海洋平台结构设计课件第二章 设计荷载

第二章设计荷载

第一节设计荷载分类

按建造、安装和使用期间海洋平台所经受荷载的性质对作用于海洋平台上的荷载进行分类。设计荷载使用荷载

施工荷载

环境荷载固定荷载活动荷载吊装力装船力运输力下水力和扶正力地基的反作用力第二章设计荷载一、使用荷载定义：平台在使用期间，除环境荷载以外的各种荷载。一、使用荷载定义：平台在使用期间，除环境荷载以外的各种荷载。

使用荷载活动荷载可变荷载动力荷载结构自重固定荷载防腐阳极块重量附属结构重量机械设备重量管道重量容器重量作用在平台水下部分的浮力结构在空气中的重量

使用荷载活动荷载可变荷载动力荷载结构自重固定荷载防腐阳极块可变荷载：荷载的大小或位置随时间缓慢变化的荷载，一般按静荷载处理。动力荷载：随时间而变化具有显著的动力性质的荷载，包括循环荷载、冲击荷载及事故荷载。通常把动荷载乘以一个动力放大系数，把动荷载转化为等效静荷载。

对使用荷载进行分类主要在于为构件的强度和稳定设计提供最危险的荷载组合。设计时使用荷载主要包括：甲板荷载、直升飞机着降荷载、船舶停靠平台时的停靠荷载。可变荷载：荷载的大小或位置随时间缓慢变化的荷载，一般按静荷载1.甲板荷载

（1）甲板荷载主要取决于布置在甲板上的工艺设备、机械设备、生活和生产设施，以及其他的备用品和补给品（2）根据工艺布置绘制甲板荷载分布图，明确相应作业工况下甲板上各部分的最大均布荷载和集中荷载值

甲板上均布荷载住所、走道≥4kN/m2工作区≥8kN/m2生产储存区≥14kN/m21.甲板荷载（1）甲板荷载主要取决于布置在甲板上的工艺2.直升飞机着降荷载

（1）直升飞机着降通常以制造厂家提供的数据作为设计依据

（2）直升飞机降落荷载约为其最大起飞重量的2～3倍（3）《海上固定平台入级与建造规范》规定：直升飞机降落时的冲击荷载不得小于直升飞机最大起飞重量的3倍

冲击荷载2.直升飞机着降荷载（1）直升飞机着降通常以制造厂家提河海大学港口海岸与近海工程学院河海大学港口海岸与近海工程学院73.船舶停靠荷载船舶停靠荷载系缆力挤靠力撞击力由于风和流的作用，通过系船缆作用在平台上的力由于风和流的作用，使停靠在码头的船舶直接作用在平台上的力船舶靠岸或在波浪作用下撞击平台时产生的力河海大学港口海岸与近海工程学院河海大学港口海岸与近海（1）系缆力1)风产生的系缆力F

（当风向垂直于船舶纵轴时）（当风向垂直于船舶纵轴时）Kn

——各系船柱受力不均匀系数F0

——作用于船体上的风压力K

——

船舶的风载体型系数p——

风压强度A

——船舶的空载横向受风面积n

——风向垂直船舶纵轴时，实际受力的系船柱最少数目n1——

风向平行船舶纵轴时，实际受力的系船柱最少数目ɑ

——

系船缆的水平投影与平台靠船装置前沿线的夹角β

——

系船缆与水平面的夹角（1）系缆力1)风产生的系缆力F（当风向垂直于船舶纵轴时）

2）海流作用产生的系缆力F

船舶系泊于平台时，作用于船体上的水流力包括形状阻力和表面摩擦阻力。K

——绕流系数u——海流速度A

——水线以下船体侧面投影面积L

——最大船长ht——

平均吃水深度γ

——

海流流向与船舶纵轴的夹角a.作用于船体水下部分的形状阻力FD：2）海流作用产生的系缆力F船舶系泊于平台时，作用于船体上K

——绕流系数u——海流速度Á

——船体浸水部分表面积L

——船长B——

船宽ht——

船舶吃水Cb——

方形系数b.作用于船体表面的摩擦力Fm：b.作用于船体表面的摩擦力Fm：将海流对船舶的作用力F分解：垂直于船舶纵轴的力F：平行于船舶纵轴的力FT：垂直于船舶纵轴的力FN：平行于船舶纵轴的力F：将海流对船舶的作用力F分解：垂直于船舶纵轴的力F：平行于船舶3）波浪作用下的系缆力F

波浪作用对系缆力的影响较大，它与波浪要素、船舶动力特性有关。H

——波高F0

——作用于船体上的风压力θ

——

船舶仰俯角L——

最大船长用布赖恩公式对其值进行初步估计：3）波浪作用下的系缆力F波浪作用对系缆力的影响较大，它与波浪（2）挤靠力定义：停靠在平台的船舶受风、流或冰的作用，通过防冲设施传递给靠船结构物且方向指向结构物的作用力。

