（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）平台桩腿坞外接长工艺相关力学问题研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着国内海洋平台建造种类和数量的增加，海洋平台在建造、总装过程中的安全性 越来越引起人们的重视。对于自升式钻井平台，其桩腿的连接有其特殊的安装工艺。目 前常用的安装工艺有：船台吊装法：深水安装工艺法：浅水安装工艺法。各种方法桩腿、 平台本体、桩靴( 沉淀) 的安装过程的危险性很高。国内外，不同船厂对这一过程采用 不同的连接工艺方法。每种工艺方法都有其独特之处，因此每种方法都有其独特的力学 特性。对于每种方法，分析这一过程外载荷作用平台时，平台各个构件的强度，平台整 体稳性( 能否倾覆) 是至关重要的 对于采用桩腿的浅水坞外接长工艺方法自升式钻井平台，整个桩腿接长过程，平台 处在非正常的作业工况。在这个过程中，当平台当安装桩腿的末段时，平台本体要在升 降装置的作用下升至1 6 0 米以上的高度，此时平台重心很高，平台处于一种特殊工况， 整个结构可以看成是质量集中在顶端的细长悬臂梁结构。当它受到风载荷，地震载荷作 用下，平台可能会发生较大幅度弯曲变形，动力振动响应，强度破坏甚至是倾覆等危险。 对平台桩腿坞外接长这一特殊过程的静力风载荷抗倾稳性，环境载荷( 风载、地震载荷) 动力响应等力学方面的问题进行分析研究是十分必要的。 本文以大连船舶重工有限责任公司设计建造的4 0 0 英尺自升式钻井平台2 0 0 0 为 工程依托，对该平台桩腿坞外接长安装工艺过程中的相关力学问题进行研究，模拟了作 用在平台上的静力和动力风载荷，建立抗倾稳性分析模型，分析了影响平台桩腿坞外连 接安装工艺过程中整体稳定性因素。并借助有限单元分析方法，建立j u 2 0 0 0 自升式钻 井平台的有限元模型，分析其不同工况下的动力特性。在模态分析的基础上，分别应用 时程分析法和随机振动分析方法研究平台在脉动风载荷作用下的动力响应以及风速、平 台高度等参数变化对平台动力响应的影响。最后分别采用反应谱法和随机振动法，完成 了地震载荷作用下平台动力响应研究，分析了平台在常遇地震下的抗震性能 关键词：自升式；坞外接长；风载荷；动力响应；随机振动；时程分析法；地震载荷； 有限元lj u 2 0 0 0 平台桩腿坞外接长工艺过程相关力学问题研究 s t u d y 0 1 1t h em e c h a n i c a lp r o b l e mi nt h ep r o g r e s so f j a c k - u p sl e g sc o n c a t e n a t i n go u to fd o c k a b s t r a c t b e c a u s eo ft h ei n c r e a s i n gc a t e g o r i e sa n da m o u n t so ft h eo c 七a l l - p l a t f o r m ，t h es e c u r i t yo f t h eo c e a n - p l a t f o r mh a sb e e nr e g a r d e dd u r i n gt h ep r o c e s so fb u i l d i n ga n df i x i n g e s p e c i a l l yf o r t h ej a c k u p ，t h el e g sh a v et h e i ro w ns p e c i a li n s t a l l i n gm e t h o d s n o w a d a y s ，t h ec o m m o n i n s t a l l i n gm e t h o & i n c l u d e s ：h o s t i n gc r a f ti nd o c k ；a s s e m b l a g ec r a f ti nd e e pw a t e r ；, a s s e m b l a g ec r a f ti nd e e pw a t e r t h ed a n g e r o u sl e v e lo ft h em e t h o & w h i c hl i s t e da b o v ei s v e r yh i g hd u r i n gt h ef i x i n gp r o c e s so ft h ep l a t f o r mb o d ya n dt h ep i l es h o e n om a t t e ri n o v e 稻e a so rd o m e s t i c ，d i f f e r e n tf a c t o r i e sa d o p tt h e i ro w nm e t h o df o rt h ef i x i n gp r o c e s s e a c h m e t h o & h a v et h e i ro w uf e a t u r e s ，t