02.海洋工程环境学(第四章 风载荷)
海洋工程结构物风载荷计算方法比较
海洋工程结构物风载荷计算方法比较岳晓瑞;徐海祥;罗薇;詹成胜【摘要】海洋工程结构物作业环境十分复杂,作业期间除了受自身的工作载荷外还受到环境载荷的影响,风载荷是海洋结构物所受的主要环境载荷之一.为保证其作业安全,设计时选择一种合适的风载荷计算方法,为海洋工程结构物提供可靠的风载荷信息十分重要.海洋工程结构物风载荷计算方法较多,文中对目前常用的几种风载荷计算方法进行了介绍,以一艘大型油船为例对其所受的风载荷进行了计算,并将计算结果与实验结果进行了比较.比较分析表明,Blendermann方法的计算结果与实验结果吻合较好.%Operating environment of marine engineering structures is very complex, during the operations besides the work loads, marine engineering structures are also subject to the environment loads,and the wind loads usually play a major role in the environmental loads. To ensure the safety of its operations, it is important to choose an appropriate calculation method for the designers. At present,many methods are used to calculate the wind load on marine engineering structures. In this paper,several of the commonly used wind load calculation methods are introduced, then a VLCC (Very Large Crude Carrier) suffered wind loads are calculated, and the calculation results are compared with the experimental results, which show that the calculation results of the Blendermann's method are close to the experimental results.【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2011(035)003【总页数】4页(P453-456)【关键词】海洋工程结构物;环境载荷;风载荷;计算方法【作者】岳晓瑞;徐海祥;罗薇;詹成胜【作者单位】武汉理工大学交通学院,武汉430063;武汉理工大学交通学院,武汉430063;武汉理工大学交通学院,武汉430063;武汉理工大学交通学院,武汉430063【正文语种】中文【中图分类】U6620 引言随着陆地资源的日益枯竭，人类对海洋资源的开采活动进入了一个新的阶段，在这一阶段里海洋工程结构物种类繁多.如何保证海洋工程结构物在恶劣的海洋环境中安全作业成为首要问题，海洋工程结构物在作业期间除了受自身的工作载荷外还受到环境载荷的影响.风载荷是海洋结构物所受的一种主要环境载荷，如何提高海洋工程结构物风载荷的计算精度，为设计海洋工程结构物提供可靠的载荷信息十分重要.由于海洋工程结构物具有种类多、上层建筑结构复杂、高度不同等特点，对获得准确的风载荷带来了很大困难.风洞试验是目前获得风载荷最为可靠的方法，但风洞试验具有试验成本高、试验周期长等缺点，设计时对每一个海洋工程结构物进行风洞试验是不切合实际的.针对上述问题，国内外学者提出了多种风载荷计算方法.在国外，Isherwood公式计算风压系数精度较高，被普遍采用［1］；Could提出了船舶上层建筑风压力系数和风压力矩的估算方法，该方法考虑了相对风速［2］；Blendermann搜集了大量关于风载荷的数据，并在此基础上提出了横向、纵向以及首摇的风载荷系数计算公式［3－4］.另外，Blendermann还通过实验数据得出了在不均匀风速下风载荷的计算方法［5］；OCIMF提出了超大型船舶风载荷的计算方法，例如计算VLCC所受的风载荷［6］；Haddara运用神经网络技术提出了一套计算海洋工程结构物风载荷系数的方法［7］；模块法（Building Block Method）也是计算海洋工程结构物所受风载荷的方法之一［8］，模块法是将整个水线以上结构离散成不同的标准构件模块，叠加各组成构件的风载荷获得结构物所受的总风载荷.在国内，汤忠谷［9］对15艘长江和近海商船的船模进行了风洞试验，给出了风压合力系数、风压合力角及风压力作用点位置的回归公式；洪碧光［10］通过对50条船模风压系数的风洞试验数据进行回归分析，得出了一种由船型参数来估算风压系数的回归公式.为方便海洋工程结构物设计者选择合适的风载荷计算方法，本文以一艘大型油船为例，分别采用目前常用的几种风载荷计算方法对其所受的风载荷进行了计算，并将计算结果与实验结果进行了比较分析.1 风载荷计算方法目前常用的风载荷计算方法主要包括：1）Blendermann方法 Blendermann通过风洞试验搜集了大量的关于风载荷的数据，并在此基础上得出了横向和纵向风载荷系数计算公式.式中：Cx，Cy分别为纵向、横向风载荷系数；Cd1，Cdq，δ为与船舶类型有关的参数；θ为风向角；AL，AF分别为正纵、正横时的受风面积；SL为受风面积的形心距船中的距离.2）Isherwood公式Isherwood根据各类商船有关压力的大量船模风洞试验结果，按商船上层建筑各特征参数进行回归分析，得出了计算风压力系数和风压力矩系数的回归公式，即Isherwood公式：式中：Cx（θ），Cy（θ）分别为风向角θ时纵向、横向风载荷系数；As为船舶水线以上的侧投影面积；Af为船舶水线以上的正投影面积；Ass为船舶上层建筑的侧投影面积；Loa为船舶总长；B为船宽；c为船舶水线以上部分侧投影面积的周长（除去桅杆和通风筒等细长物体以及水线长度）；d为船舶水线以上部分侧投影面积形心到船首的距离；m为船舶侧投影面积中桅杆或中线面支柱的数目；a0，…，a6；b0，…，b6的值参见文献［1］.3）Haddara方法 Haddara采用神经网络技术对所搜集的关于船舶所受风载荷实验数据进行了回归分析，得出以下公式：式中：Ck为风载荷系数，k为横向或纵向；AL，AF分别为正纵、正横时的受风面积；Loa为船舶总长；B为船宽；SL为受风面积的形心距船中的距离；δ为风向角；γki，ζkij为权重值.4）模块法（building block method）模块法是计算海洋工程结构物所受风载荷常用的方法之一，也是ABS和DNV建议的方法.模块法是将整个水线以上结构离散成不同的标准构件模块，叠加各组成构件的风载荷获得结构物所受的总风载荷.因此在使用模块法计算之前要求已知各组成构件的载荷特性，其准确性依赖于对构件载荷特性、构件之间影响特性以及模块的划分.