1)m J2m (kr) cos(2m ) i 2 (1)m J2m1(kr) cos(2m 1)
t
Ur0
cos
r0 cos
U t
其合力为：
P
海洋工程环境学风载荷课件PPT
0.2 海洋环境因素分析
➢冬季是我国季风最强的季节。 将N个年最大风速从大到小排列,计算累积出现次数m,以及与N的比值,累积出现的概率P=m/N×100%;
Vgr R sin
2R2 sin2 R p n
Vgr R sin
2R2 sin2 R p n
低压中心 高压中心
其中， 空气密度， 地球自转角速度， 是所处纬度， 是以纬距表示的相临 等压线间的垂直距离，是对应的两等压线间的气压差，是曲率半径
在北半球，梯度风围绕高压中心作顺时针方向的旋转运动，绕低压中心作逆时 针方向做旋转运动。
Vg
1
2 sin
p n
其中， 空气密度， 地球自转角速度， 是所处纬度， 是以纬距表示的相临 等压线间的垂直距离，是对应的两等压线间的气压差。
注意：地转风近似在赤道不成立，因为该处的科氏参数为零。
大气压强和大气运动 地转风
大气压强和大气运动
（2）梯度风：实际的自由大气运动存在弯曲的气压系统，等 压线存在弯曲，此时的气流在作曲线运动时产生离心力，这 种水平气压梯度力、科氏力和离心力三者平衡运动下的空气 水平运动就是梯度风。
蒲氏风级(Beaufort Wind Scale )：从风与风帆的对应 关系提出,表示风对结构物的影响程度.后来采用10m高 处的风速大小表示。
0 — 17级： 风速0.0 — 60m/s (距地面10米处)
蒲氏风级与风速的换算公式:
3
V 0.84 F 2
其中V 是风速（m/s）,F是风级
7
大气压强和大气运动
大气压强和大气运动
自由大气运动 离地面1-1.5km高度以上的大气可以看成理想大气，不考虑湍流摩 擦力作用，运动可看作是自由大气运动。在水平气压梯度力+科氏
《海洋平台设计》课件
总结词
浮式、自重轻、钢材、适用于深水
VS
详细描述
浮式海洋平台是一种浮体结构，上部结构 通常采用钢材制造，自重较轻，适用于深 水海域。其设计需要考虑风、浪、流等自 然条件的影响，同时要保证平台的稳定性 、强度和安全性。浮式海洋平台可以通过 锚链或浮筒等方式进行固定，具有较高的 灵活性，适用于不同海域条件下的使用。
06
海洋平台设计发展趋势与展望
数字化设计技术的应用
数字化建模
使用计算机辅助设计（CAD）软件进行建模，提 高设计效率和准确性。
虚拟现实技术
利用虚拟现实技术进行海洋平台设计的可视化展 示，方便设计师和客户进行交流和评估。
数字孪生
通过数字孪生技术，实现对海洋平台的全生命周 期管理，包括设计、建造、运营和维护。
案例二：重力式海洋平台设计
总结词
固定式、重力支撑、混凝土、适用于浅水
详细描述
重力式海洋平台是一种固定式海洋平台，依靠自身重量稳定地支撑在海底，上部结构通常采用混凝土材料。这种 平台适用于浅水海域，设计时需要考虑海底地质条件、自然环境等因素，同时要保证平台的结构安全性和稳定性 。
案例三：浮式海洋平台设计
概述 美国海洋平台设计规范与标准是 指在美国范围内被广泛接受和应 用的海洋平台设计规范和标准。
ABS规范与标准 ABS规范与标准是美国船级社制 定的海洋平台设计规范，包括《 海洋平台结构设计》、《海洋平 台机械设计》等。
分类 美国海洋平台设计规范与标准主 要分为两类，即美国石油学会（ API）和美国船级社（ABS）。
《海洋平台设计》课件
汇报人： 日期:
目录
• 海洋平台概述 • 海洋平台设计基础 • 海洋平台设计流程 • 海洋平台设计规范与标准 • 海洋平台设计案例分析 • 海洋平台设计发展趋势与展望
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
17
CCS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
7
施工载荷
定义：平台在建造以及海上吊装、安装过程中所 承受的载荷。
• 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
海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文
第二章 环境载荷
8
• 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。