当风向垂直于船舶纵轴时的挤靠力Fj：（防护设施间断布置）Kj

——

挤靠力分布不均匀系数，取为1.1F0

——

作用于船体上的风压力

——

船舶直线段与码头接触的长度n

——

与船舶接触的防护设施数目

——

各接触点挤靠力分布不均匀系数，取为1.3（防护设施连续布置）（2）挤靠力定义：停靠在平台的船舶受风、流或冰的作用，通过防（3）撞击力

1）船舶靠泊时的撞击力计算

Cd——

有效动能系数Cs

——

船壳变形系数，一般取为0.9Cm

——

附加质量系数Ce

——

偏心率，即考虑船舶回转而对船舶能量的折减系数r

——

船舶回转半径L

——

船长a——

船舶重心与撞击接触点之间的距离C1

——

平台的变形系数C2

——

防冲设施的变形系数C3

——

船体的变形系数有效动能：引起船舶、平台及防冲设施变形的能量。（3）撞击力1）船舶靠泊时的撞击力计算有效动能：引起船舶、

2）系泊时波浪作用引起的撞击力计算

H

——

船舶停靠时，最大波高T

——

船舶停靠时，波浪的最大周期Δ

——

可能停靠于平台的船舶满载排水量g

——

重力加速度求解撞击力的关键是确定波浪作用下船舶撞击结构物的法向速度un。法国平台设计规范推荐的计算船舶最大撞击力的公式：2）系泊时波浪作用引起的撞击力计算求解撞击力的关键是确定波二、施工荷载定义：平台在施工期间所受到的荷载；它是发生在建造、装船、运输、下水和安装等阶段的暂时性荷载。二、施工荷载定义：平台在施工期间所受到的荷载；它是发生在建造1.吊装力

确定吊装力时，应考虑作用于结构上的力的特性。（1）为补偿可能发生在吊点上的任何侧向荷载，应加上与静吊索荷载同时作用的大小为5%的静吊索荷载的水平力（2）应考虑重物由于运动而产生的动力荷载和其它因素引起的额外荷载

（3）对吊点构件设计，应取荷载系数去乘所得到的静荷载

吊装力荷载系数开敞无掩护海区吊点2直接与吊点连接的构件1.35传递提升力的构件近岸有掩护海区吊点1.5直接与吊点连接的构件1.15传递提升力的构件1.吊装力确定吊装力时，应考虑作用于结构上的2.装船力

装船包括吊装装船和滑移装船。（1）吊装装船：将结构物直接吊装到驳船上（2）滑移装船：用滑道或轨道台车把结构物水平移到驳船上

应根据结构物在滑移过程中的可能出现的最不利的支撑情况计算支撑力，校核其强度和稳定，尚应计算开始移动时所需的水平力。3.运输力

应根据运输方式、作业时的海况、气象条件计算运输力。2.装船力装船包括吊装装船和滑移装船。4.下水力和扶正力

（1）结构物下水期间要考虑结构重力、惯性力、浮力、水阻力、摇臂支撑力（2）扶正力：浮吊吊装时结构物所受的力

注：（1）在海洋环境下施工，应根据相应的固定荷载、最大临时荷载和环境荷载进行适当组合后对结构的强度和稳定性进行校核（2）施工荷载一般不属于结构设计控制荷载，故通常采取临时性措施来满足5.地基的反作用力（1）大多数导管架扶正后，导其底部配置有防沉板（2）结构防沉板设计应使地基承载力满足一定的安全系数要求，一般取为2.0（3）防沉板应具有一定的结构强度以承受地基的反作用力4.下水力和扶正力（1）结构物下水期间要考虑结构重力三、环境荷载定义：由风、浪、流、冰和地震施加到平台结构上的荷载。三、环境荷载定义：由风、浪、流、冰和地震施加到平台结构上的荷

海洋平台结构在环境荷载作用下，发生过许多重大灾难性事故。1961年，美国新泽西州近海TEXAS平台被暴风摧毁，死亡28人；1979年，我国的自升式钻井平台渤海2号在移位过程中，因为操作不当而翻沉，死亡70余人；1980年，北海挪威EKOFISK油田的一座半潜式平台ALEXANDERKIELLAND号因结构疲劳破坏发生倾覆，死亡120人；1981年，在加拿大东部近海，一座半潜式平台钻井平台在风暴中失事，死亡数十人。因此，充分认识海洋结构所处海洋环境的特点和风险,并且合理评估钻井平台荷载,是十分必要的。海洋平台结构在环境荷载作用下，发生过许多重大环境荷载：直接或间接由于环境作用引起的荷载。

（一）风荷载

（二）波浪荷载

（三）海流荷载

（四）冰荷载

（五）地震荷载环境荷载：直接或间接由于环境作用引起的荷载。（一）风荷载风是空气的流动，风的强弱以风速大小表示。具有一定速度的风受到结构物阻挡时即对之产生作用力。作用于海洋结构上的有水平风力和风力矩。下面介绍如何确定设计风速及由风速推算风荷载大小的办法。（一）风荷载1.设计风速的确定《海上移动平台入级与建造规范（2005年）》中确定设计风速选取标准是：无限航区作业平台，最小设计风速分别为100kn和70kn：（1）自存工况风速:51.5m/s(100kn×1.853×1000/3600=51.47（m/s)（2）正常作业工况：36m/s(70kn)对于具有作业限制附加标志的平台，其正常作业工况的风速可以减小，但不应该小于25.8m/s。按照实际海域的观测资料确定风速，取重现期为50年的风速。当无条件进行海、陆大风风速间相关分析时，可用陆上风速乘以风速增大系数代替海上风速。海上风速与陆上风速之间关系可以查表确定，一般海上风速为陆上风速的1.1~1.3。1.设计风速的确定2.风荷载风荷载包括风的拖曳力和升力。（1）基本风压p0的确定

海平面以上10m处的风压值为基本风压p0。计算公式为:

u--设计风速，或者经观测资料分析得到的50年重现期风速（2）风荷载-拖曳力

影响风荷载的两个因素：

风速受到海洋表面粗糙度的影响；离海平面越近，风速越低。1）高度因素——风压高度变化系数kz

计算结构物不同高度处的风压强时，需乘以风压高度系数，表示实际高度位置风压与海面以上10米处风压的倍数。2.风荷载风荷载包括风的拖曳力和升力。2）构件的外形因素:风载体型系数K风载体型系数系数K表示构件对风的阻挡效应，即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。规范中给出的风荷载计算公式为：