其算法如下.由于风在垂直方向是有梯度的，那么海平面高度Z处的风速为式中：Zr为参考高度，一般取10m；vZr为参考高度的风速；p为指数，一般取0.1～0.15之间.构件风载荷计算时采取平均风速式中：A为受风面积；v（y，z）为构件受风面上点（y，z）处的风速.第i个模块所受风载荷式中：vie为第i个模块的平均风速；ρ为空气密度；Csi，Chi分别为第i个模块的形状系数和高度系数；Ai为第i个模块在正横或正纵方向上的投影面积.受风构件的总风载荷Fwind为式中：Ne为划分模块的数量.风载荷系数表达为式中：Cx，Cy分别为纵向和横向的风载荷系数；Fx，Fy分别为纵向和横向的合力；ρ为空气密度；vr为参考风速；Ar为参考面积.5）OCIMF方法 OCIMF提供了超大型船舶计算风载荷的方法并给出了不同球鼻艏和不同载况下的风载荷系数，具体见文献［6］.2 实例计算及比较分析为方便海洋工程结构物设计者选择合适的风载荷计算方法，本文以一艘大型油船为例，分别采用上述风载荷计算方法对其所受的风载荷进行了计算，并将计算结果与实验结果进行了比较分析.该大型油船的主要参数为：总长351.4m，船宽55.4m，设计吃水23.5m，横向受风面积为1 131.79m2，纵向受风面积3 401.47m2.为方便风载荷的计算，建立图1所示的坐标系.图1 坐标系图2和图3分别为采用上述几种方法计算该大型油船所受风载荷系数与实验结果在x方向和y方向的比较.图2 几种方法计算大型油船所受x方向上的风载荷系数与实验结果的比较图3 几种方法计算大型油船所受y方向上的风载荷系数与实验结果的比较从图2可以看出，随着风向角的增大，x方向上的风载荷系数变化趋势为先由大逐渐减小，在90°附件时为零，后由小逐渐增大.通过图2的比较可以看出，当风向角较小时，几种方法的计算结果与实验结果吻合较好，随着风向角的增大，与实验结果相比，Isherwood方法和模块法的计算结果相对偏大，OCIMF方法的计算结果相对偏小，而Haddara方法的计算结果当风向角在90°以内时相对偏小，在90°以外时相对偏大.同时可以看出，在风向角的整个变化范围内，Blendermann方法的计算结果均与实验结果吻合较好.从图3可以看出，随着风向角的增大，y方向上的风载荷系数变化趋势为先由小逐渐增大，在90°附近时达到最大，后由大逐渐减小.通过图3可以看出，与实验结果相比，几种计算方法中除了Haddara方法的结果在风向角较小时出现异常外，其它方法的曲线变化趋势与实验吻合较好.3 结论风载荷是海洋结构物所受的主要环境载荷之一.为保证海洋结构物作业安全，设计时选择一种合适的风载荷计算方法，为其提供可靠的设计风载荷信息十分重要.本文首先对目前常用的几种风载荷计算方法进行了介绍，然后以一艘大型油船为例对其所受的风载荷进行了计算，并将计算结果与实验结果进行了比较.比较分析表明，Blendermann方法的计算结果与实验结果吻合较好.参考文献［1］Isherwood R M.Wind resistance of merchant ship［J］.Trans.of RINA，1973（115）：132－138.［2］Gould R.The estimation of wind loads on ship superstructures［J］.The Royal Institution of Naval Architects，1982（8）：34－40.［3］Blendermann W.Wind loads on moored and manoeuvring vessels ［J］.OMAE，Offshore Technology，1993（1）：183－189.［4］Blendermann W.Parameter identification of wind loads on ships＇［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 51，1994（2）：339－351.［5］Blendermann W.Estimation of wind loads on ships in wind with a strong gradient，offshore technology［J］.1995（1－A）：271－277. ［6］OCIMF，Prediction of wind and current loads on VLCCs［M］.2nd ed.Oil Companies International Marine Forum，1994.［7］Haddara M R.Wind loads on marine structures［J］.Marine Structures，1999（12）：199－209.［8］陈恒.深海半潜式平台动力定位推力系统设计研究［D］.上海：上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，2008.［9］汤忠谷.水面船舶的空气动力［J］.武汉水运工程学院学报，1982（4）：79－89.［10］洪碧光.船舶风压系数计算方法［J］.大连海运学院学报，1991，17（2）：113－121.。
海上风力机流体载荷研究
一、数值模拟
1、计算流体动力学 （Computational Fluid Dynamics, C
CFD是一种通过计算机模型对流体动力学行为进行模拟的方法。通过CFD，我 们可以预测OWTS在各种风速、风向和海况条件下的流体动力性能，包括升力系数、 阻力系数、扭矩等。此外，CFD还可以模拟流场的详细信息，例如速度场、压力 场等。
在海上风力机流体载荷研究方面，由于海洋环境的复杂性和特殊性，其研究 难度较大。已有的研究主要集中在数值模拟和实验研究两个方面。数值模拟方法 主要包括CFD（计算流体动力学）和风洞实验等，实验研究方法主要包括模型实 验和现场实验等。
尽管在陆上风力机流体载荷研究方面已取得了一定的成果，但由于海洋环境 的复杂性和特殊性，海上风力机流体载荷研究仍面临很多挑战。首先，海洋环境 中的风、浪、流等自然条件复杂多变，对海上风力机的性能和可靠性产生了重要 影响。
此外，还可以进一步开展数值模拟方法研究，建立更精细的基础结构模型， 以更准确地预测其在复杂海洋环境下的性能。在优化设计方面，可以运用先进的 设计算法和软件工具，以提高设计效率并实现更高性能的基础结构设计。
总之，海上风力机基础结构设计选型是一个充满挑战与机遇的研究领域。通 过不断深入研究和完善优化设计方案，有望为海上风力发电技术的发展提供重要 支持。
性的关键因素之一。因此，对海上风力机流体载荷进行研究，对于提高海上 风力机的性能和可靠性具有重要意义。
二、文献综述
在陆上风力机流体载荷研究方面，已有大量的文献报道。陆上风力机在运行 过程中，受到的气动载荷和结构载荷主要包括风载、冰载、地震载荷等。其中， 风载是主要载荷之一，其数值大小和作用方向取决于风速、风向和风力机的空气 动力学特性。
海上风力机流体载荷研究
海洋工程环境学04
1.3 波浪运动的能量分布特征
线性变换系统的用途： • 已知海浪谱SX 和船或结构物某性能的频率响应函数H，
可以确定船或结构物某性能的能量谱密度函数SY.