h e r e f o r et h em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i co fe a c hm e t h o d sa r e d i f f e r e n t f o re v e r ya p p o i n t e dm e t h o d ，n o tt h es t r e n g t ho fs e p a r a t ec o m p o n e n tb u tt h es m b i l i t y o ft h ew h o l eb o d ys h o u l db ec a l c u l a t e dt ot h er e s u l t so fr e s p o n s e so fs t r u c t u r ea c t e db y o u t 一1 0 a d i nt h ew h o l ep r o g r e s so fl e g sc o n c a t e n a t i n g , t h ej a c k - u pi so nau n n o r m a lw o r k c o n d i t i o n t h em a i nb a d yw i l lr i s eu pt o1 6 0m e t e rh i g hw h e nw e l d i n gt h el a s tl e gs u b s e c t i o n t h ew h o l es t r u c t u r ew i l lb et r e a t e d 鹞s l e n d e rc a n t i l e v e rt h a tt h em a s sa s s e m b l eu p t h e j a c k u pm a y b ec r e a t ew i d e - r a n g es t r a i n ，s y m p a t h e t i cv i b r a t i o n , a t r u c t u r a id a m a g ea n de v e n t u r n o v e rw h e ni ti so nt h el o a d i n go fw i n da n de a r t h q u a k e s oi ti sv e r yn e c e s s a r yt oa n a l y t h es t a b i l i t ya n dd y n a m i c a lr e s p o n s ei nt h i sp a r t i c u l a rw o r kc o n d i t i o n t h i sd i s s e r t a t i o ni sd e p o n d i n go nj u 2 0 0 0 ，o n et y p eo f j a c k - u pt h a t 锄w o r ko n4 0 0f e e t d e p t ho fw a t e ra n dm a n u f a c t u r e db yd a l i a ns h i p b u i l d i n gi n d n s t r yc o ，l t d s t u d y i n go nt h e m e c h a n i c a lp r o b l e mi nt h ep r o g r e s so fl e g sc o n c a t e n a t i n go u to fd o c k ；s i m u l a t i n gt h es t a t i c a l a n dd y n a m i c a ll o a d i n go nj a c k - u p ；s e t t i n gu ps t a b i l i t ya n a l y s i sm o d a la g a i n s to v e r t u r n i n g a n a l y s i n g t h ef a c t o rt h a t a f f e c t i n gt h es t a b i l i t y o fj a c k u pi nt h e p r o 孕c s so fl e g s c o n c a t e n a t i n go u to fd o c k ；u s i n gf i n i t e - e l e m e n tm e t h o dt os e tu pt h ef i n i t e - e l e m e n tm o d a lo f j u 2 0 0 0 ，a n a l y s i n g i t sd y n a m i c a lp r o p e r t yi nd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o n o nt h eb a s i co fm o d a l a n a l y s i s ；s t u d y i n gt h ed y