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
1
2.1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
第二章 环境载荷
17
CCS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
7
施工载荷
定义：平台在建造以及海上吊装、安装过程中所 承受的载荷。
• 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
海洋平台结构与强度，2014秋季，苑博文
第二章 环境载荷
8
• 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。
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
1
2.1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
第二章环境载荷计算课件
§2.2 风载荷
由于风压与风速的平方成正比，故风速的取值显得特别重要。从风速 的原始记录资料来看，风速具有很大的脉动性，在一天的风速记录中出现 的某—瞬间的最大风速，称为该天的瞬间风速。如果取出连续10min的风 速求其平均值，叫做10min时距的平均风速。
在海洋平台设计中常用的是两种设计风速， 持续风风速 阵风风速
§2.3 波浪载荷
相位角 波形系数
λ可由式(2-20)求得。
§2.3 波浪载荷
系数B及系数C1、C2 的表达式如下：
§2.3 波浪载荷
速度势函数：
根据速度势函数即可求得水质点的速度和加速度。
水平方向速度 垂直方向速度 水平方向加速度 垂直方向加速度
§2.3 波浪载荷
在深水，即d/L≥0.5时，速度为
加速度为
水面以下的动压力 式中： ρ为海水质量密度。
§2.3 波浪载荷
2.司托克斯五阶波理论 波面
波长L由超越方程组求解：
L0为深水波长， L0= gT2/(2) 速度势 式中： d、H、T、k、 ω与艾里波中的符号意义相同。
式中： g为重力加速度，取g = 9.8m/s2; γ为空气重量密度，取γ=12.01 N/m3 ；v为设计风速， m/s。
于是上式可写成
则风压p可以表示为
p0 = 0.613v2
(2-3)
p =0.613CHCsv2
(2-4)
式中： CH为考虑风压沿高度变化的高度系数； Cs为考虑受风构件形状影响 的形状系数。
持续风风速 —— 一般是几分钟(例如1-3min)时距的平均风速； 阵风风速 —— 是几秒钟(例如3s)时距的平均风速。 一般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
海洋工程结构动力分析课件第1_2章(环境载荷)
m ——附加质量
Froude-Krylov force
A
——圆柱体体积
计算附加质量 m 速度势函数
u
ur
r02 U cos r
速度分量
r0
U
r02 1 u U 2 sin r r r02 ur U 2 cos r r
伯努利方程
1 u2 const 2 t p
圆柱体表面速度：
2 u 2 u ur2 U 2 (sin 2 cos2 ) U 2
伯努利方程可表示为：
p
const t
U Ur0 cos r0 cos t t t
0
——形状阻力(form drag) ——摩擦阻力(friction drag)
Ff 0 sin( )r0d
0
2
那么
FD
2 0
p cos( ) 0 sin( ) r0d
p p cos( )
0 0 2 0
FD 1 2 2 1 Du u 2
l d
d
udz CM
4
D2
l d
d
udz
2.2.2 绕射力
1、波浪荷载
拖曳力——流动分离（速度）；
F≈FD（D/H < 0.1） 惯性力——压力梯度（加速度）；
F≈FI（0.5 < D/H < 1.0） 绕射力——散射（大直径）；D/L > 0.2
2、绕射力的特点——无分离 由简谐波理论
设： u U m sin(t ) 则： 2 Am U m Am Tw 其中： Am ——振荡流幅值 对于简谐振荡流 2 Am Kc D 2、振荡流的顺流向力
Froude-Krylov force
A
——圆柱体体积
计算附加质量 m 速度势函数
u
ur
r02 U cos r
速度分量
r0
U