• 已知船或结构物某性能的能量谱密度函数SY和海浪谱SX ，
可以确定船或结构物某性能的频率响应函数H. • 已知船或结构物某性能的能量谱密度函数SY及其某性能的
TZ
1 N0
2
m0 m2
1.3 波浪运动的能量分布特征
其中
mn nS d
0
分别为能量谱密度函数的零，二和四阶矩。顺便给出谱 宽系数：
2 1 m22
m0m4
50
1.3 波浪运动的能量分布特征
5. 线性变换系统
X(t) 代表输入，如波浪； Y(t) 代表输出，如船舶运动，海洋结构物遭遇波浪荷载； H( ) 代表船或结构物的频率响应函数。
H1 N 2h1 N
2m0
ln
1
N
2
N
1 2 1
2 ln N
12
对于波浪运动，通常认为是窄带过程，有
H1 N 2h1 N 2m0
ln N N 1
7. 实用的海浪方向能量谱密度函数 方向谱的一般形式：
S , S G
G 为方向函数，有
G d 1
精品课件！
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1.3 波浪运动的能量分布特征
• Denis and Pierson 谱 (1953) • Longuet-Higgins, Cartwright and Smith 谱 (1961) • Cote 谱 (1962) • Conner 谱 (1980) • ITTC and ISSC 谱
海洋工程环境课件05-1
海洋中的涌浪
• 海浪的运动形态将因所处水深不同而不同。 深水区波浪：h>1/2λ 海底摩擦的影响可忽略不计，其波浪形态 基本保持不变； 浅水区波浪： 1/20λ<h< 1/2λ 极浅水波/长波：h<1/20λ
受海岸地形及海洋工程的影响，波浪在传播中会发生波浪折 射、绕射、反射及破碎等现象，造成浅水区内波浪的传播形态及尺 度等发生变化，传播特性与传播现象比深水波复杂。
5
水面波动：有自由表面的水体的内部质点在外力作用下 偏离其初始平衡位置作周期性往复振动运动或当外力消失后 在重力和惯性力的作用下波动水体的质点继续作周期性的往 复振动，其自由表面则作周期性的起伏波动。 由风、船舶航行、水底地震及太阳和月球引力等外力作 用而产生的水体波动分别称为风浪(或风成波)、船行波、地 震波(或海啸)及潮汐波(或潮波)、当风浪传出风区或风力衰 减、停息后的波浪称为涌浪(或余波)。通常所指的波浪一般 为风浪和涌浪。
• 研究海洋表面波浪的原因
表面海浪是海洋工程结构物在设计施工中必须考 虑的主要环境载荷条件之一。 海洋工程结构物的设计中，从建造强度、使用年 限，建造成本角度需要考虑所处海域出现海浪的最大可 能尺度、研究海浪的方向特征、出现频率、季节特点 等。 海岸堤坝的塑造形成和侵蚀破坏，航道等的泥沙回 淤 ，港址的选择与布置设计等都与波浪运动有关。 波浪影响船舶的运动性能，也是海上运输船舶在选择 运输航线时要考虑的重要因素。
海洋中充分发展的海浪
在风停止后，或风浪离开风的作用海域时，风浪并未消失，而 是在自身重力的惯性作用下继续向前传播并发展形成涌浪。
涌浪的波形外观较规则，波面较平缓，波峰线较长，二维特性 较明显。涌浪的传播速度普遍比风速快，有时因比台风移动速度 快而先行抵达海岸边，这时称之为先行涌。其波长、波速及周期 在传播过程中逐渐增大。
海上风机载荷分析
目录
1. 规范和标准 2. 海洋工程环境载荷 3. 海洋工程钢结构设计 4. 固定式平台设计要点
规范和标准
1. 国家法律法规的要求 《海上固定平台安全规则》 —国家经贸委
2. 行业标准 API RP 2A-WSD（美国石油协会）《海上固定平台规划、 设计和建造的推荐做法》，21版 AISC（美国钢结构协会规范） — Allowable Stress Design 9th
6.地震载荷
1. 强度水平
结构具有足够强度和刚度，在地震力作 用下结构不发生损坏； 2. 韧性水平 平台具有足够的储备能力，在2倍地震力 作用下，结构损伤可能发生，但平台不 会坍塌。
海洋工程钢结构设计
海洋工程钢结构设计-WSD
1. 圆管构件的强度 2. 管节点的强度 3. 疲劳强度 4. 桩的强度
（5）SCF-Efthymiou方法
3. 疲劳强度 （6）焊接控制：
3. 疲劳强度 （7）安全系数-L1类型
3. 疲劳强度
（8）谱分析流程：
管节点的频率传递函数RAO； 利用波浪谱计算响应谱； 应力幅的分布概率计算； 损伤累加； 利用工作海域的波浪散布图，累加总损伤； 得到疲劳寿命。
基底剪力谱的零阶矩；
短期海浪谱采用P-M谱。
2.波浪载荷
时域分析方法
2.波浪载荷
3.风载荷
风力的计算公式
遮蔽效应的考虑
4.流载荷
流载荷的计算与波浪力相似，利用Morison公式 计算流的拖曳力
A. 流的分布 B. 流的涡激振动
5.冰载荷
冰载荷的计算可参照API RP-2N 《冰环境条 件下海上固定结构规划、设计和建造的推荐作 法》。
1. 圆管构件的容许应力 （7）圆锥过渡： 对于无加筋圆锥-圆柱连接： 环向应力：
海洋环境与钻采工程 第四章 海流与海流载荷
第四章海流与海流载荷第一节海流分类、成因和海流分布一、分类、成因与特征海流：海水水平或垂直地由一个海区向另一个海区的大规模流动。