n a m i c a lr e s p o n s eo fj a c k - u po nt h ep u l s a t i n gw i n dl o a d i n g ；u s i n g t h er e s p o n s es p e c t r u ma n dr a n d o mv i b r a t i o nm e t h o dt of i n i s ht h ed y n a m i c a lp r o p e r t ya n a l y s i s o nt h el o a d i n go fe a r t h q u a k e k e yw o r d s ：j a c k u p ；c r a f t ；w i n dl e a d i n g ；, s t a b i l i t y ；d y n a m i c a l ；f i n i t e - e l e m e n tm e 啦o d 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：宦：垒 导师签名：二兰三重垫 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 1 1 1 自升式钻井平台简介 第一座自升式钻井平台“德朗1 号”建于1 9 5 0 年，但蓟1 9 5 3 年成了一座永 久性的固定平台。第一座移动自升式钻井平台是1 9 5 4 年建的“滨海5 1 号”。1 9 5 4 年建的“嘎丝先生i 号”是提升甲板式的自升式钻井平刨1 1 。1 9 5 5 年建造的第一 座三腿式自升式钻井平台“天蝎号”，首次在桁架式桩腿上使用了齿条和齿轮升 降系统。1 9 5 6 年滨海公司的“5 4 号”钻井平台在在桁架式桩腿上使用液压升降 系统。1 9 5 7 年建的“嘎丝先生号”开始用液压升降系统的沉垫式装置。1 9 6 7 年建的“德莱塞i 号”开始具有自定位功能。到1 9 7 4 年移动自升式钻井平台就 能在1 0 5 米的水深作业。自升式钻井平台一般分为独立桩腿自升式和沉垫支承式 两种类型。 到2 0 0 2 年底，全世界共有3 9 7 座自升式钻井平台，其分布海域及具体情况 见表1 1 。从建造年代看，2 0 世纪5 0 - 6 0 年代建造的自升式钻井平台仍有9 座没 有报废。7 0 年代建造的有1 1 3 座，8 0 年代建造的有2 4 2 座平台，这二十年建造 自升式钻井平台的数量占目前总数的9 0 ，是自升式钻井平台建造的黄金时间。 在海洋钻井业中占主导地位。当然现在这些平台大都进行了升级改造。9 0 年代 建造了1 7 座自升式钻井平台。 表1 1 自升式平台世界分布情况 t a b1 1t h ed i s t r i b u t i o no f j a c k - u pi nt h ew o r l d 墨西哥湾西非 中东东南地中海、 加拿大西 北海 拉丁美洲亚、远东 海岸及其 澳大利亚 海域 东欧 作业 改造 停待 在建 9 2 4 3 4 3 2 0 6 韩国现代重工业公司正在制造世界上最大和最先进的超恶劣环境自升式钻 井平台。新平台的工作水深为1 4 7 6 m ，既可以进行常规水面完井，也可以钻海 底井。装各有联合防喷器管组，兼有水面和水下两种工作方式悬臂从船尾到井 口中心的距离为2 7 m ，到每侧的最大距离为9 7 5 m 甲板面积为1 4 9 0 2 m 2 。其它 特点为：两条管材装备线：脱机装配套管和油管：双泥浆循环系统，可以随时变 ， 一 1 一 坫 l 7 一 m 9 h 廿 弘 一 4 一 s 一 1 一 平台桩腿坞外接长工艺过程相关力学问题研究 换泥浆类型；装备全套泥浆净化设备；全部零排放设备超过所有己知的要求。预 计新设计的效率至少提高2 5 。 通常自升式钻井平台由于桩腿长度的限制，工作水深也不可能很深。从现有 资料可以看出，世界范围有3 1 座自升式钻井平台工作水深达到1 0 0 m 以上，其 它的工作水深基本上在1 0 0 m 以内，r o w a n 公司的c r p a l m e r 2 号自升式钻井 平台工作水深达1 6 8 m ，是目前自升式钻井平台世界之最。 自升式平台由一个驳形船体平台和数个可升降桩腿组成。可升降的桩腿能将 船体上升到海面一定的高度，并能支撑整个平台在海上作业。自升式平台既可以 升降船体，也可以升降桩腿。目的是为了在海上作业和迁航。 升降船和升降桩动作的完成，主要靠平台上的升降装置、动力系统、桩腿上 的升降结构以及固桩结构等整个升降系统共同完成的。自升式平台类型很多，可 按桩腿接地形式、桩腿结构形式、升降装置和平台用途进行分类。以下只按桩腿 结构形式分类 ( 1 ) 壳体桩腿自升式平台。它是封闭型桩腿，其桩腿截面有圆形和方形， 结构简单，刚性大，一般适用于水深6 0 m 以下的浅水海域。如工作水深再增大， 用壳体桩腿不经济，主要是波浪力随桩腿尺度增加大大增加，桩腿重量也增加。 但也有的壳体桩腿工作水深达到9 0 m 和1 1 5 m 。 ( 2 ) 桁架桩腿自升式平台。它是透空式桁架桩腿，其截面有三角形和正方 形的，由于透空，桩腿上的波浪力和海流力大大减少。