r02 1 u U 2 sin r r r02 ur U 2 cos r r
伯努利方程
1 u2 const 2 t p
圆柱体表面速度：
2 u 2 u ur2 U 2 (sin 2 cos2 ) U 2
伯努利方程可表示为：
p
const t
U Ur0 cos r0 cos t t t
0
——形状阻力(form drag) ——摩擦阻力(friction drag)
Ff 0 sin( )r0d
0
2
那么
FD
2 0
p cos( ) 0 sin( ) r0d
p p cos( )
0 0 2 0
FD 1 2 2 1 Du u 2
l d
d
udz CM
4
D2
l d
d
udz
2.2.2 绕射力
1、波浪荷载
拖曳力——流动分离（速度）；
F≈FD（D/H < 0.1） 惯性力——压力梯度（加速度）；
F≈FI（0.5 < D/H < 1.0） 绕射力——散射（大直径）；D/L > 0.2
2、绕射力的特点——无分离 由简谐波理论
设： u U m sin(t ) 则： 2 Am U m Am Tw 其中： Am ——振荡流幅值 对于简谐振荡流 2 Am Kc D 2、振荡流的顺流向力
海洋平台设计原理_第二章_海洋环境载荷
2016/11
第二章 海洋环境载荷
30
上海交通大学本科生课程
2.3 波浪与波浪载荷
• 常见波浪理论D 孤
立波理论
• 孤立波是椭圆余弦
波在水深极浅时的 极限。
2016/11
第二章 海洋环境载荷
31
上海交通大学本科生课程
2.3 波浪与波浪载荷
• 波浪理论适用范围：
– 黄色区域适用线性 波理论；
– 蓝色虚线框为各阶 Stokes波理论适用 范围；
40
上海交通大学本科生课程
2.4 海流与海流载荷
• 如果不考虑波浪，海流对于结构物的拖曳
力为：
• Fdrag = 0.5 *Rhowater* Cdrag * v2 * A； • Cdrag是拖曳力系数,v为海流流速，A为投影
面积；
• 如果考虑波浪，则将上式中v换成海流速度
+波浪速度。
2016/11
• 我国海洋水文专家提出，以海面上10m处，
30年一遇，10min平均最大风速为一般条件， 1min平均最大风速为极端条件。
2016/11
第二章 海洋环境载荷
15
上海交通大学本科生课程
2.2 风与风载荷
2016/11
第二章 海洋环境载荷
16
上海交通大学本科生课程
2.2 风与风载荷
• DNV规定了两种设计风速标准。
海洋平台设计原理
主讲人：何炎平 倪崇本
上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院 二〇一六年·十一月
上海交通大学本科生课程
第二章 海洋环境载荷
• 参考书目《Dynamics of Offshore
Structure》伦敦大学学院 Minoo H.Patel 著。
第六章 海洋环境载荷
第六章海洋环境及环境载荷§6-1风和风载一、风的概念风是由于气压在水平方向上分布的不均匀性而产生的空气自高压区向低压区的运动。
风很早就被人们利用--主要是通过风车来抽水、磨面……。
现在，人们感兴趣的，首先是如何利用风来发电。
利用风力发电的尝试，早在本世纪初就已经开始了。
三十年代，丹麦、瑞典、苏联和美国应用航空工业的旋翼技术，成功地研制了一些小型风力发电装置。
这种小型风力发电机，广泛在多风的海岛和偏僻的乡村使用，它所获得的电力成本比小型内燃机的发电成本低得多。
不过，当时的发电量较低，大都在5千瓦以下。
目前，据了解，国外已生产出15，40，45，100，225千瓦的风力发电机了。
1978年1月，美国在新墨西哥州的克莱顿镇建成的200千瓦风力发电机，其叶片直径为38米，发电量足够60户居民用电。
而1978年初夏，在丹麦日德兰半岛西海岸投入运行的风力发电装置，其发电量则达2000千瓦，风车高57米，所发电量的75%送入电网，其余供给附近的一所学校用。
1979年上半年，美国在北卡罗来纳州的蓝岭山，又建成了一座世界上最大的发电用的风车。
这个风车有十层楼高，风车钢叶片的直径60米；叶片安装在一个塔型建筑物上，因此风车可自由转动并从任何一个方向获得电力；风力时速在38公里以上时，发电能力也可达2000千瓦。
由于这个丘陵地区的平均风力时速只有29公里，因此风车不能全部运动。
据估计，即使全年只有一半时间运转，它就能够满足北卡罗来纳州七个县1%到2%的用电需要。
多大的风力才可以发电呢?一般说来，3级风就有利用的价值。