1 按成因分类潮流：引潮力，即日、月引力与地月运动离心力之和风海流：风切应力密度流：等压面倾斜产生压差梯度力波浪流：波浪传播至沿岸所产生的沿岸流2 按时间特性分类周期性海流：潮流，T=12-24hr非周期性海流：其他海流3 按流动范围分类近岸海流；近海海流；外海海流。
4 按温度分类寒流；暖流。
二、海洋总的环流模式1、世界大洋表面的环流模式2、太平洋海水的表层环流3、我国近海环流的一般规律（1）渤海，黄海，东海等边缘海，海流基本是黑潮分支及近岸流。
（2）南海海流主要由季风支配，具有风海流的特点。
第二节海流载荷一、海流对工程结构和工程活动的影响1.对结构强度的影响2 对基础稳定的影响（冲刷，掏空）3 对工程系统的性能的影响4 对工程活动的影响（脱航，就位）5 对腐蚀速度的影响很大（带走腐蚀产物，磨蚀）二、海流的流动特征1 潮流Tidal Current海水在引潮力作用下周期性地水平流动（分半日潮流，混合潮流，全日潮流）。
存在往复流，旋转流。
海流水质点速度分布特征：方向相同，大小沿水深呈指数分布。
2 风海流 Wind Current风对海面的切应力的推动使海水产生的水平运动在风力、地转偏向力与垂向紊动阻力达到平衡时形成稳定流动，风海流水质点不在同一平面内，呈螺旋形状，即Ekman Spiral三、海流速度的确定（沿水深的分布）1 实测法2 经验法采用指数型式来简化流速分布 潮流：7/10)()(d zu z u T T =风海流：10)()(dzu z u W W =总流速：)()()(z u z u z u W T +=四、海流载荷计算原理：粘性流体阻力公式；单位长度结构载荷：)(21)(2z u A C z f C p D C ρ=总载荷：zdzz f Mdzz f F dC CdC C )()(00⎰⎰==。
二.海洋工程结构载荷
T ≥ 0.5s
这种动力作用就不容忽视。 这种动力作用就不容忽视。
结构动风荷载应按下式计算 ） F = 0.613βCh Cs SV 2 （N） 表3.风振系数 β 风振系数
（2.2） ）
式中－ 风振系数。 可按照表1.3取值 取值： 式中－β 风振系数。一般 β 可按照表 取值：
（4）风的升力计算 ）
（ a P = 0.613 ×10−3V 2 kP ）
2）构件的外形因素 Cs ） 表示构件对风的阻挡效应。 引进受风构件形状系数 Cs 表示构件对风的阻挡效应。 Cs表示风 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。 到的理论风压的比值。主要与结构物的体型、尺度有关。 规范中给出的风载荷计算公式为： 规范中给出的风载荷计算公式为： ） F = Ch Cs SP（kn） （2.1） ）
表2. 结构形状系数表 Cs
（3）考虑脉动风压的风力计算 ）
对于平台上高耸结构，其柔性较小， 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 比如，渤海4号为桁架式桩腿，设计水深91.5米，在渤海湾作 动。比如，渤海 号为桁架式桩腿，设计水深 米 业时，由于桩腿外伸出船体数十米， 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， 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。 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载荷。 风速随时间变化，是时间的函数，因此风压力本质上是动载荷。 由于高耸结构比如桩腿基本自振周期较长， 由于高耸结构比如桩腿基本自振周期较长，在风载荷作用下具有 明显的动力效应。 明显的动力效应。当高耸结构基本自振周期
海洋工程环境学
1.3 波浪运动的能量分布特征
线性变换系统的用途： • 已知海浪谱SX 和船或结构物某性能的频率响应函数H， 可以确定船或结构物某性能的能量谱密度函数 Y. 能量谱密度函数S 能量谱密度函数 • 已知船或结构物某性能的能量谱密度函数SY和海浪谱SX ， 可以确定船或结构物某性能的频率响应函数 频率响应函数H. 频率响应函数 • 已知船或结构物某性能的能量谱密度函数SY及其某性能的 频率响应函数H，可 以确定海浪能量谱密度函数 X. 海浪能量谱密度函数S 海浪能量谱密度函数
1.3 波浪运动的能量分布特征
• 平均过零周期：平均过零周期由随机过程通过零水平次 数的期望值确定。即单位时间过水平的平均次数
+∞ 1 & & & Nα = ∫ η ( t ) p α ,η ( t ) dη = π −∞ ∫ ω S (ω ) dω −α 2 0 exp ∞ ∞ ∫ S (ω ) d ω 2 ∫ S (ω ) d ω 0 0
A2 ( t , ω n + ∆ω )
该能量在整个测量周期的平均值为
1 lim ∫ A2 ( t , ω n + ∆ω )dt T →∞ T 0
该能量关于频率区间的平均值被称之为能量谱密度函数 能量谱密度函数： 能量谱密度函数 50
T
1.3 波浪运动的能量分布特征
T 1 1 2 S (ω ) = lim lim T →∞ ∫ A ( t , ω n + ∆ω )dt ∆ω →0 ∆ω T 0
50
1.3 波浪运动的能量分布特征
非平稳过程 (宽带)