在桩腿舷杆上带有齿条， 与齿轮齿条升降装置配合，桁架桩腿常用于深水海域作业。 1 1 2d l j 2 0 0 0 自升式钻井平台介绍 当工作水深1 0 0 m 以内时，自升式平台是一种主要的海洋石油钻探工具，其 平面图形多为三角式的甲板，一般有三条起升桩腿，少数四条桩腿。桩腿的形势 有封闭的圆柱式和桁架式两种，此外，部分自升式平台还带有沉垫或桩靴，以适 应海底地质松软和承压能力较差的海床。j u 2 0 0 0 是美国f r i e d e g o l d m a n l t d 设计的自升式钻井平台的一种船型，是目前世界上最先进的自升式钻井平台之 一。该钻井平台全部实现自动控制，钻井平台悬臂梁可以外伸7 5 英尺，钻台可 以左右移动1 5 英尺，平台一次定位能钻4 0 多口井，可以在全球范围内4 0 0 英尺 水深以内进行作业，能抵御百年一遇风暴，在零下2 0 度环境正常作业。钻井深 度可以达到3 0 0 0 0 英尺。钻井平台额定水深1 0 0 多米，可在1 2 2 米水深钻井作业， 桩腿为三角桁架式，共有三根桩腿。我国早在七十年代初就开始自升式平台的建 造和使用。最近，大连船舶重工有限公司建造完成了中国第一座世界最先进的， 工作于4 0 0 英尺水深的j u 2 0 0 0 型自升式钻井平台9 4 1 ，并将陆续建造第二，第 三座平台。第一座平台顺利完成，实现了我国先进自升式平台建造的一个突破。 2 大连理工大学硕士学位论文 1 1 3 自升式钻井平台桩腿总装建造工艺 自升式平台的总装，应包括平台模块的总装，沉垫的总装，以及模块和桩腿 的连接几部分。桩腿是自升式钻井平台最重要的部件之一，其建造精度要求高、 难度大，是整个平台建造的关键。桩腿建造的关键在于其焊接质量的控制和尺寸 精度的控制上，经过特别设计与考虑的胎架工装，对保证桩腿建造精度起到了关 键性作用。桩腿的总装是一个很特殊的工程问题，由于影响总装的客观条件很多， 所以要根据建在平台的自身特性( 如桩腿长度、有无沉垫) 以及建造工厂船台、 港口等条件，充分考虑总装。 由于自升式平台的桩腿一般在4 0 至1 6 0 米之间，很难采用整体吊装的方法， 所以，常规的方法是根据设计桩腿长短重量以及船厂自身的起重能力，把桩腿分 成若干个总段进行分段吊装，再进行连接的工艺方法。 方法一：船台吊装法。 这种方法是一种类似于船舶总装的常规总装工艺方法。但这种方法适用范围 小。仅适用于有专门建造海洋平台的大型船台( 或浮船坞) 以及较大吨位起重设 备的船厂。首先在船台上完成平台本体的建造和总装。然后在平台本体上安装升 降框架分段，将每个桩腿分成若干个总段( 根据起重能力) ，分别将各个桩腿的 第一个总段( 最下端的) ，吊上船台本体，经测试后，完成该总段与升降框架的 对接并插入升降框架。如果升降顺利，再将每个桩腿的其他总段吊上平台本体， 将平台本体升到第一个总段的上端，完成桩腿第一总段与第二总段的接长。然后 再降下工作平台，将每个桩腿第三总段吊上平台，升起工作平台完成桩腿接长。 重复以上过程，最终完成所有桩腿的接长。 由于此种方法是在专门船台或船坞总装，最大的优点是施工环境好，作业较 为安全能够很容易保证施工质量。这种方法的不足之处在于适用范围比较窄。首 先这种方法对于专用船台的要求使得大部分的船厂无法达到要求。其次，这种总 装方法要求桩腿不能太长。第一，桩腿太长，总段重量相应增加，限制了其中吨 位；第二，桩腿过长，平台通过升降装置沿桩腿上升至一定高度后，使整个平台 的重心大幅升高，这样式平台的稳性很难保证；第三，平台下水过程，由于几条 细长桩腿的存在，使得下水稳性难以保证。 方法二：深水安装工艺法 为了适应钻探的需要，自升式平台的工作水深近年来不断的增加，这样平台 桩腿的长度也随之增加、重量增大。这样船台吊装的方法已经无法完成对这种较 长较重桩腿的安装工艺，所以发展出了这种水上安装工艺。首先在船台上将船台 本体进行总装，然后将平台本体，桩靴( 沉垫) 、每个桩腿的第一个分段在船台 上进行对接，将安装好的这部分平台下水。平台下水后，将另一分段的桩腿吊装 上平台，进行桩腿分段对接。对接一段后使桩靴插入水中一段( 或沉垫下沉一次) ， 平台桩腿坞外接长工艺过程相关力学问题研究 从而使对接与水面距离适当，以满足吊车高度的要求，重复以上过程，直到完成 对接。( 如果水深不够可以选择将平台拖到深水区，利用大型浮吊进行对接) 这种安装工艺解决了平台桩腿过长、过重时无法船台对接的难题，解决了船 台对接工艺，平台下水稳性不足的问题。但是此种方法的起吊、对接、焊接、桩 腿升降等作业都是在托航到深水上进行，属于水上作业范围，增加了施工难度和 作业成本，施工质量难于保证。 考虑如上两种作业方法的优缺点，大连船舶重工有限公司在建造j u 2 0 0 0 自 升式钻井平台“海洋石油9 4 1 ”时采用了适合本船厂的独特桩腿接长工艺方法。 该平台每根桩腿总长度1 6 6 9 8 米，共分为7 个总段合拢，每个总段重约为2 0 0 吨。由于坞内吊车起吊高度的限制，桩腿安装分为两部分进行。前四个分段在坞 内进行安装，高度约9 9 米，安装时采用9 0 0 吨吊车进行。