式中:——风压高度系数

——风载体型系数

——基本风压

——受风作用的轮廓面积

2）构件的外形因素:风载体型系数K按照风压中心到海平面以上的高度选取风压高度变化系数

按照风压中心到海平面以上的高度选取风压高度变化系数

风载体型系数风载体型系数（3）考虑脉动风压的风荷载计算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动。比如，渤海4号为桁架式桩腿，设计水深91.5米，在渤海湾作业时，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，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荷载。由于高耸结构比如桩腿基本自振周期较长，在风荷载作用下具有明显的动力效应。当高耸结构基本自振周期

这种动力作用就不容忽视。（3）考虑脉动风压的风荷载计算结构动风荷载应按下式计算

式中,——风振系数。一般可按照下表取值：

结构动风荷载应按下式计算（4）风的升力计算对于大面积的平面结构，如直升机平台甲板，风对其作用一方面引起风向的拖曳力，此外引起垂直于结构表面的作用力，称为升力。

风向

风的升力

风的升力示意图

（4）风的升力计算特别当平台倾斜时，升力的作用影响移动式平台的稳性，甚至导致倾覆。升力的计算公式为：

式中，为升力系数；其余符号意义同前。在DNV规范中，给出了不同结构形状的升力系数，可供计算时使用。

特别当平台倾斜时，升力的作用影响移动式平台的稳性，在工程设计中：

（1）风的长周期变化一般是按静态处理

（2）风的短周期脉动效应按准动态处理（3）当风作用在高而细的柔性建筑物上时，需要考虑风的动力效应

风荷载在工程设计中：（1）风的长周期变化一般是按静态处理风荷流体的粘滞性引起流体运动惯性、结构物存在引起粘滞效应结构物与流体自由表面之间作用绕射效应结构物对入射波浪的散射作用阻力（或称为速度力、拖曳力附加质量效应质量力（或称为惯性力散射效应自由表面效应大尺度结构物波浪对海洋结构物的作用效应：（二）波浪荷载流体的粘滞性引起流体运动惯性、结构物存在引起粘滞效应结构物与

波浪荷载是设计海洋平台的重要环境荷载之一。作用在结构上波浪力的大小除与结构所在海区的设计水深、结构形状和尺寸大小有关外，主要取决于根据平台设计标准所选取的波浪参数或海浪谱。波浪荷载是设计海洋平台的重要环境荷载之一。作用在结构设计波高的选取：

（1）P部分大波的波高HP：将波高按从大到小顺序排列，取最高的前P个波高计算其平均值，称为该P部分大波的波高，记作HP。美国、日本等国采用此法；习惯称H1/3为有义波高

（2）设计平台采用的设计波高应取服役海域某一重现期内波高的极值（3）设计波高取决于结构物所在海域的设计波浪情况和结构物的重要性，遵照规范要求应尽量做到既保证安全，有经济合理，综合考虑加以决定

1．波浪参数（1）设计波高设计波高的选取：（1）P部分大波的波高HP：将波高按从根据平台所在位置及附近海域长期实测资料（要求不少于一年），推算不同重现期的设计波高。我国《海上移动平台入级与建造规范》规定的设计波高的选取方法：

－最大波高的可能值，根据波数选取－破碎临界波高，根据规范选取

根据平台所在位置及附近海域长期实测资料（要求不少于渤海深水波高为：对应波数。其中为有义波高值波数计算公式：或，和分别为波长和波浪频率。

浅水设计波高为：

比值可由规范直接确定；－波高的平均值：渤海深水波高为：（2）波浪周期某一重现期的最大波高的可能值所对应的周期T，应采用使平台结构产生最大应力值的周期。周期T的范围为一般波浪周期T均小于20s,而周期为时，已达到破碎极限。实际工程的计算方法是：采用不同的波浪周期，计算平台的应力，直至得到平台的最大应力。（2）波浪周期2.海浪谱从波浪实际观测中发现，海面的波动是一个随机的过程，波面高度随机变化，波动周期时长时短。工程中常用郎尤特-黑金斯（Longuet-Higgins）提出的海浪模型。这个模型是把海上一固定点的水面波动用多个随机余弦波的叠加来描述，其表达式为

式中－第n个余弦组成波的振幅，m；－第n个余弦组成波的圆频率，；－第n个余弦组成波的随机初相角，它是均匀分布于范围内的随机量。2.海浪谱

如果把介于()范围内的各组成波的振幅平方之半叠加起来，并除以包含所有这些组成波的频率范围，所得的值将是一个函数，即

而相当于在单位频率间隔内海浪的平均能量,相当于能量密度相对于组成波频率的分布函数，这个函数称为谱。由于其实质是代表海浪的能量，所以称为能谱，又因为它是能量相对于频率的分布，因而也称为波浪频谱。

如果把介于(根据波浪谱，可以求出波浪的统计量。如果缺乏结构海区的实际海浪谱资料，可以采用下列两种海浪谱：（1）Pierson-Moskowitz(P-M)谱产生于1963年，对北大西洋充分发展的海浪统计的结果

式中，a－菲利普经验常数，a＝0.0081；g－重力加速度，,－海面以上19.5m处的风速。根据波浪谱，可以求出波浪的统计量。如果缺乏结构海区（2）Bretschneider谱

