海洋平台设计原理(第三讲)

海洋环境
海底地貌（地形） 海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
海洋环境
海底地貌（地形） 海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
海洋环境
海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
海底地貌 海 风 海 流 海 浪 海 冰
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海洋环境
海 风
海风（Wind） ：海上刮的风。
自升式平台
海 洋 平 台 设 计 的 关 键 技 术
自升式平台的主体布置格局
桩腿与桩靴形式与尺度 升降装置的形式 自升式平台在各种工况下结 构设计载荷与强度分析
自升式平台结构关键节点的
高效的钻井作业系统 升沉补偿系统
定位系统（锚泊、动力 >1500m）
海洋环境
海 浪
波浪的表示方法：
海洋波浪是由具有多种波高、周期和相位等的波浪组成的合成波，
且波浪的行进方向（波向）也不完全相同，这样复杂的海洋波浪可 用统计分布或波谱来表示，但在海洋结构的设计中一般采用其特征 值，如最大波高Hmax和最大周期Tmax以及有效波高H1/3和有效周 期T1/3。
最大波高和最大周期是取观测期间的最大波或是取累积频率为50
几种波浪的定义（不同性质）：
微幅波-----线性波浪理论：是对自然界海面上波浪进行了简化的
最简单的波动，指波高与波长、水深相比为小量的波浪。它的特点 是使用简便、适用性强，在平台初步设计阶段可以用于各种水深。 由于它的线性性，也可用于研究绕射问题和各种波谱分析。 斯托克斯（stokes）波----非线性波浪理论，对于线性波理论，伯
风对人类的生产活动和生活有着重大的关系。 风可以作为一种自然资源，为人类的生产和生活提供动力资源。 另一方面，大风和风暴又是一种带有巨大破坏性的自然现象，风还
是产生海浪的重要因素。
风是影响海洋工程的重要环境因素之一。
风对海工结构的影响十分严重，因为平台、钻井船及海上油罐等
设备直接承受风荷载的作用。一些浮式海洋工程结构物的稳性和安 全性也与所受风力密切相关。
海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
海洋环境
海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
海底地貌 海 风 海 流 海 浪 海 冰
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海洋环境
海底地貌
海底地貌（submarine geomorphy） ：海水覆盖下的 固体地球表面形态的总称 。 海底有高耸的海山，起伏的海丘，绵延的海岭，深邃 的海沟，也有坦荡的深海平原。
海浪可按波高的大小分为9级：
浪级
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
海况
无浪 微浪 小浪 轻浪 中浪 大浪 巨浪 狂浪 狂涛 怒涛
波高（m）
0 <0.3 0.3~0.8 0.8~1.3 1.3~2.0 2.0~3.5 3.5~6.1 6.1~8.6 8.6~11.0 >11.0
海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
海 浪
几种波浪的定义（不同性质）：
椭圆余弦波：对有限振幅波，由于波高较大，自由水面的非线性
影响不可忽略，故微幅波理论已不适用，在这种情况下，如水深较 大，一般可以选用斯托克斯高阶波理论。但如果对水深与波长比小 于 1/8 ，则宜采用椭圆余弦波理论，该理论比较全面考虑了影响波 动性质的因素，具有较大的适用范围。
海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
海底地貌 海 风 海 流 海 浪 海 冰
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海洋环境
海 流
海流（ocean flow） ：海流又称洋流，是海水因热辐射、蒸 发、降水、冷缩等而形成密度不同的水团，再加上风应力、地转 偏向力、引潮力等作用而大规模相对稳定的流动，它是海水的普 遍运动形式之一。
海 洋 平 台 设 计 的 关 键 技 术
教学内容（32学时）
海洋工程发展及平台类型
海洋平台设计的关键技术
海洋环境及平台设计载荷
海洋油气开发方式和生产系统 导管架平台设计原理 自升式平台设计原理 浮式海洋平台设计原理 海洋平台设计和计算软件专题 海洋平台设计应用专题
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《海洋平台设计原理》课程
同、位相杂乱的组成波组成。这些组成波便构成海浪谱。此谱描述
海浪能量相对于个组成波的分布，故又名“能量谱”、“功率谱” 和“方向谱”。 它是随机海浪的一个重要统计性质，它不仅包含着 海浪的二阶信息，而且还直接给出海浪组成波能量相对于频率和方 向的分布。它用于描述海浪内部能量相对于频率和方向的分布。
有了波浪谱，对海洋工程结构物的运动和作用力分析得更接近实际更完善
年一遇或 100 年一遇的最大波，也即波浪重现周期为 50 年或 100 年 的最大波高和周期。有效波高和有效周期是把波浪观测资料按大小
排列，最大的 1/3 部分波高和周期的平均值，具有这样概念的波叫
有效波，因为与目测值相近，故被广泛应用。
海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
海洋环境
海 浪
海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
海洋环境