其他分段在平台出坞 后，在坞外合适的浅水区域进行水上桩腿接长。安装时采用2 0 0 吨以上海吊，吊 高越高越好，并且需要相应的工装。上部桩腿坞外接长将采用滑道架工装拖移的 方法，升船地点选择在大连造船新厂的七区码头附近。总体方案如下： ( 1 ) 平台调平、插桩、起升平台本体使平台高出水面的距离为0 5 米l 米之 间。 ( 2 1 使用浮吊将桩腿分段吊到滑道架上，并封固好。 ( 3 ) 起升平台至预定高度。 ( 4 1 将桩腿拖移到安装位置，对中，找j 下，定位。 ( 5 ) 进行焊接，然后进行焊缝检验及尺寸检验。 r 7 ) 降船至一定高度后，使用浮吊将桩腿分段吊到滑道架上。 ( 7 ) 重复以上步骤。 图i i 桩腿坞外安装示意图 f i 9 1 1s c h e m a t i c p l a n o f m s s e m b l i n g t h e l e go f j a c k - u p o u td o c k 1 2d u 2 0 0 0 自升式钻井平台安装过程危险性分析 由于j u 2 0 0 0 自升式钻井平台特殊的总装工艺方法，其在船厂实现总装过程 存在如下安全隐患1 2 】，需要在对其有足够的认识。 首先，对于采用桩腿的浅水坞外接长工艺方法自升式钻井平台，整个桩腿接 长过程，平台处在非正常的作业工况。在这个过程中，当平台当安装桩腿的末段 大连理工大学硕士学位论文 时，平台本体要在升降装置的作用下升至1 6 0 米以上的高度，此时平台重心很高， 平台处于一种特殊工况，整个结构可以看成是质量集中在顶端的细长悬臂梁结 构。这时平台受到静力风载荷的影响很大。如果平台插桩时出现小的偏差，使平 台具有初始倾角，平台很容易在风载荷下发生倾覆的危险，校核这一工况的稳性 是十分必要的 其次，由于风载荷具有脉动的性质，在脉动风载荷作用下平台会产生强迫振 动。这样的振动如果过大，会影响平台升降装置的工作，影响焊接精度，严重时 会造成桩腿局部应力过大而发成强度破坏的危险。所以必须进行风载荷振动响应 分析。 再次，地震载荷是影响高层建筑安全性的重要载荷，当平台本体升至平台顶 部时，受到轻微的环境载荷的影响都影响其安全性和安装精度。所以对平台安装 工况进行地震载荷分析也是十分必要的。 1 3 本文的主要工作 鉴于上文说所述平台安全性原因，b e n t 文对于自升式海洋平台的研究都具有 重要的意义。本文的主要工作如下： ( 1 ) 自升平台静力风载荷作用下的抗倾稳性研究 稳性是涉及安全的大问题，自升式平台稳性的计算必须计算平台在各种操作 状态况下的稳性。这些状态包括漂浮状态，着底( 站立) 状态。如平台在漂浮状 态丧失稳性，平台将倾覆与沉没，在着底状态丧失稳性意味着产生滑移、倾倒或 严重沉降。海上移动平台入级与建造规范有详细规定纠，但是对于海洋平台 建造过程中的站立状态稳性的计算研究很少，本文建立j u 2 0 0 0 平台桩腿连接工 况的静力分析模型，分析其在静力风载荷作用下的抗倾稳性问题。 ( 2 ) 建立j u 2 州3 0 空间有限元模型，分析其固有特性，探讨自升式钻井平台这 种结构形式的动力特性。 ( 3 ) 在分析自升式钻井平台固有特性基础上，应用a n s y s 的谱分析和瞬态 动力分析功能对其作脉动风载荷下的动力响应分析 ( 4 ) 自升式钻进平台地震载荷研究 大部分自升式钻进平台在设计之初都会进行抗震可靠性分析，但是这部分地 震反应分析都是针对自升式平台拖航至工作水域，并完成插桩后的钻井作业工况 进行的。国内很少有对总装过程中的自升式平台进行地震反应分析。由于自升式 钻井平台特殊的桩腿连接工艺方法，使得平台在这一建造过程的安全系数大大降 低。当平台本体升至顶端时是最危险工况。所以对这一过程的地震反应动力分析 是十分必要的。 5 平台桩腿坞外接长工艺过程相关力学问题研究 2 自升式钻井平台静力风载荷分析 2 1 风概述 2 1 1 基本风速和基本风压 根据风速，可以求风压。但是风速随高度的不同而不同，位置越高，风速越 大，而且不同的周围环境，风速亦有不同的因而风速随建筑物所在地区的地貌 而变化等等。为了比较不同地区的地貌、测量风速的高度等有所规定满规定地貌 和高度确定的风速或风压，称为基本风速或基本风压。因为风压对结构的受力分 析比较直接，因此基本风压在规范中比较普遍 基本风压的定义 ( 1 ) 标准高度的规定 风速随高度而变化。离地面愈近，由于地表摩擦能量消耗较大，因而风速比 较小；离地愈高，能量消耗逐渐减小，因而风速越来越大，因此必须规定一个标 准高度便于换算和比较。我国规范规定以海平面以上1 0 米高度为标准高度，这 样记录下来的风速或风压就是基本值1 4 】 ( 2 ) 地貌规定 地表越粗糙，如大城市中心，风能消耗越大，平均风速越低。粗糙度越低， 如海岸附近平均风速很高，空旷平坦地区次之，小城市又次之，大城市中心最低。 我国及世界上大多数国家规范中规定，基本风速或风压是按空旷平坦地貌而规定 的。见表2 1 。 ( 3 ) 平均风速的时距 平均风速的数值与时距的取值有关系。如果时距取的很短，例如3 秒钟，则 必定将记录的最大值附近的加大的数据突出反映在计算中，较低风速在平均风速 中的作用难以得到反映，因而平均风速值很高。