11.海洋工程环境学 作用在结构物上的环境载荷

z z0

3.1 作用在结构物上的风载荷
风载荷计算高度影响系数Ch
3.1 作用在结构物上的风载荷
CCS规范关于风力计算的推荐做法：
（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，可近似地取每侧满实投影积的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。
3.1 作用在结构物上的风载荷
由于风引起的力 ：
风力分为与风速方向一致的拖 曳力FD和垂直于风向的升力FL
FD

1 2
CD V
2S
FL

1 2
CL V
2S
CD：阻力系数 CL：升力系数
工程中阻力系数和升力系数由模型实验或数值模拟得到。
3.1 作用在结构物上的风载荷
不同形式结构上的风力
1. 钻塔和起重设备－小直径杆件组成：流态由雷诺数决定， 阻力项为主要成分，可能发生漩涡释放。
2. 驾驶室，居住舱－大尺度矩形表面：气流发生分离，产生 漩涡和尾流。采用迎风平面的阻力系数计算风力。
3. 直升机平台－大型平面：产生升力，漩涡引起结构颤动。
3.1 作用在结构物上的风载荷
风况资料计算
对于海洋工程建筑物设计中所需要的风况资料，应尽 可能利用所在海域或邻近测站的风速实测资料，并 对其作系统的统计分析。分析的步骤为： (1)收集并检查所在海域(或邻近测站)的风况资料； (2)对所收集资料进行合理筛选、修正和相关分析， 以适应设计工作的需要； (3)风向频率统计和风速频率统计； (4)多年风速资料分析，年最大风速的长期分布； (5)按有关设计规程确定风速的设计值。
fx

1 2
Cd DVx2
式中：D为桩柱直径，Vx为流速，Cd为相当于迎流面积的阻
力系数， 为水密度。
阻力系数：
Cd

f

Re
VxD ,

k D
3.3 作用在结构物上的流荷载
3.3 作用在结构物上的流荷载
• 横向力：脉动
fy

fl

1 2
Cl DVx2 sin(2
fst)
式中：卡门涡街释放频率
fs

S
Vx D
VxTs 5D
S 为Strouhal数。由下图可见，通常 S 0.2 。
在一个卡门涡街释放周期内水流流过5倍的圆柱直径的距离。
3.3 作用在结构物上的流荷载
3.3 作用在结构物上的流荷载
3.3 作用在结构物上的流荷载
3.3 作用在结构物上的流荷载
3.1 作用在结构物上的风载荷
中国船级社规定： 正常作业状态设计风速不小于：36m/s(70kn) 自存状态设计风速不小于：51.5m/s(100kn) 在遮蔽海区设计风速不小于：26m/s(50kn)
3.1 作用在结构物上的风载荷
CCS风载荷计算法
构件上的风力F计算公式： F Ch Cs S P
P1

1 2
V
2

P0
式中V为风速。则基本风压公式为
P

P0

P1

1 2
V
2
如果取标准大气压，气温为15’C时干空气密度为1.2255kg/m3
P 1 V 2 1.2255 V 2 0.613V 2
2
2
3.1 作用在结构物上的风载荷
风载荷计算高度影响系数Ch
n
Uz U0


3.4 作用在固定平台上的地震载荷
地震惯性力可根据平台的质量分布计算，一般将平台简 化为单质点体系或多质点体系进行计算。
3.1 作用在结构物上的风载荷 风力的统计结果
风玫瑰图
3.1 作用在结构物上的风载荷
3.1 作用在结构物上的风载荷
风速的时距换算 我国现有风速资料大都属于
以下两种情况；即定时2min平 均风速或10min平均风速。由 于时距不同，得到的最大风速 也不同。
根据费伯和贝尔1962年统计， 1min平均风速和10min平均风速之间的系数为1.17。根据朱瑞兆 对我国大部分地区资料计算的结果
lWiener - Khintchine定理 l 线性变换系统
l实用海浪谱和方向谱形式
海浪统计特征的长期分布律 l有义波高的概率密度函数 lWeibull函数三参数的确定 l采样方法
设计波 l设计波参数的确定 l设计波遭遇概率的确定
复习 线性波理论
线性波作用下的流场参数
速度势函数