海 风 海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
风力等级漫画
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海洋环境
海 风 海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
风 力 的 等 级 划 分
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海洋环境
海 风
风力的等级划分
海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
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海洋环境
平台抗爆（火灾）技术研究 平台碰撞分析和防撞技术研究 ……
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导管架平台
桩基（抗压、抗拔，横向力） 群桩效应（波浪力、冰压力、土）
桩和土壤的相互作用
桩和连接结构之间的相互作用 桩、土、结构相互作用 管节点：局部强度、疲劳强度、工艺
海 洋 平 台 设 计 的 关 键 技 术
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关键技术研究
海洋平台设计
规范设计方法
关键技术研究
经验 积累
工程 验证
数值 仿真
物理 试验
更先进的设计方法
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关键技术研究内容
总体布置与优化设计研究
环境载荷研究 平台极限承载能力研究 平台的稳性研究 平台模块化技术研究
关键结构或节点的疲劳性能研究
焊接工艺与接头韧性评定技术研究
振动、噪声预报与控制技术研究
有时波高虽不大，但当波浪周期与建筑物的固有周期相近时，因
共振作用，使建筑物造成毁坏； 即使轻微的波浪，因长年累月连续作用，波浪力也会给建筑物以 冲刷而使之损坏。 为了保证海洋工程结构物的安全，必须了解与研究海浪
海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
海洋环境
海 浪
波浪的基本要素：波峰、波谷、波高（波幅）、周期、 波长、波速、相位。
第三讲 海洋环境及平台设计荷载
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海洋环境
定义
海洋环境（ marine environment ） ：地球上海和洋
的总水域，按照海洋环境的区域性可分为河口、海湾、
近海、外海和大洋等，按照海洋环境要素可分为海水、 沉积物、海洋生物和海面上空大气等。
海：邻靠陆地，水深在2000米或3000米以内； 洋：远离大陆，面积广阔,水深在2000米或3000米以上。
努利方程中的非线性项被忽略，而在有限振幅波理论中，则应计入
非线性项的作用。在目前的工程应用中，斯托克斯五阶波已被广泛 地应用于各种海洋工程结构的波浪力计算，该理论特别适用于由小
直径管件构成的导管架平台、自升式平台的桁架式桩腿、隔水管、
海底管线等管状结构。
海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
海洋环境
水下设备（井口系统、井控器、 隔水管、控制系统） 设备集成控制
类似于船舶，钻井设备及控制系统要求高！
海 洋 平 台 设 计 的 关 键 技 术
Spar平台
波浪载荷及平台运动响应 垂荡、纵摇运动不稳定性及控制技术
（纵摇f+2垂荡f=不稳定运动，螺旋板+垂荡板）
涡激振荡（Vortex Induced Motion）及控制技术 （流固耦合问题） 系泊系统和立管系统的作用于影响
海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
海洋环境
海底地貌
海底地形分为三大基本单位：大陆边缘（ 22% ）、大洋 盆地（45%）和大洋中脊（33%）。
海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
海洋环境
海底地貌（地形） 海 按地质构造：在大陆与大洋之间，有一个过度带，或 洋 称大陆边缘。包括大陆架、大陆坡和大陆裙（或大陆隆）； 环 结构简单的，大陆架、大陆坡和大陆裙三部分组成大陆台阶，其外 境 面就是大洋底； 及 结构复杂的，除了大陆台阶外，还带有一系列的边缘海盆，海盆外 平 缘有弧形列岛的岛弧以及岛弧脚下的深海沟等，其外才是大洋底。 台 设 计 荷 载
海洋环境
海 流 海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
世 界 洋 流 分 布
海洋环境
海 流（渤海） 海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
10m深
表层
海洋环境
海 洋 环 境 及 平 台 设 计 荷 载
海底地貌 海 风 海 流 海 浪 海 冰
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海洋环境
海 浪
海浪（wave）：海浪是发生在海洋中的一种波动现象， 海 洋 是静水面受到外力作用后，水质点离开平衡位置作往复运 环 动，并向一定方向传播的自然现象。 海浪成因：风（主要）、地震、太阳月球的作用力、 重力等。
周期：0.5至25秒 。
波长：几十厘米到几百米。 波高：几厘米到20米，在罕见的情况下波高可达30米以上。 研究海浪对海洋工程建设、海洋开发、交通航运、海洋捕捞与养殖等活动 具有重大意义
境 及 平 台 设 计 荷 载
海洋环境
海 浪
海浪（海洋工程）：
处在各种海区的海洋工程结构，随时受到海浪的直接威胁； 海浪的威力十分巨大，巨浪能把石油生产平台推倒，把万吨大船 推上半空；