平稳过程 (窄带)
单频过程 (线谱)
02海洋工程环境学第四章风载荷
0.2 海洋环境因素分析
按世界气象组织的标准可划分为四类： 热带低压(中心最大风速10.8—17.1米／秒，相当于6—7级风) 热带风暴(中心最大风速17.2—24.4米／秒，相当于8—9级风) 强热带风暴(中心最大风速24.5—32.6米／秒，相当于10一11级风) 台风(中心最大风速＞32.7米／秒以上，相当于12级风以上)。
0.2 海洋环境因素分析
热带气旋在我国又称台风，在美洲通常称飓风。它是发生在热带海洋上的具有很大破坏性的低压涡旋。 影响我国海域的台风发源地主要有两个区域：一个在菲律宾以东、关岛以西洋面；另一个在南海中部海域。 全球每年平均大约有80个热带气旋发生，其中半数以上可以发展成台风，台风集中发生在西北太平洋、孟加拉湾、东北太平洋、西北大西洋、阿拉伯海、南印度洋、西南太平洋和澳大利亚西北海域等8个地区。西太平洋是全球热带气旋发生最多的地区，约占全球总数的三分之一。热带气旋的多发地带集中在5°～10°纬度带内，而南北半球纬度5°以内几乎没有热带气旋发生。
有关生活： 3.跑道上逆时针跑行 人们总喜欢沿逆时针方向。 A逆时针方向跑，地转偏向力向外，身体倾斜产生一个向内的向心力，二力方向相反，更易平衡，过弯道不易跌倒。 B顺时针方向跑，地转偏向力和身体倾斜产生一个向内的向心力方向相同，不易平衡，过弯道处易跌倒。 人类的发源地都在北半球，人们长期受地转偏向力的影响形成了这一习惯，所以哪怕到了南半球，人们还是习惯于这样的行为。
0.2 海洋环境因素分析
风速影响因素：气压梯度力、地转偏向力，离心力和摩擦力的综合作用。 大气压强：大气在重力作用下产生的对地面的大气压力。 （1）地球各处的大气压力不同，形成大气压强场（气压场） （2）定义：单位面积上从某高度到大气上界的垂直空气柱的重量，1Pa=1N/m2 （3）一个标准大气压：温度为0度时，位于纬度45的海平面的气压，该值为1013.25hPa，或760mm汞柱。 （4）气压影响因素：纬度、温度、高度等。
海上风机载荷分析
海洋工程环境载荷
载荷分类
固定载荷 活载荷 环境载荷 动力载荷 施工载荷
固定载荷
固定载荷包括平台结构的重量和不会变化的任何 永久设备和附属结构的重量。固定荷载应包括下 列各项： 1.平台结构重量，包括桩、水泥浆和压载重量； 2.永久设备和附属结构重量； 3.水面以下结构的静水力，包括外压力和浮力。
2. 地震强度分析
组合分析 将上述静力分析与地震作用分析进行
组合，同时作用于平台结构上，对平台进 行结构响应分析。
3. 疲劳强度分析
桩基线性化 由桩土作用分析模块迭代计算完成桩
基础的线性化，海况条件为 “损伤中心” 海况条件；
模态分析 计算平台自由振动，得到平台的动力
特性，包括质量、振型、固有振动频率和 周期。
1. 静力分析
平台DAF计算
DAFspec
M 0 (dynamic) M 0 (static)
其中，M0(dynamic) 为动态基底剪力谱的零
阶矩；
M 0 (static) 为静态基底剪力谱的零 阶矩；短期海浪谱采用P-M谱
1. 静力分析
（3）波浪惯性力 惯性力
Fi
(inplace)
FID
3. 疲劳强度分析
（1）重要管节点的疲劳寿命 （2）构件变截面处的疲劳寿命
材料与焊接
防腐－涂装 导管架防腐主要是油漆(coating)、 牺牲阳极(sacrificial anode)和外加 电 流 阴 极 (impressed current cathodic protection)保护。油漆保 护应用于抗冰区、飞溅区和大气区， 阳极和阴极保护应用于水下结构。
海洋工程环境学02PPT课件
倾覆
浪 流
水质点运动 加
惯性力
载
速
度 附加质量
结构 破坏
37
输出 输入
摇摆
风、浪、流
结构物
响应
应力/疲劳
输出
38
断
裂
定常
上
风
层 建
脉动
筑Байду номын сангаас
疲
劳
39
写在最后
成功的基础在于好的学习习惯
The foundation of success lies in good habits
40
谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
高速艇
水翼船
气垫船
30
0.2 海洋结构物
水面船
工作船
工作艇 挖泥船 打桩船 混凝土搅拌船 敷管船铺缆船 起重船 消防船 破冰船
31
0.2 海洋结构物
水面船
供应船
运输船
保障船 救助船 供水供油船 海洋调查船
运油船 天然气船 破冰船
32
0.2 海洋结构物
水下装备船
深潜器 作业装备
推土机 开沟机 敷缆铺管机 维修设备
It'S An Honor To Walk With You All The Way
讲师：XXXXXX XX年XX月XX日
0.2 海洋结构物
海洋结构物
坐底式
浮动式
固定式
重力式 座底式 半潜式 船式
自升式 深潜式
1
0.2 海洋结构物
固定式
2
3
4
0.2 海洋结构物 重力式
5
6
0.2 海洋结构物
自升式
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第2章.海洋工程结构载荷
cos(k x t ) z 0