但从经济合理的角度出发，风速大于每秒4米才适宜于发电。
据测定，一台55千瓦的风力发电机组，当风速每秒为9.5米时，机组的输出功率为55千瓦；当风速每秒8米时，功率为38千瓦；风速每秒为6米时，只有16千瓦；而风速为每秒5米时，仅为9.5千瓦。
可见风力愈大，经济效益也愈大。
在我国，现在已有不少成功的中、小型风力发电装置在运转。
第二章 环境载荷计算11-28
2.1
平台承受的载荷的分类
§2.1 平台承受的载荷的分类
二、设计载荷
指平台在使用期间所受到的除环境载荷以外的其他载荷，它可分为 固定载荷 活载荷 固定载荷 —— 是指作用在平台上的不变载荷，当水位一定时这些载荷为 一定值。 如平台的结构自重，附属结构重量，固定不变的机械设备、管线重量和 作用于平台水下部分的浮力等。 活载荷 —— 则指与平台使用有关的载荷，按其时间变化与作用特点又可 分为可变载荷和动力载荷。 可变载荷的数值或作用位臵变化缓慢，可作为静载荷处理，例如可移动 的钻井设备重量，存放的套管及器材重量，人员及其生活必需品的重量等。 动力载荷为对平台结构动力作用明显的载荷，例如各种动力机械和设备 运转时引起的周期性载荷，平台钻井起、下钻作业、吊机起重、船舶停靠及 直升飞机降落等引起的冲击载荷。对于动力载荷应考虑其动力放大作用。
1 n
式中：vs为离海面高度为z(m)的风速；v10为离海面10m高处的风速。
因此，式(2-4)中的CH可表示为
（2-6）
离岸的距离有关，一般在7～13之间变化。
§2.2
风载荷
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。CCS、ABS、LR的移动平台规范则取表2-2所列的CH值，其 n值接近于13。 表2-2 高度系数CH
§2.3
波浪载荷
波浪载荷是平台结构设计中一个非常重要的载荷，正确计算波浪载荷对 结构安全性具有重要意义。 确定波浪载荷的方法有设计波法与设计谱法两种，这一节主要讨论用设 计波法计算波浪载荷。
一、波浪理论的选择
对微幅波，即波高H与波长L及水深d相比甚小的波浪，采用艾里波理论 （又称线性波理论或正弦波理论），其波形为正弦曲线。当波幅较大时，波 浪的剖面不再是简单的正弦波形，而是类似于坦谷波曲线，其波谷要比波峰 平坦。对于深水情况（水深d与波长L之比值较大时），这种差别并不大，但 对浅水情况则这种差别十分明显。因此，对有限波幅波而言，在深水时一般 用司托克斯高阶波（3阶或5阶），在浅水时采用椭圆余弦波或孤立波。 各国学者和工程界对各种波浪理论的适用范围作过详细的讨论和评述， 但其结论并不是唯一的。迪安(Dean.R.C)于1970年对若干种波浪理论进行了 研究，认为图2-4所示各种波浪理论是该区域和自由表面动力边界条件拟合 最好的波浪理论。
第二章 环境载荷计算11-28
为了便于资料统计和使用，设 计风速值按图2—3所示的15个小海 区来表示。
§2.2 风载荷
图2-3表明，第1海区为渤海，由于它是半封闭的浅水海域，且面积小 ，受周围陆地阻挡，故风速较其他海区小，第2、3、4、5及第6海区的一部 分为黄海，该海域自北向南逐渐开阔，加之南部受台风的影响较北部为甚 ，故风速也是自北向南逐渐增大。第7海区为东海， 它与浩瀚的太平洋为邻，水域广阔，直接受太平 洋风场影响，且台风活动较多，故风速较以上诸 海区为大。第8海区为台湾海峡，一则因海峡效应， 风速较大；二则这里是太平洋台风向偏西北移动 的必经之路，故该海区的风速很大。第9、10、11、 12海区也是太平洋西行台风影响之地，风速亦较大 。第13、14、15小海区不仅受太平洋台风影响，又 是南海台风的发源地，故该区风速最大。在实际设 计时，应根据平台的作业海区的统计资料和规范的 有关规定正确地选择设计风速。
我国固定平台规范对平台上的高耸结构，当其基本自振周期T≥0.5s
时，作用风压应为基本风压p0的β倍。β见表2-4。
表2-4 β值
结构基本自 振周期T(s)
0.5
1.0
1.5
2.0
3.5
5.0
β
1.45 1.55 1.62 1.65 1.70 1.75
对少数重要的塔形结构， 当T=0.25s时，可取β=1.25， 当0.25s<T<0.5s时，β值可以从表2-4进行内插。
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。故设计高耸建筑物时，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。