如过去很成，例如1 天，则必定 将1 天中大量的小风平均进来，较高时距在该长时距中起不到显著作用，其值一 般偏低。风速纪录表明，阵风的卓越周期约为1 r a i n ，如果取若干个周期的平均 风速，则可反映记录数据中较大风速的实际作用。我国规范中以1 0 分钟作为取 值标准 ( 4 ) 最大风速样本 最大风速样本的取法影响着平均风速的数值。如果以日最大风速为样本，则 一年又3 6 5 个样本，平时低风速的日子的风速值占有很大的权，而最大风速那天 的风速值占l 3 6 5 的权，因而最大风速的重要性大大降低了，统计出来的平均风 速必将偏低。如果采用月最大风速，则每年最大风速在整个数列也只占1 1 2 的 权，也减低了最大风速所起的重要性，所得的结果也是偏低的对于工程结构应 6 大连理工大学硕士学位论文 给能承受一年中任何日子的极大风速，因此应取年最大风速为样本。最大风速有 它的自然周期，每年季节性地重复一次，因而采用年最大风速作为一个样本，较 为合适。世界各国基本上采用年最大风速做为统计样本。 表2 1 地面粗糙度值z t a b 2 1t h ev a l u e so ft h er o u g h n e s sl e n g t h 下底性质 ( 所) 海面。风速1 0 - - 1 5 m s 平滑水泥平地或冰面 深度大于2 0 c m 的积雪面 短草、天然雪面( 深度1 0 c m ) 新剖草地 裸露硬烟 耕地 植被覆盖4 - 5 c m 植被覆盖6 - 1 0 c m 植被覆盖l l - 2 0 c m 植被覆盖2 1 - 3 0 c m 植被覆盖6 0 7 0 c m 在2 米高处风速为6 2 m s 植被覆盖6 0 7 0 c m 在i 0 米高处风速为2 3 m $ 植被覆盖6 0 - - 7 0 c m ，在1 0 米高处风速为5 0 m s 植被覆盖6 0 - - 7 0 c m ，在1 0 米高处风速为8 7 m s 市镇( 或丛林平均1 0 m 高) 城市 ( 5 ) 最大风速重现期 一年最大风速做为样本，则各年的数据必然各不相同。我们不能取各年的最 大风速平均值作为设计的依据，因为大于该平均值的年数必然很多，而应取大于 平均值很多的某个数值来进行设计。该设计值选取的标准应该是：大于该值的设 计风速并不是经常出现的，而是间隔一定的时期后才出现的，这个间隔时期，称 为重现期。从概率意义上，该设计标准也可以理解为不超过该值的概率或保证率， 体现了结构的安全度标准。这样的结构重现期与不超过该值的保证率与有一定的 关系。 由于最大风速的样本以年最大风速为标准，因而重现期通常亦以年为单位。 ：一设重现期为t 。年，则1 厂r 。为超过设计最大风速的概率，因此不超过该设计最 ：大风速的概率或保证率最为： 1 晶- 1 一 ( 2 1 ) 7 l|l|l|翟麓篙篇慧等：2 平台桩腿坞外接长工艺过程相关力学问题研究 重现期愈长，保证率愈高。各国由于各自的标准不同，重现期的选择也各不 相同。我国载荷规范说明，对一般的结构，重现期为3 0 年，高层建筑和高耸结 构为5 0 年，对于特别重要的和有特殊要求的高层建筑和高耸结构，重现期取1 0 0 年 不同的重现期对平均风速的取值有着统计数字关系。如以3 0 年的重现期求 得值为1 ，则5 0 年约为1 1 ，1 0 0 年约为1 2 。 ( 6 ) 最大风速线型 为了求出设计的最大风速x ，必须确定重现期和保证率。由于涉及概率计算， 因而必须知道最大风速的统计曲线函数，即概率密度函数p ( x ) 和概率分布函数 p ( x ) 。这些曲线所表达的曲线型式，常称为线型。我国载荷规范早期采用皮尔逊 型曲线，现在已与世界大多数国家一样，采用极值l 型分布曲线( 又称耿贝尔 分布曲线) 来描述，极值i 型分布函数： p 1 ( 工) - e xp 一e xp 一口( 工一) ) ( 2 2 ) 耿贝尔利用概率计算方法求出的两个参数口和h 。由数学期望丘和根方差盯的 计算公式，得到 e x - fx p 鼍丝 ( 2 3 ) 盯2 - ，二( 毒一e x ) 2p ( 州x 一亭 由上式，并考虑到风速资料的离散，取点k 一彳，得： 石 11 2 8 2 5 5 口i - 声俨 6 盯 盯 ( 2 4 ) 卢- e x 一0 4 5 0 0 5 a - 茅一0 4 5 0 0 5 盯 并注意到p 。- ，( 工) 得到 x f + 妒口 妒一堑【o 5 7 7 2 2 + l n ( 一i np o ) 】 2 5 只要给定晶，由上式的第二式，即可求出保证系数妒，从而由第一式，根据i 和 盯，即可求出设计的风速。为了便于应用，已制成缈值计算用表2 2 表2 2 极值i 型耿贝尔曲线的保证系数妒值表 t a b 2 2t h ec o e f f i c i e n te x 仃e m u mid i b e l e rc y n 吧 b 大连理工大学硕士学位论文 2 1 2 非标准情况下风压和风速的换算 ( 1 ) 非标准高度的换算 即使在同一地区，高度不同，风速自然也不同。要知道不同高度的风速或风 压之间的关系，必须掌握他们高度变化的规律。 