适用于风的作用范围相对小的水域，其表达式为

式中，；；－有义波高，－有效波周期。根据海浪谱，可求出一系列波的波高及波浪周期。（2）Bretschneider谱3.小尺度孤立桩柱上的波浪力计算对于构件直径与波长之比小于或等于0.2时的构件，称为小尺度构件。（1）垂直小尺度构件上的波浪力

波浪垂直于小尺度构件3.小尺度孤立桩柱上的波浪力计算

单位长度上的波浪力，可采用莫里森（Morison）公式计算。根据Morison公式，单位长度上的波浪力为：

式中，拖曳力为

其中；－海水密度；－拖曳力系数，由试验确定，如试验资料不足时，圆形构件；－水质点的速度水平分量；－构件构件运动速度水平分量。

单位长度上的波浪力，可采用莫里森（Moris单位长度的惯性力为

=附连水惯性力+构件排开水的惯性力－单位长度构件体积；－附连水质量系数

－惯性力系数，由试验确定，在试验资料不足时，圆形构件取；－水质点速度水平分量；－水质点加速度水平分量。单位长度的惯性力为

水平波浪力由两个部分组成，一是波浪水质点运动的水平速度引起的拖曳力;另一是波浪水质点运动的水平加速度引起的惯性力。

当进行桩基平台结构静力分析时，、可取为水质点的水平速度与水平加速度。同时因构件直径远小于设计波浪的波长，可认为构件的存在对波浪运动无显著影响，此时，、可取在桩柱中心垂线位置上的波浪水质点水平速度与水平加速度值。

作用于垂直桩柱上的总水平波浪力F可由下式计算

式中－静水面以上波动水面高度

水平波浪力由两个部分组成，一是波浪水质点（2）倾斜圆柱形构件上的波浪力

倾斜圆柱形构件如下图所示：

圆柱形倾斜构件（2）倾斜圆柱形构件上的波浪力构件轴线与z轴夹角为，平面上投影与x轴夹角为。倾斜构件上波浪力仍按照莫里森公式计算，但是需要将莫里森公式写成矢量形式，即在空间坐标系下确定出垂直构件轴线方向的流体质点速度和加速度。将莫里森公式写成矢量形式，则可得到深度为y处单位长度波浪力的一般表达式

式中与是水质点速度与加速度的法向矢量（垂直于构件轴线），为水质点速度法向矢量的模。构件轴线与z轴夹角为，平面上投影与x轴夹在三维坐标系下，法向矢量可表示为得到倾斜构件波浪力计算的莫里森公式为在三维坐标系下，法向矢量可表示为4、波浪理论与有关公式在确定了流体质点速度和加速度的情况下，波浪力很容易由莫里森公式计算。所以确定流体质点速度和加速度是关键问题。计算波浪力时，应根据设计波高H、周期T和水深d选用适当的波浪理论。根据水深波长比（d/L）、波高水深比（H/d）可提出常用的波浪理论适用范围。（1）当、时，采用线性波理论，适用于波幅较小情况；4、波浪理论与有关公式（2）当、时采用有限振幅波理论（司托克斯波理论）；适用于波高较大情况，由于该理论没有涉及水深的影响，不适合于浅水情况。（3）当时（浅水），采用椭圆余弦波理论，此时，由于水浅，水深影响水的流动，所以必须考虑水深求流速和加速度。海洋平台结构设计课件第二章设计荷载米哈特（Mehaute）1976年给出了不同波浪理论的适用范围，如下图：波浪理论的适用范围米哈特（Mehaute）1976年给出了不同波浪理论的适用范海面位移波浪理论波浪运动微幅波理论斯托克斯波理论假定波高与水深相比无限小孤立波理论波浪理论椭圆余弦波理论线性理论用有限个简单的、频率成比例的余弦波逼近单一周期的有限振幅波非线性理论适用于浅水波用来解释近岸极浅水域的波浪现象用于浅海平台设计海面位移波浪理论波浪运动微幅波理论斯托克斯波理论假定波高与水群桩最大波浪荷载各个桩的波浪力与波浪相位角有关，所以对桩群应根据不同的波剖面位置来确定作用于其上的最大总波浪荷载。（1）桩排垂直于波行进方向：由于均位于相同的波浪相位上，故最大波浪荷载是单桩最大波浪力与桩数的乘积；

桩排垂直于波行进方向桩列平行于波行进方向（2）平行于波行进方向的桩列：由于各桩所对应波浪的相位不同，此时最大波浪荷载应考虑为同一时刻各桩所受波浪力的叠加。群桩最大波浪荷载（3）群桩效应：由于群桩按排或列布置，在平台设计中，应考虑群桩的掩护作用和相互干扰作用。作用在一个构件上的波浪力，将受到与之靠近的另一个构件尾流场的影响。前面构件尾流的旋涡可能激发后面构件的动态响应，使其波浪力增加，这即是群桩效应。

当时，应该考虑群桩效应。

根据模型试验和现场观测，群桩的掩护和干扰作用主要和桩距I和桩径D之比有关。一般认为当时，桩的掩护作用和干扰作用可不予考虑；当时，应将波浪荷载乘以群桩系数。其值应尽量由实验确定，或者查阅有关资料。