x v x ( x0 , z 0 , t )dt x0 A
0
t
cosh( z 0 h) sinh k h
sin( k x t ) x0
z v z ( x0 , z 0 , t )dt z 0 A
0
t
sinh( z 0 h) sinh k h
天津大学建筑工程学院船舶与海洋工程系
2.1 海洋工程结构载荷综述
海洋工程结构的环境荷载源自风、浪、流、地震等许多因素的作用。本章主要 讨论规则波、水流、风等载荷对海洋结构的作用，包括海洋环境的描述，载荷 的主要形式和机理，重点讨论波浪理论以及小尺度和大尺度构件波浪载荷的计 算问题。 （1）圆柱形结构的流体力 （2）大尺度结构流体力
v 激振力大小为： m g
m vt
2.2
海浪的确定性描述
描述波浪特性的时标尺度： （1）长时标：以小时、天、甚至更长的单位来度量，适合于描述波浪自然过程 的统计特性。 （2）短时标：以波浪的周期为代表的短时标以分或秒为单位来度量，适合于描 述表面波（包括瞬变波）的详细特性。 长时标与短时标的应用： （1）长时标用于描述波浪的随机特性或者称为统计特性，采用数字特征描述波 浪。 （2）短时标用于描述波浪的瞬时或时间域内的变化特性，相应的波浪理论可以 由数学解析式表出，故称为确定性描述。
2.2.1 波浪的流体动力基本方程及其边界条件 1、基本方程
在理想流体的假设下，应用势流理论描述水波问题。势流理论的表述： （1）速度势 满足Laplace方程：
( x, y, z; t ) 0
2
2
2 2
x
第4章 风
第四章风4.1 综述4. 1.1风的作用在地球的上空，大气循环流动，风无所不在，并随着四季的交替和不同的时日及所处高度等发生显著的变化，有着复杂的变化规律。
人类很早就懂得借助风力、使用风帆远航世界各地，并利用风力发电等造福人类。
风的作用不仅于此，此外，风使地球上空的各处空气得到交换，带来水汽、热量和动量的交换，对整个地球大气的运动产生影响，并通过海气界面影响海洋和产生海浪、大洋环流等。
但大风和风暴等也常给人类带来灾害，它的巨大能量具有极大的破坏力，所经之处，房屋、桥梁等各种结构物被毁或遭到损坏，典型的如美国华盛顿州的塔科马(Tacoma)愚索桥就在风的作用下发生扭曲振动而断裂倒塌，而发生在热带洋面上的台风每年都给沿海经过国家与地区以巨大经济损失和大量人员伤亡。
众所周知，风是大气显示能量的一种方式，风速越大，其作用越强。
对海洋中的工程结构物如船舶来说，风的作用会使它发生横摇与纵倾，过大的风倾力矩将会使它失去稳性而翻沉。
有些细长结构如桅杆等在强风风力的直接作用下会发生较大变形和大幅度振动，甚至失稳断裂而遭到破坏。
风载荷是海洋工程结构物的重要设计控制载荷，对结构物进行抗风设计是结构安全的重要保证。
此外，海洋在风的作用下还会产生海浪和海流，海浪是造成海洋工程结构破坏的主要载荷，恒定的海流也是海洋工程结构设计中必须考虑的环境载荷因素。
风是海浪形成的根本原因，风大浪也大，海浪的能量大小与风速大小紧密相关，尤其是热带气旋和寒潮大风形成的台风大浪和寒潮大浪，产生的浪高可达10多米，对航行船舶及海洋平台等海洋工程结构物是个巨大的威胁。
1966年4月12日，一艘意大利豪华邮轮在前往纽约途中遭遇到温带气旋产生的巨浪袭击，浪高达6. 1～7.6 m，强大的海浪作用力使邮轮上层建筑发生弯曲，使驾驶台下方的舱壁内陷，并造成3人死亡，12人受伤。
1979午11月29日，“渤海2号”平台在渤海受到寒潮大浪的袭击而沉没，70多人遇难。
《海洋工程环境载荷与水动力性能》课程教学大纲
方法。
第四章 定位系统与 6
立管系统
授课
熟悉定位系
统，掌握系泊
作业
系统静力分析
方法，了解相
*考核方式 (Grading)
*教材或参考资料 (Textbooks & Other
Materials)
其它 （More）
备注 （Notes）
第五章 浮式海洋平 8
台运动
授课
第六章
其他
2
考试+作业+考勤
授课
关物理概念。 了解立管系 统。 掌握浮式海洋 平台波浪诱导 运动的线性理 论，了解系泊 浮式大型海洋 作业 平台波浪慢漂 运动的物理概 念和分析方 法。 其他相关理论
课程性质 (Course Type)
专业选修课
授课对象 （Audience）
授课语言
(Language of Instruction) *开课院系 （School） 先修课程
（Prerequisite） 授课教师
（Instructor）
船舶与海洋工程、交通运输工程、港口航道与海岸工程及其相关专业
中文
*课程简介（Description）