§2.2 风载荷
图2-3表明，第1海区为渤海，由于它是半封闭的浅水海域，且面积小 ，受周围陆地阻挡，故风速较其他海区小，第2、3、4、5及第6海区的一部 分为黄海，该海域自北向南逐渐开阔，加之南部受台风的影响较北部为甚 ，故风速也是自北向南逐渐增大。第7海区为东海， 它与浩瀚的太平洋为邻，水域广阔，直接受太平 洋风场影响，且台风活动较多，故风速较以上诸 海区为大。第8海区为台湾海峡，一则因海峡效应， 风速较大；二则这里是太平洋台风向偏西北移动 的必经之路，故该海区的风速很大。第9、10、11、 12海区也是太平洋西行台风影响之地，风速亦较大 。第13、14、15小海区不仅受太平洋台风影响，又 是南海台风的发源地，故该区风速最大。在实际设 计时，应根据平台的作业海区的统计资料和规范的 有关规定正确地选择设计风速。
我国固定平台规范对平台上的高耸结构，当其基本自振周期T≥0.5s
时，作用风压应为基本风压p0的β倍。β见表2-4。
表2-4 β值
结构基本自 振周期T(s)
0.5
1.0
1.5
2.0
3.5
5.0
β
1.45 1.55 1.62 1.65 1.70 1.75
对少数重要的塔形结构， 当T=0.25s时，可取β=1.25， 当0.25s<T<0.5s时，β值可以从表2-4进行内插。
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。故设计高耸建筑物时，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。
5-1海洋环境
第五章：海洋环境
5.1 环境载荷
大风浪中的钻井平台
海洋平台作业的特点
1. 处于恶劣的海洋环境之中，所受外载荷复杂 2. 作业状态的多样性（多工况） 3. 恶性事故率较高
5.1 环境载荷
§5.1.1平台载荷的分类
平台载荷
｛
使用期间
｛ 工作载荷
环境载荷
建造期间： 施工载荷
1. 环境载荷——直接（风、浪、流、冰、 地震），间接（锚泊力）
波速C：波浪的传播速度 C=λ/T 圆频率 ω： ω =2π/T 波数 k ： k = 2π/λ
波的传递：海面的波浪只是海面的起伏运 动，水分子本身 不 随波形前进。 风的能量：愈大的风能吹起愈 大 的波浪， 如台风引起的 涌浪 常使船只倾覆。
波浪是具有多种波高、周期和相位等的波浪 组成的合成波。海洋波浪用统计分布或波谱 来表示。 特征值作为海洋结构设计。 有效波高
3. 各种波浪理论的适用范围 （水深h、波高H、波浪周期T、波长λ ）
4. 选择波浪理论的主要依据 —— 平台的工作水深
艾里波理论的主要公式
设水深 h，波高H，波浪周期T，波长 λ ， (1)波频 波数
ω = 2π T
k = 2π λ
(2) 波面升高
H ζ ( x, y, t ) = cos(kx − ωt ) 2
§5.1.2 风载荷
风倾力矩使船失去稳性 细长杆件发生较大变形和大幅振动 风的能量：愈大的风能吹起愈 大 的波浪， 如台风引起的 涌浪 常使船只倾覆。
一、矢量：风速＆风向 1. 风向：16个方位
2. 风速：
近地表小于100m的风速沿垂向符合对数公式规律
z ) zபைடு நூலகம் Vz = V10 lg(10 ) z0 lg(
5.1 环境载荷
大风浪中的钻井平台
海洋平台作业的特点
1. 处于恶劣的海洋环境之中，所受外载荷复杂 2. 作业状态的多样性（多工况） 3. 恶性事故率较高
5.1 环境载荷
§5.1.1平台载荷的分类
平台载荷
｛
使用期间
｛ 工作载荷
环境载荷
建造期间： 施工载荷
1. 环境载荷——直接（风、浪、流、冰、 地震），间接（锚泊力）
波速C：波浪的传播速度 C=λ/T 圆频率 ω： ω =2π/T 波数 k ： k = 2π/λ
波的传递：海面的波浪只是海面的起伏运 动，水分子本身 不 随波形前进。 风的能量：愈大的风能吹起愈 大 的波浪， 如台风引起的 涌浪 常使船只倾覆。
波浪是具有多种波高、周期和相位等的波浪 组成的合成波。海洋波浪用统计分布或波谱 来表示。 特征值作为海洋结构设计。 有效波高
3. 各种波浪理论的适用范围 （水深h、波高H、波浪周期T、波长λ ）
4. 选择波浪理论的主要依据 —— 平台的工作水深
艾里波理论的主要公式
设水深 h，波高H，波浪周期T，波长 λ ， (1)波频 波数
ω = 2π T
k = 2π λ
(2) 波面升高