（3）群桩效应：由于群桩按排或列布置，在平台设计中，应考虑群6.海生物附着对波浪力的影响海洋桩基平台在使用期间，桩上会附着各类海生物，这样会增大桩柱的阻力系数值，增大波浪拖曳力。据国外资料提供的数据，在海生物附着显著的海域，波浪拖曳力增大20～40%；同时由于海生物附着，加大了桩柱的直径，也必然加大了波浪惯性力。为此，规范中规定：在海生物附着范围内，莫里森公式中惯性力项的桩径Ｄ应按实际直径计算，并将波浪拖曳力乘以相应系数，其值可根据海生物附着程度的不同确定。6.海生物附着对波浪力的影响7.大尺度构件上的波浪力大尺度构件指人工岛、半潜式平台等，其直径或者尺度与波长的比值远远大于0.2，这类构件称为大尺度构件。对于小尺度构件，在构件的宽度范围内，圆柱的存在仅仅影响圆柱周围局部流畅流场，对波浪的反射作用不明显，因此可以忽略构件对于流场的影响。但是当尺寸加大时，结构的尺度相对于波长不在是小量，此时，结构对波浪流场的反射和散射作用不可忽略。所以必须考虑结构存在引起的波浪的绕射作用。考虑波浪的线性绕射计算波浪荷载，已经提出了多种方法，主要有：格林函数法；奇点分布法、源汇分布法。7.大尺度构件上的波浪力（三）海流荷载

作为平台荷载考虑的海流包括潮流和余流。

潮流：由于天体运动产生的引潮力而造成的潮汐现象，因潮汐涨落产生的周期性海水水平流动。

余流：水文、气象等因素引起的海水流动，即非潮流部分的海流。1.漂流：由大范围的信风作用引起的定常海流2.梯度流：海面上空大气压力分布不均匀或海水密度分布不均匀会引起海水等压面倾斜，从而产生沿等压线流动的海流3.海底回流：在近岸海区，由于波浪破碎引起的海流

风海流是余流的主要组成部分。（三）海流荷载作为平台荷载考虑的海流包括潮流和余流海流：指由于潮的作用、风的拖曳等原因引起的比较稳定的水流运动。这种潮流或漂流往往会改变波浪形态，影响作用在结构上的波浪力。1.海流速度海流包括潮海流和风海流，需要分别计算潮海流和风海流,而后迭加得到总的海流流速。海流：指由于潮的作用、风的拖曳等原因引起的比较稳定的潮海流：流速随水深而变化，实测资料不足时，可近似的取：潮海流按相对水深的1/7次方变化。总海流流速近似计算公式为：

式中－设计泥面以上高度处的海流速度，－水面的潮流速度，－设计泥面以上的垂直距离， －水深，

设计海流流速应采用平台使用期间可能出现的最大流速。其值可根据现场实测资料整理分析后确定。潮海流：流速随水深而变化，实测资料不足时，可近似的取风海流：主要是由风引起的，特别是近海风海流流向基本与风向一致，因此可利用其与风速的关系，估算出最大可能风海流流速值。

式中－10分钟最大风速，；－系数，一般，渤海采用0.025，我国南海和东海可取0.04~0.08。风海流：主要是由风引起的，特别是近海风海流流向基本与风向一致2.海流力当只考虑海流作用时，圆形构件单位长度的海流荷载可按莫里森公式的拖曳力分量计算，即

式中—海流拖曳力系数，与波浪力的相同—海水密度—设计海流流速—单位长度构件垂直于海流方向的投影面积当考虑波浪与海流同时作用时，通常认为莫里森公式仍可适用，其计算公式为：

2.海流力左图中，为来流速度。当在流体分离点产生旋涡时，流体旋涡逆时针旋转速度为，对于管道上侧，流体质点速度变小为，下侧流体质点速度增加为，速度小的一侧，压力大，速度增大一侧，压力减小，两侧出现压力差，该压力岔即为升力。3、卡门旋涡-涡激升力流体沿垂直于圆形构件轴线匀速流动时，在构件周围会出现卡门旋涡。旋涡泄放时将产生一可变升力。该力的变动频率接近时，会引起共振。进行平台结构设计时，一定要避免这一现象发生。下图为涡激升力：涡激升力图左图中，为来流速度。当在流体分离点产生旋涡时，

圆柱体的漩涡泻放，主要取决于两个因素：一是雷诺数Re，一是海流速度分布。Re可由下式给出

式中，－垂直于构件轴线的海流速度－圆柱体直径－海水运动粘滞系数对于海水漩涡的释放频率：

称为斯特劳霍尔数（Strouhalnumber）。应该避免漩涡的释放频率与结构固有振动频率接近或重合，防止产生涡激共振。

圆柱体的漩涡泻放，主要取决于两个因素：一是雷左图中，V-设计海流流速；V1-潮流流速；Vw-风生流流速；Vs-风暴涌流速；-风生流的参考水深；-静水水深；z-水质点静水水面以下的垂直距离。4.波-流联合作用荷载流速的处理波浪和海流共存，使海流流速增加，计算时应该将波浪水质点速度与海流水质点速度矢量叠加。叠加方法如下图所示：

波浪水质点速度与海流水质点速度矢量叠加图左图中，V-设计海流流速；V1-潮流流速；Vw-风生流流（四）冰荷载

在冰情严重的海域建造固定平台，冰荷载是不容忽视的环境荷载，往往比波浪荷载还要大，成为平台设计中的控制荷载。因此有冰情的海域，应根据长期实测资料分析确定冰的厚度、强度和冰对平台撞击速度等。（四）冰荷载在冰情严重的海域建造固定平台，冰荷载是

1、冰荷载作用的主要类型流冰对平台的冲击作用平台损坏的主要原因巨大的冰原包围平台产生的挤压力

流冰期间冰块对平台的摩擦作用海冰对其周围的平台产生的附加重力和附加浮力。（气温下降海冰结为一体，加之水位的涨落）

CCS规定平台设计需考虑的冰荷载在潮流和风作用下的大面积冰原呈整体移动挤压结构。若结构强度足够,则冰原将被切入或破断而移动,荷载呈周期性变化，结构发生振动。1969年春，中国渤海出现的特大冰封即以这种形式将一座固定平台推倒。