风速或风压延高度变化规律根据实测数据，最常见的模拟规律有两种即： 指数率 根据实测结果的分析，d a v e n p o r t 等提出，风沿高度变化的规律可以用指数 函数来描述 矿，z 、 百。【ij g 甸 式中矿、z 任意一点的平均风速和高度； 吒、乙标准高度处的平均风速和高度g a 为地面粗糙度( 指数规律) ，地面粗糙度程度愈大，a 愈大。 对数率 根据对北京双桥1 5 0 m 铁塔的观测，近地面的下部摩擦层比较符合对数规律 其表达式为： 詈一粤半l (27)l ，tg z ，一l g z o 式中z o 为风速等于0 的高度，随地面粗糙程度而变化，故亦称为地面粗糙度( 对 数律) 不同地貌下的z 。见下表2 3 表2 3 不同地貌的a 、z 0 以及h t 值 t a b 2 3t h ev a l u eo f a 、z oa n d 珥i n d i f f e r e n ts u 血f e a t u r e 我国现定的载荷规范把地面粗糙度分为四类，a 类指近海海面，海岛、海岸、 湖岸及沙漠地区，b 类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀少的中小城镇 及大城市郊区，c 类只有密集建筑群的大城市市区，d 类指有密集建筑群且有大 量高层建筑的大城市市区。a 及以值取值如表2 3 所示。由于基本风速或风压对 应于b 类地貌，因而a 取o 1 6 值，将a = 0 1 6 代入式2 7 即可求出a 米高度为标 准高度时的基本风压换算系数值表2 4 9 平台桩腿坞外接长工艺过程相关力学问题研究 表2 4 基本风压换算系数值袭 t a b 2 4t h em a t r i x i n gc o e f f i c i e n to fb a s i cw i n dp r e s s u r e 2 2 风对结构作用的力学性质 2 2 1 风速风压关系 风是空气从气压高处向气压低处流动而形成的。风速的大小用蒲氏风级来表 示，从0 至1 7 共分为1 8 个等级。其中7 级和7 级以上的风力才能对生活和工程 结构造成不便和威胁，直至结构坍塌。为了便于结构设计计算，常常将风速转换 为风压来表示风力的大小。 当速度v 的一定截面的气流冲击面积较大的结构物时，由于受阻塞，形成高 压气幕，使气流外围部分改向，冲击面扩大，因此结构物承受的压力不均匀。以 中心一束空气所产生的压力强度最大，称为风压w ，如果气流原先的压力强度为 嵋，在冲击结构物的瞬间，速度逐渐减小。当中心一束空气的速度消失等于零 时，产生的最大压力为，则结构物所受气流净压力为一，即为所求得风 压w 。 根据伯努利方程： w t 一一去p v 2 ( r ) + c ( 2 8 ) 式中p 为空气密度当v ( x ) - 0 ，则m - ，代入上式得c - 。当 v ( 力一v ，m w b 则上式变成： 一一 2 + ( 2 9 ) w 。屹忱三2 三上y 2 ( 2 1 0 ) w 。j 。i ；旷 2 其中y 为空气重度。上式为普遍应用的风速风压关系式 2 ，2 2 作用在结构上的平均风压 由前面所述可求出风速风压关系和设计最大风速，但它只是空旷平坦地面处 离地1 0 m 高度某一极小面积上的风压。由于实际结构受风面积一般很大，体型 又各不相同，因而风压在其上的分布并不均匀且各有差异，通常在面积加大情况 下，主要取决于结构的体型。同时风的作用点的高度和结构所处的地貌不同，也 影响着风速风压值。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 由于结构的体型不同，风压分不的不均匀性各有差别。通常通过风洞试验来 求得各个区域的平均体型系数。 由于风的作用点离地位置的不同，其风速或风压自然同离地l o m 高处的基 本风速或风压值不同，因而必须研究风速或风压沿高度变化的规律，通过沿高度 变化系数来求得不同高度处的风速或风压根据对结构风速或风压的分布的，求 出结构上任意处的平均风速值。 ( 1 ) 风载体型系数 基本风压系根据一般空旷平坦地面、离地l o m 高，统计所得到的重现期为5 0 年的1 0 分钟平均风速为标准，并未考虑建筑物体型的影响。不同的建筑物的体 型，在同样的风速条件下，平均风压在建筑物上的分布是不同的。 表2 5 圆截面体型及体型系数 t a b 2 5t h eb o d yt y p ec i i c i ec “塔争酬叨c o e f 五c i e n t 硼粤 局部计算时表面分布的体型系致以 ， 要了解各建筑物表面风压力的大小和分布，主要通过实验研究来确定这种 研究有两种途径：一是建筑物做成一定尺度的模型，置于特制的风道( 风洞) 中 进行试验，利用测压孔方法测定模型表面的压力分布。风洞的气流可以改变，模 1 1 平台桩腿坞外接长工艺过程相关力学问题研究 型也可以转动方位，从而得到不同风速、不同条件下的表面压力分布。另一种是 在实际的建筑物上测定表面压力。所得的是某次强风作用下的结梨扪。风洞实验 是目前比较常用的方法。根据大量的风洞实验，可以获得各种模型的体型系数， 从而定出实用上所需要的体系数值。