H ζ ( x, y, t ) = cos(kx − ωt ) 2
§5.1.2 风载荷
风倾力矩使船失去稳性 细长杆件发生较大变形和大幅振动 风的能量：愈大的风能吹起愈 大 的波浪， 如台风引起的 涌浪 常使船只倾覆。
一、矢量：风速＆风向 1. 风向：16个方位
2. 风速：
近地表小于100m的风速沿垂向符合对数公式规律
z ) zபைடு நூலகம் Vz = V10 lg(10 ) z0 lg(
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2.2 风载荷
F pA
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
p0
1 2g
v2
12.01N/m3 ，空气密度
p0 0.613v2
p 0.613CH Csv2
图2.1 作用在钻井装置上的环境力
波浪载荷
使用载荷
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。
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
• 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，
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）？
环境载荷
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。
• 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。
荷对平台结构产生的影响
• 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。
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
Cs 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 Cs
CCS 规范
• 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)；
F p0 ACH Cs
CH 为考虑风压沿高度变化的高度系数; Cs 为考虑受平方成正比，故风速的取值显得特别重要!
• 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
CCS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。
第二章 海洋平台的环境载荷
2.1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
活动平台规范中常用载荷分类方法 环境载荷
｛ ｛ 平台载荷 使用期间 使用载荷 建造期间：施工载荷
※ 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。
施工载荷
定义：平台在建造以及海上吊装、安装过程中所 承受的载荷。
• 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
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。
1h 10mi 1min 15s 5s 3s n
1.00 1.04 1.26 1.26 1.32 1.35
• 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
1
vz
z 10
n
v10
2
CH
z
n
10
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
• 在正常作业时不小于36m/s(70kn)； • 在遮蔽海区不小于26 m/s (50kn)
各海区设计风速建议值（m/s）
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
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
• 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
系数 值