CCS规定平台设计需考虑的冰荷载冰对结构的作用是一个复杂的现象，影响因素较多。根据冰的特性和其与平台的相互作用，主要应考虑下列两种冰荷载：（1）当整个海面处于冰层覆盖，平台被冰原包围时，在海流和风作用下，大面积冰原呈整体移动挤压平台。如果平台有足够的强度，则冰原将被桩柱切入或割裂。这种冰荷载呈周期性变化，并伴随着平台振动而产生。（2）流冰期间，自由漂流的流冰冲击平台产生冲击力。根据实际观察，冰对平台作用主要是这两种。特别是第一种形式，在大面积冰原整体移动挤压平台过程中，冰原破碎的瞬间，作用在平台桩柱上的冰压力最大。工程上关心的是最大水平冰压力。根据冰的受压强度极限，可求出冰被压碎时的极限冰压力，以此作为设计冰压力。海洋平台结构设计课件第二章设计荷载影响冰压力的主要因素：

（1）海冰的特性

（2）结构物的形式

（3）海洋环境条件

影响冰压力的主要因素：（1）海冰的特性2、冰荷载（1）结冰海域内，在风和流作用下，大面积冰原挤压垂直孤立桩柱所产生的冰荷载可按下式计算

式中－桩柱形状系数－局部挤压系数－桩柱与冰层的接触系数－冰样试样的极限抗压强度：渤海及黄海北部沿海取1.44MPab－桩柱宽度（或直径），mh－冰层计算厚度，m；应根据实测资料分析确定

2、冰荷载在实测资料不足时，渤海和黄海北部沿海地区可取：辽东湾h=1m；渤海湾h=0.8m；莱州湾h=0.7m；式中主要参数应尽量通过长期观测，经分析确定。若无实测资料，圆截面桩柱的m值可取为0.9，取为2.5，取为0.45。渤海及黄海北部沿海的冰荷载可按下面经验公式计算

－桩柱宽度（或直径），m；-冰厚(m)。在实测资料不足时，渤海和黄海北部沿海地区可取：（2）流冰对桩柱冲击的冰荷载可按下式计算

式中－桩柱形状系数－局部挤压系数－冰样试样的极限抗压强度：渤海及黄海北部沿海取1.44MPabj－桩柱宽度（或直径），mh－冰层计算厚度，m；应根据实测资料分析确定对于三角形端部桩柱，冰块被桩柱切入一定深度x时的最大冰压力为：（2）流冰对桩柱冲击的冰荷载可按下式计算3、群桩上的冰荷载计算群桩上冰荷载时，应考虑群桩的遮蔽作用。即当冰原挤向平台时，第一排桩直接受到未曾破碎冰层的挤压；而当冰原被第一排桩压碎后挤向第二排桩时，冰荷载由于第一排桩的遮蔽受阻减小。在以往的平台设计中，常采用折减系数方法处理，其折减系数取为：第二排桩0.75；第三排桩0.5；第四排桩0.25。这样选取的折减系数是否恰当尚有待进一步现场实测和研究。如按这样的折减系数计算，则4排桩固定平台所承受的总冰荷载为单排桩冰荷载的2.5倍。为提高平台的防冰能力和减小冰荷载，设计中应尽量采用破冰、防冰和能较好的吸收冰冲击能量的结构形式。特别应指出的是在冰凌作用的高程范围内不应设置撑杆，同时应注意合理布置平台方位，使平台抗倾覆能力强的方向与冰原移动方向一致。3、群桩上的冰荷载冰荷载是重冰海域海洋工程结构物设计的控制荷载.随着海洋工程开发活动的规模化发展，海冰与结构物相互作用的问题日益突出，建立合理的冰荷载计算模型，研究锥面冰荷载对桩腿的安全作用，对于抗冰结构的设计非常必要。在工程设计中，冰荷载是指冰力时程曲线的峰值荷载，其大小主要取决于冰排的破坏强度，而破坏强度的大小与冰排的破坏形式密切相关。由于冰排的抗弯强度小于挤压强度，借助冰锥结构能使得冰排以弯曲模式破坏，从而有效的减小作用在锥体上的冰力荷载。故锥体抗冰结构凭借有效地减小冰荷载这一优势，成为目前冰区海洋工程的优选结构形式。

海洋平台结构设计课件第二章设计荷载（五）地震荷载1.近海平台抗震验算的原则和要求（1）应对设计烈度为7度、8度、9度的地震荷载进行计算；对高于9度的地震荷载应进行专门研究（2）地震荷载计算中的设计烈度一般采用所在海域的基本烈度（3）对次生灾害严重或特别重要的平台，可按基本烈度提高1度作为设计烈度

2.地震动水压力计算(1)地震在振动过程中对建筑物产生的惯性力包括地震惯性力、地震动水压力、地震动土压力。（2）地震动水压力p是建筑物与周围水体的相互作用而产生的作用力，是指静水压力以外的附加水压力,按下式计算：

（五）地震荷载1.近海平台抗震验算的原则和要求2.地震第二节计算状态确定及甲板荷载1.计算状态（1）正常作业工况静荷载：所有结构、消耗品及设备等重量以及作业荷载。环境荷载：最大风、浪、海流要素荷载及海床反力等，还要考虑环境荷载的组合。（2）迁移工况静荷载：所有结构、消耗品及设备等重量以及浮力。环境荷载：①油田内迁移：风速不小于36m/s，波浪与海流流速按照最不利情况组合。②远洋迁移：风速不小于51.5m/s，波浪与海流流速按照最不利情况组合。应该考虑平台倾斜和运动加速度以及拖缆力的影响。第二节计算状态确定及甲板荷载1.计算状态（3）升降工况