gH
2
ch ks chkd
规范规定风压计算公式： P 0.613V 2
S：受风构件的正投影面积 Ch：暴露在风中的构件的高度系数，其值可根 据构件几何心距离设计水面的高度查表得到。 Cs：暴露在风中的构件的形状系数，根据构件 形状查表取得或根据风洞实验得到。如球形的 取0.4
3.1 作用在结构物上的风载荷
风压计算
根据伯努利方程，空气中某静止点的压力P0和运 动点的压力P的关系为：
3.1 作用在结构物上的风载荷
脉动风压的动力效应
结构的高度大于其宽度的5倍以上，自振周期长 于0.5s，结构对动力相应比较敏感，就需要考虑 风载荷动力相应，即在计算中考虑加入风振系数：
P(t) Pc
F PcChCsV 2S
风振系数 :查表得到，是结构自振周期的函数
结构基本自振周期(s) 0.5 1.0 1.5 2.0 3.5 5.0
平台的载荷主要为惯性力和动水压力。根据规范给定的地震 响应谱计算。
右图为我国工业与民用 建筑抗震设计规范中提 出的地震响应谱。三类 场地土情况下不同结构 自振周期T对应的动力 放大系数β 曲线
地震响应谱中“场地土”系指平台所在地土层情况，可分三 类: I类场地土：微风化和中等风化的基岩; II类场地土：除I、III类场地土外的一般稳定土; III类场地土：饱和松散的砂类土，软塑和极软状态的粘性土、
2. 流冰。自由漂浮流动的冰块，冲击平台产生的冲击力。
3. 冰层膨胀。冬季气温急剧变化的情况下，整体冰盖层由于 温度变化引起的冰体膨胀（冰密度变化）而产生的对平台 的挤压的膨胀力。
4. 附连冰的拖曳力。平台四周海冰因温度下降而结成一体附 连在平台上，冰体由于潮流和风力作用而移动产生对平台 的拖曳力。由于水位的波动还会产生垂直的作用力（附连 冰的重力和浮力）。
海上平台地震载荷可按我国《海上固定平台入级与建造 规范》规定计算: 地震载荷计算中的设计烈度一般采用所在海 域的基本烈度。设计烈度在6度以下时可不进行地展载荷计算; 设计烈度高于9度的地震载荷应专门研究确定。对次生灾害严 重的平台和特殊重要的平台，可将基本烈度提高1度作为设计 烈度.
3.4 作用在固定平台上的地震载荷
sin


H
kT
ch ks shkd
sin
其中
s z d k x Ct kx t
水质点水平速度 水质点垂直速度
u

x

H
T
ch ks shkd
cos
w

z

H
T
sh ks shkd
sin
水质点水平加速度 水质点垂直加速度
其它载荷 冰
地震
3. 作用在结构物上的环境载荷
CCS海上移动平台规范对环境载荷计算的要求：
2.1.2.1 环境载荷系指直接或间接由环境作用引起的载荷，包括由
环境载荷引起的所有外力，如系泊力、运动惯性力、液舱晃荡力 等。 环境载荷一般由下列载荷组成： （1） 风载荷； （2） 波浪载荷； （3） 海流载荷。 如果业主/ 设计者认为需要， 则地震、 海床承载能力、温度、污 底、冰 / 雪等对载荷的影响也应考虑。
海洋工程环境学
h
DYNAMICS OF OCEAN ENVIRONMENT
1.5 复习
1. 随机波浪分析计算
短期统计特性
长期统计特性
波浪运动的平均特征
l子样
l平均值
l均方根值 l有义值
波高的概率特征
l 波浪运动的随机特征
l 波浪运动的概率密度函数 波浪运动的能量分布特征
l 能量谱密度概念
l 自相关函数定义
n1
• 波面形状：
5
k n cosn
n1
• 波速：
C2 C02 1 2C1 4C2
其中 C02 g k th kd
1
3. 作用在结构物上的环境载荷
流体作用载荷
风
速
阻力
度 阻尼力 荷 定常
浪
流体质点运动 加
惯性力
载
流
速 度 附加质量
脉动
2.1.2.2 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。
2.1.2.3 环境载荷除按本章给出的方法外，还可采用其他公认的方
法进行计算，必要时应通过数学模拟计算或物理模型试验来确定。
2.1.2.4 在操作手册中应注明每种工况的设计限制条件。
4. Keefe 8. Vickery et al. 12. Schmidt 16. Weaver 20. Schmidt
3.3 作用在结构物上的流荷载
3.4 作用在固定平台上的地震载荷
地震发生时地面作往复运动，结构物产生强迫振动，地 震载荷与其它环境载荷明显不同之处在于它不直接作用在结 构物上，而是由地震引起的结构物基础运动随之产生的。
u t