The course is a professional elective course for undergraduates majoring in Naval Architecture and Ocean Engineering. It mainly introduces the theoretical foundation and analysis method of the environmental load and hydrodynamic performance of ocean engineering structure under the action of wind, wave and current. And expounded the application of these theories and methods in practical engineering. The main contents include marine environment, environmental load of ocean engineering structure, positioning system and riser system, motion of floating offshore platform, and the introduction to Vortex-Induced Vibration. Combined with exercises, introduces the application of the theoretical principle in a variety of marine
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0.2 海洋环境因素分析 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:
V 0.84 F
3 2
其中V 是风速（m/s）,F是风级
0.2 海洋环境因素分析
热带气旋在我国又称台风，在美洲通常称飓风。它是发生在热带海洋上的具 有很大破坏性的低压涡旋。 影响我国海域的台风发源地主要有两个区域：一个在菲律宾以东、关岛以西 洋面；另一个在南海中部海域。 全球每年平均大约有80个热带气旋发生，其中半数以上可以发展成台风，台 风集中发生在西北太平洋、孟加拉湾、东北太平洋、西北大西洋、阿拉伯海、 南印度洋、西南太平洋和澳大利亚西北海域等8个地区。西太平洋是全球热 带气旋发生最多的地区，约占全球总数的三分之一。热带气旋的多发地带集 中在5°～10°纬度带内，而南北半球纬度5°以内几乎没有热带气旋发生。
7
大气压强和大气运动
风速影响因素：气压梯度力、地转偏向力，离心力和摩擦力
的综合作用。
大气压强：大气在重力作用下产生的对地面的大气压力。 （1）地球各处的大气压力不同，形成大气压强场（气压场） （2）定义：单位面积上从某高度到大气上界的垂直空气柱的 重量，1Pa=1N/m2 （3）一个标准大气压：温度为0度时，位于纬度45的海平面 的气压，该值为1013.25hPa，或760mm汞柱。 （4）气压影响因素：纬度、温度、高度等。
失在赤道处。这就是为什么台风只能形成在5纬度以上的地区
，而通常不能形成于赤道附近。
地转偏向力 对其它物体的影响： 1、影响任何一个环绕地表的远距离运动。例如，在一战期间， 德军用他们引以自豪的射程为113千米的大炮轰击巴黎时，懊 恼地发现炮弹总是向右偏离目标。 2、对于近距离的运动，科里奥利力影响极小。从场地一边把
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 力的作用下，大气运动形成地转风，若附加弯曲运动的离心力就形 成梯度风。 （1）地转风：大气运动的水平梯度力与科氏力达到平衡状态时形 成的稳定空气水平运动。
0.2 海洋环境因素分析
世界上季风区域分布甚广．而东亚是世界最著名的季风区。 因此季风也是中国海洋气候的主要特征。由于大陆和海洋 热容量的不同，冬季在严寒的亚洲内陆形成高气压带，温 暖的海洋形成低压区，所以冬季盛行偏北风。而夏季正好 相反，高温的大陆内部形成低压区，凉爽的海洋上形成高 压区，故盛行南风。
地转偏向力 有关生活： 1. 水漩涡的形成 当向桶中注水时，水从注 水点向四周流动，北半球 在地转偏向力的作用下右 偏，漩涡呈逆时针方向旋 转。南半球则呈顺时针方 向旋转。
地转偏向力 有关生活：
2. 车辆和行人靠右行
A图为靠左行，北半球车辆在地转偏向力的作用下右偏， 都偏向道路中间，更容易与对面过来的车辆相撞，发生车 祸的频率会更高。B图为靠右行，北半球车辆在地转偏向 力的作用下右偏，都偏向路边，路边是司机开车注意力的 集中点，司机会不断调整方向来保证行车安全。
《海洋工程环境学》 －－风载荷
Environmental Mechanics of Ocean Engineering
弯矩 定常
风
脉动
上 层 建 筑 振动
断 裂
疲 劳
海洋结构物与环境因素的相互作用 海洋环境
风的特性
风载荷是海洋工程结构设计的重要控制载荷,抗风设计是结
构安全的重要保证，风对海浪、海流产生重要影响。 风的运动：风是大气中空气的运动，空气从气压高处流向气 压低处，即在气压梯度力的作用下产生运动。 风的形成：地球表面存在温度差异，大气空气的气压差使气 流发生流动而形成风，加上地球的自转运动就形成风带。 风载荷：随机性，通常用风速谱描述。细长、高耸结构可能 发生动力放大效应。 风速成分由10min长周期和几秒钟的短周期脉动风组成，因 此工程上平均风速----静力作用；脉动风----动力作用。
篮球抛到另一边的运动员，考虑科里奥利力的影响而需要调
整自己投球的偏移量为1.3厘米。当你拔掉盥洗池的橡皮塞时，
会发现有时水流并不是逆时针旋转流走的，因为科里奥利力
几乎没有足够的时间来影响水这样短距离的运动。