静荷载：所有平台主体结构重量、压载重量及设备等重量。环境荷载：取手册中允许平台升降时的最大风、浪、海流要素及荷载。（4）自存工况

静荷载：所有平台主体结构重量、压载重量及设备等重量。环境荷载：取手册中规定的平台自存时的最大风暴条件。（3）升降工况2.甲板荷载甲板荷载估算取值为：船员舱室和走道4500N/m2作业区域（包括露天甲板）9000N/m2杂务储存区13000N/m2直升机甲板2000N/m2。

2.甲板荷载第三节荷载组合荷载组合的原则：（1）根据设计环境条件，对实际有可能出现的各种荷载，应按最不利情况进行组合（2）对同一结构的不同设计项目或不同阶段，应按其各自可能出现的最不利荷载情况分别进行组合（3）受水位影响的荷载和设计项目，在进行荷载组合时，必须把水位作为一个组合条件来考虑

最基本的、起控制作用的荷载组合：（1）设计的工作环境条件与平台上的固定荷载和相应的最大活荷载组合（2）设计的工作环境条件与平台上的固定荷载和相应的最小活荷载组合（3）设计的极端环境条件与平台上的固定荷载和相应的最大活荷载组（4）设计的极端环境条件与平台上的固定荷载和相应的最小活荷载组合第三节荷载组合荷载组合的原则：最基本的、起控制作用的荷载第二章设计荷载

第一节设计荷载分类

按建造、安装和使用期间海洋平台所经受荷载的性质对作用于海洋平台上的荷载进行分类。设计荷载使用荷载

施工荷载

环境荷载固定荷载活动荷载吊装力装船力运输力下水力和扶正力地基的反作用力第二章设计荷载一、使用荷载定义：平台在使用期间，除环境荷载以外的各种荷载。一、使用荷载定义：平台在使用期间，除环境荷载以外的各种荷载。

使用荷载活动荷载可变荷载动力荷载结构自重固定荷载防腐阳极块重量附属结构重量机械设备重量管道重量容器重量作用在平台水下部分的浮力结构在空气中的重量

使用荷载活动荷载可变荷载动力荷载结构自重固定荷载防腐阳极块可变荷载：荷载的大小或位置随时间缓慢变化的荷载，一般按静荷载处理。动力荷载：随时间而变化具有显著的动力性质的荷载，包括循环荷载、冲击荷载及事故荷载。通常把动荷载乘以一个动力放大系数，把动荷载转化为等效静荷载。

对使用荷载进行分类主要在于为构件的强度和稳定设计提供最危险的荷载组合。设计时使用荷载主要包括：甲板荷载、直升飞机着降荷载、船舶停靠平台时的停靠荷载。可变荷载：荷载的大小或位置随时间缓慢变化的荷载，一般按静荷载1.甲板荷载

（1）甲板荷载主要取决于布置在甲板上的工艺设备、机械设备、生活和生产设施，以及其他的备用品和补给品（2）根据工艺布置绘制甲板荷载分布图，明确相应作业工况下甲板上各部分的最大均布荷载和集中荷载值

甲板上均布荷载住所、走道≥4kN/m2工作区≥8kN/m2生产储存区≥14kN/m21.甲板荷载（1）甲板荷载主要取决于布置在甲板上的工艺2.直升飞机着降荷载

（1）直升飞机着降通常以制造厂家提供的数据作为设计依据

（2）直升飞机降落荷载约为其最大起飞重量的2～3倍（3）《海上固定平台入级与建造规范》规定：直升飞机降落时的冲击荷载不得小于直升飞机最大起飞重量的3倍

冲击荷载2.直升飞机着降荷载（1）直升飞机着降通常以制造厂家提河海大学港口海岸与近海工程学院河海大学港口海岸与近海工程学院873.船舶停靠荷载船舶停靠荷载系缆力挤靠力撞击力由于风和流的作用，通过系船缆作用在平台上的力由于风和流的作用，使停靠在码头的船舶直接作用在平台上的力船舶靠岸或在波浪作用下撞击平台时产生的力河海大学港口海岸与近海工程学院河海大学港口海岸与近海（1）系缆力1)风产生的系缆力F

（当风向垂直于船舶纵轴时）（当风向垂直于船舶纵轴时）Kn

——各系船柱受力不均匀系数F0

——作用于船体上的风压力K

——

船舶的风载体型系数p——

风压强度A

——船舶的空载横向受风面积n

——风向垂直船舶纵轴时，实际受力的系船柱最少数目n1——

风向平行船舶纵轴时，实际受力的系船柱最少数目ɑ

——

系船缆的水平投影与平台靠船装置前沿线的夹角β

——

系船缆与水平面的夹角（1）系缆力1)风产生的系缆力F（当风向垂直于船舶纵轴时）

2）海流作用产生的系缆力F

船舶系泊于平台时，作用于船体上的水流力包括形状阻力和表面摩擦阻力。K

——绕流系数u——海流速度A

——水线以下船体侧面投影面积L

——最大船长ht——

平均吃水深度γ

——

海流流向与船舶纵轴的夹角a.作用于船体水下部分的形状阻力FD：2）海流作用产生的系缆力F船舶系泊于平台时，作用于船体上K

——绕流系数u——海流速度Á

——船体浸水部分表面积L

——船长B——

船宽ht——

船舶吃水Cb——

方形系数b.作用于船体表面的摩擦力Fm：b.作用于船体表面的摩擦力Fm：将海流对船舶的作用力F分解：垂直于船舶纵轴的力F：平行于船舶纵轴的力FT：垂直于船舶纵轴的力FN：平行于船舶纵轴的力F：将海流对船舶的作用力F分解：垂直于船舶纵轴的力F：平行于船舶3）波浪作用下的系缆力F