圆截面体型系数的值见表2 5 ( 2 ) 风压高度变化系数 平均风速沿高度的变化规律常称为平均风速梯度，也常称为风剖面，它是风 的重要特征之一。由于地表摩擦的结果，使接近地表的风速随着离地面高度的减 小而降低。只有离地3 0 0 ，5 0 0 m 以上的地方，风才不受地表的影响，能够在气压 梯度的作用下自由流动，从而达到所谓的梯度速度，出现这种速度的高度叫做梯 度风高度。梯度风高度以下的近地表层也成为摩擦层。地表粗糙度不同，近地面 层风速变化的快慢也不相同。根据实测结果的分析，d a v e n p o r t 等提出平均风速 沿高度变化的规律可用指数函数来描述，见式( 2 6 ) 。指数规律在地面粗糙度影 响减弱的上部摩擦层是较为合适的，对于近地面的下部摩擦层，根据资料分析， 比较适合于对数规律，其一般表达式见式( 2 7 ) 。其中z o 一般略大于地面有效障 碍物高度的1 1 0 。它也常常从式( 2 7 ) 推算出来，即： l gz 一二l gz 。 l gzo 兰j _ 一 ( 2 1 1 ) 1 一兰 ，j 因为风压与风速的平方成正比，因而风压高度的变化规律是风速的平方。设 任意高度处的风压与1 0 m 高度处的风压之比为风压高度变化系数，对于任意地 貌，前者用w o 来表示，后者用k 来表示：对于空旷平坦地区的地貌，w o 改为w 、 w k 改用来表示。则真实的风压高度变化系数应为： 心( z ) 。w o 。詈。0 2 。嚆) 2 。岳尸 c 2 舵， 由上式可求得任意地貌z 高度处的风压为： w - p ：。( z ) w o 一( f - ) 2 4 ，o 。 ( 2 1 3 ) 对于空旷平坦地面，上式变为： w 一。( z ) xw o - ( i i ) 2 4 w o ( 2 1 4 ) 为了求出任意地貌下的风压必须求得该地区1 0 m 高度处的风压m k ， 该值可根据该地区的实测资料按概率统计法则而求得。但是由于目前我国除了空 旷地区设置了气象站，并有较多的风速资料外，其他地貌下的风实测资料甚少， 所求地区的风压应通过该地区附近的空旷平坦地区的气象台站的风速资料加以 大连理工大学硕士学位论文 换算而求得。 设基本风压的换算系数为以。，即w o 。= 风。x w o ，因为梯度风高度以上的风 速不受地貌的影响，因而可以根据梯度风高度来确定以。对于一般空旷平坦地 区，a 可取o 1 4 加1 7 ，梯度风高度常在3 5 0 m 左右。载荷规范建议a 取o 1 6 ，梯 度风高度去3 5 0 m 。设其他地貌地区的梯度风高度日，由梯度高度以上的各类 地貌风速或风压均相等为条件。 按( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 两式得到： 静2 k 铲 旺 a = ( 3 5 ) 。”( 音) 4 42 即得任意地区的l o m 高度处的风压w 0 。，带入( 2 1 3 ) 式即得到任意高度处的风 压w o 为： w 。= 硝咖一。= ( 斋尸( 3 5 ) 0 3 2 ( 告) 也w 。 ( 2 1 6 ) 如果对于任意地貌情况下的结果物，均以空旷平坦地区的基本风压为基 础，则此时的风压高度变化系数以( z ) 可写成 鹏) = 如( 机。= ( 扩( 3 5 ) 03 2 ( 告) 咖= ( 豪广( 3 5 ) o 3 2 表2 6 风压高度变化系数雎( z ) t a b 2 6 v a r i a b l e p a r a m e t e r o f w i n dp r e s s u r ea s t h e h i g h tr a s i n g ( 2 1 7 ) 由载荷规范( 2 0 0 1 稿) 建议，地貌按地面粗糙度分为a 、b 、c 、d 四类。 对应于这四类地貌，a 值分别取o 1 2 、0 1 6 、0 2 2 、0 3 0 。由此四个a 值带入式( 2 1 7 ) ， 平台桩腿坞外接长工艺过程相关力学问题研究 既可求得四类地貌的风压高度变化系数，如表2 6 所示。 由于建筑物体型、风载荷作用点等的不同，作用在结构上的任意处的平均风 压或风载荷呱2 ) 应与体形系数、风压高度变化系数等有关。因此，作用于建筑 物表面任意一高度z 出的风压w ( z ) 为： w ( z ) = ，( z ) ：( z ) w o ( 2 1 8 ) 上式为载荷规范中未考虑脉动风压引起的风振影响的平均风压计算公式。式中 ：基本风压，单位k n m 2 ，因地而异；。：风载体型系数，与建筑的体型有 关；从：风压高度变化系数见表2 6 。 在具体应用上式时，由于建筑物表面的风压( 1 “v m 2 ) 均不相同，计算常 感不便，因而实用上常将建筑物沿高度选择若干主要点( 例如最高点，结构构造 变化点等) ，然后计算风载荷i ( z ) ，并假定在分段中线之间区域，基本点与上下 临近两点之间的区域，均采用该点的计算风载荷。如果遇到变化点间隔太大，可 在构造变化点之间取若干点计算，其精度常有计算者按工程重要程度、风载荷在 计算中的比重等等而定。 2 3 自升式钻井平台在风载荷作用下的倾覆稳定性计算方法 高1 0 0 米以上的高层钢结构在高空强大的风力作