地转偏向力 价值应用： 定位风暴 19世纪比利时气象学家白贝罗应用科里奥利效应找出一条规 律，发现最近的风暴：在北半球，当你背风而立，风暴在你 的左侧；在南半球，则在你的右侧。
风向和风力强度
风力是个矢量，风速和风向两方面； 风速：气流前进的速度； 风向：风的来向，用16个方位表示(北, 东北偏北,东北,东北偏东,东…)。 风玫瑰图
风向和风力强度
2009-2010年度渤海辽东湾三个海域的风速、 风向监测结果
JZ20-2、9-3、25-1S海域风速、风向变化
风向总是随季节和时日发生着改变，对结构物受力有着 不同的影响，用风玫瑰图来描述方向特性。 风的玫瑰图又称为风向频率图或风况图，表示风在各个 方向的强弱和出现的次数。 基于玫瑰图可以确定常风向（统计中风速出现频率最多 的风向），强风（出现最大风速的方向） 风力强度：风的作用强度，用风级表示，按风速大小进 行分级；通常采用10m高处的风速大小表示。 风力等级从无风到超强台风，共有18级。
0.2 海洋环境因素分析
按世界气象组织的标准可划分为四类：
失在赤道处。这就是为什么台风只能形成在5纬度以上的地区
，而通常不能形成于赤道附近。
地转偏向力 对风的影响： 1、风在北半球向右转，在南半球向左转。此效应在极地处最 明显，在赤道处则消失。 2、如果没有地球的旋转，风将会从极地高压吹向赤道低压地 区。 3、科里奥利效应在极地最显著，向赤道方向逐渐减弱直到消
梯度风
大气运动模式 • 大气环流：是地球上最大规模的风系，它的形成是由于高低纬 间的大气存在温度差异而产生的流动。 •季风：是大规模盛行风向随冬、夏季节发生显著交替转换的风 系，其一般发生在沿海及其附近地区。冬季的海洋为低压热源， 大陆为高压冷源，导致地面大规模的盛行风从大陆吹向海洋。在 冬季，我国盛行西北季风和东北季风，气候干冷，少雨。大陆现 象，冬夏季节差异，时空尺度大。 •热带气旋：是发生在热带海域洋面上的低压气旋性旋涡，北半 球沿着逆时针方向旋转。 •台风：又称飓风、热带风暴、热带气旋 •海陆风：由海陆间温差引起的海陆向气流交替流向的小规模风 系，其与季风有差异，局地现象，昼夜差异。
大气压强和大气运动
气压梯度力
1、地表各处的大气压力分布不均匀，产生气压梯度力，推动
大气水平流动。 2、气压梯度力表示为：G=-▽p/ρ，方向与等压线垂直，由压 力高处指向压力低处。 3、大气大尺度运动就是垂向近似满足静力平衡，做水平方向 运动。 4、气压梯度力是推动大气运动的主要作用力。 5、相邻区域的气压值相差很大时，气压图上的等压线表现密
地转偏向力
有关生活：
3.机械设备顺时针旋转 电扇、电机、柴油机、水轮机等都是顺时针旋转。。 在北半球顺时针旋转，地转偏向力指向轴心，由于向心作用 ，使机械设备更耐用、更牢固。而逆时针旋转时地转偏向力 指向外，由于离心运动，机械设备易损坏，使用寿命缩短。
地转偏向力
有关生活： 4. 其它 台风北半球都是逆时针旋转，南半球顺时针旋转。 河流的右岸总是被冲刷的，而左岸经常有沙石堆积。 火车在行走时，右轨磨损得总是比左轨要厉害一点。
3
0.2 海洋环境因素分析
3
0.2 海洋环境因素分析
3
0.2 海洋环境因素分析
3
大气运动模式
风
• 大规模风系：纬度30º —东信风； 纬度30º ~60º —偏西风； 纬度60º 90º ~ —极地东风。 • 中规模风系：季风, 台风
• 小规模风系：海陆风，山谷风，龙卷风
3
0.2 海洋环境因素分析 • 中规模风系： 大范围地区的盛行风随季节而有显著改变的现象，称为 季风。季风在冬季由大陆吹向海洋，在夏季由海洋吹向大
变化。
4、北半球，在科氏力的作用下，北风变成东北风；南风变成 西南风。
大气压强和大气运动
北半球南半球Fra bibliotek大气压强和大气运动
地转偏向力 对风的影响： 1、风在北半球向右转，在南半球向左转。此效应在极地处最 明显，在赤道处则消失。 2、如果没有地球的旋转，风将会从极地高压吹向赤道低压地 区。 3、科里奥利效应在极地最显著，向赤道方向逐渐减弱直到消
R p Vgr R sin R sin n
2 2 2
低压中心 高压中心
R p Vgr R sin R sin n
2 2 2
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。
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大气压强和大气运动
地转偏向力
1、其作用效果与大气运动尺度成正比，在地球表面上做自由
运动的物体会发生运动方向偏离，但不改变其大小。 2、科氏力f=2mvωsinφ， ω是地球自转角速度，V是任一方 向的速度，在北半球指向运动的右方，南半球指向左方。 3、科氏力在大小上与物体运动的速度成正比，并随纬度发生
0.2 海洋环境因素分析 冬季是我国季风最强的季节。 冬季风起源地蒙古高原的偏北气 流，其频率高，风力强劲。 寒潮是巨大的高压冷气团南侵， 造成急剧降温，且伴有霜冻、大 风现象的天气过程。主要集中于 11月至次年2月。寒潮有效稳定 的路径，它们主要发源于北极， 途经西伯利亚，并在那里得到加 强，然后进入我国。 夏季的季风，其气流来源，一 是太平洋热带高压海洋气团，二 是印度赤道海洋气团。前者主要 控制东海，后者主要影响南海。