2 2H
T2
ch ks shkd
sin

ww tt
22T2T2H22Hsshhsshhkkdskkds
cocsos
2.5 非线性波理论
2) Stokes五阶波的计算 • 速度势函数：
z d kx t
k
C

5
nch nkssin n
1. Phillips 5. Gerrard 9. McGregor 13. Jordan et al. 17. Goldman
2. Schwabe 6. Bingham et al. 10. Humphreys 14. Macovsky 18. Bublitz
3. Bishop et al. 7. Macovsky 11. Fung 15. Dawson et al. 19. Warren
3.2 作用在结构物上的冰载荷
2. 流冰对桩柱的挤压力
T动

1 2
mV 2
T功＝
x 0
P(
x)dx
T动＝T功
xm ax
Pm ax P( xm ax)
3.3 作用在结构物上的流荷载
流对结Leabharlann Baidu的荷载
1. 拖曳力 2. 对波浪的影响 3. 兴波阻力 4. 横向力
3.3 作用在结构物上的流荷载
1 均匀流诱导荷载
风振系数
1.45 1.55 1.62 1.65 1.70 1.75
3.1 作用在结构物上的风载荷
脉动风谱
根据对风的大量实测记录样本时程曲线分析可知，若 将平均风部分除去，脉动风速本身可用具有零均值的高 斯平稳随机过程来模拟，且具有明显的各态历经性。其
统计特性可用功率谱密度函数来描述：
Davenport根据世界上不同地点、不同高度测得的90多次 强风记录，在 1961年提出了谱密度不随高度而变的纵向 脉动风速谱，其表达式为：
3.2 作用在结构物上的冰载荷
冰载荷
1. 大面积冰原挤压孤立垂直桩柱所产生的冰载荷P P＝mK1K2Rcbh (kN)
m：桩柱的形状系数，对于圆柱采用0.9 K1：局部挤压系数(2.5~3.0) K2: 接触系数（0.3~0.45） Rc:冰块试样的极限抗压强度（kN/m2，渤黄海取1470）
b:桩柱宽度或直径(m) h:冰层的计算厚度（国家主管部门提供实测资料） 辽东湾1m，渤海湾0.8m,莱州湾0.7m，黄海北部0.8m
V10为10米高处的风速，K为与地面粗糙度有关的系数
3.1 作用在结构物上的风载荷 脉动风谱
3.1 作用在结构物上的风载荷 脉动风谱
3.2 作用在结构物上的冰载荷
冰载荷的主要形式
1. 挤压力。 整个海面处于冰层覆盖状态。在潮流和风的作用 下，大面积冰原呈整体移动，挤压平台。如果平台能够承 受，冰原被桩腿切入或割裂。
物理模型：圆柱(桩柱)：直径D，一端垂直刚性固定在海底，
另一端露出水面； 水域：刚性海底平行静止表面，水深 d,
均匀流速 Vx.
坐标系：xoz: ox 在静止水面，沿流方向； oz 垂直静止水面向上。
？ 求解问题：水流作用在单位长度圆柱上的水平力和横向力
3.3 作用在结构物上的流荷载
• 水平力：