波浪作用对系缆力的影响较大，它与波浪要素、船舶动力特性有关。H

——波高F0

——作用于船体上的风压力θ

——

船舶仰俯角L——

最大船长用布赖恩公式对其值进行初步估计：3）波浪作用下的系缆力F波浪作用对系缆力的影响较大，它与波浪（2）挤靠力定义：停靠在平台的船舶受风、流或冰的作用，通过防冲设施传递给靠船结构物且方向指向结构物的作用力。

当风向垂直于船舶纵轴时的挤靠力Fj：（防护设施间断布置）Kj

——

挤靠力分布不均匀系数，取为1.1F0

——

作用于船体上的风压力

——

船舶直线段与码头接触的长度n

——

与船舶接触的防护设施数目

——

各接触点挤靠力分布不均匀系数，取为1.3（防护设施连续布置）（2）挤靠力定义：停靠在平台的船舶受风、流或冰的作用，通过防（3）撞击力

1）船舶靠泊时的撞击力计算

Cd——

有效动能系数Cs

——

船壳变形系数，一般取为0.9Cm

——

附加质量系数Ce

——

偏心率，即考虑船舶回转而对船舶能量的折减系数r

——

船舶回转半径L

——

船长a——

船舶重心与撞击接触点之间的距离C1

——

平台的变形系数C2

——

防冲设施的变形系数C3

——

船体的变形系数有效动能：引起船舶、平台及防冲设施变形的能量。（3）撞击力1）船舶靠泊时的撞击力计算有效动能：引起船舶、

2）系泊时波浪作用引起的撞击力计算

H

——

船舶停靠时，最大波高T

——

船舶停靠时，波浪的最大周期Δ

——

可能停靠于平台的船舶满载排水量g

——

重力加速度求解撞击力的关键是确定波浪作用下船舶撞击结构物的法向速度un。法国平台设计规范推荐的计算船舶最大撞击力的公式：2）系泊时波浪作用引起的撞击力计算求解撞击力的关键是确定波二、施工荷载定义：平台在施工期间所受到的荷载；它是发生在建造、装船、运输、下水和安装等阶段的暂时性荷载。二、施工荷载定义：平台在施工期间所受到的荷载；它是发生在建造1.吊装力

确定吊装力时，应考虑作用于结构上的力的特性。（1）为补偿可能发生在吊点上的任何侧向荷载，应加上与静吊索荷载同时作用的大小为5%的静吊索荷载的水平力（2）应考虑重物由于运动而产生的动力荷载和其它因素引起的额外荷载

（3）对吊点构件设计，应取荷载系数去乘所得到的静荷载

吊装力荷载系数开敞无掩护海区吊点2直接与吊点连接的构件1.35传递提升力的构件近岸有掩护海区吊点1.5直接与吊点连接的构件1.15传递提升力的构件1.吊装力确定吊装力时，应考虑作用于结构上的2.装船力

装船包括吊装装船和滑移装船。（1）吊装装船：将结构物直接吊装到驳船上（2）滑移装船：用滑道或轨道台车把结构物水平移到驳船上

应根据结构物在滑移过程中的可能出现的最不利的支撑情况计算支撑力，校核其强度和稳定，尚应计算开始移动时所需的水平力。3.运输力

应根据运输方式、作业时的海况、气象条件计算运输力。2.装船力装船包括吊装装船和滑移装船。4.下水力和扶正力

（1）结构物下水期间要考虑结构重力、惯性力、浮力、水阻力、摇臂支撑力（2）扶正力：浮吊吊装时结构物所受的力

注：（1）在海洋环境下施工，应根据相应的固定荷载、最大临时荷载和环境荷载进行适当组合后对结构的强度和稳定性进行校核（2）施工荷载一般不属于结构设计控制荷载，故通常采取临时性措施来满足5.地基的反作用力（1）大多数导管架扶正后，导其底部配置有防沉板（2）结构防沉板设计应使地基承载力满足一定的安全系数要求，一般取为2.0（3）防沉板应具有一定的结构强度以承受地基的反作用力4.下水力和扶正力（1）结构物下水期间要考虑结构重力三、环境荷载定义：由风、浪、流、冰和地震施加到平台结构上的荷载。三、环境荷载定义：由风、浪、流、冰和地震施加到平台结构上的荷

海洋平台结构在环境荷载作用下，发生过许多重大灾难性事故。1961年，美国新泽西州近海TEXAS平台被暴风摧毁，死亡28人；1979年，我国的自升式钻井平台渤海2号在移位过程中，因为操作不当而翻沉，死亡70余人；1980年，北海挪威EKOFISK油田的一座半潜式平台ALEXANDERKIELLAND号因结构疲劳破坏发生倾覆，死亡120人；1981年，在加拿大东部近海，一座半潜式平台钻井平台在风暴中失事，死亡数十人。因此，充分认识海洋结构所处海洋环境的特点和风险,并且合理评估钻井平台荷载,是十分必要的。海洋平台结构在环境荷载作用下，发生过许多重大环境荷载：直接或间接由于环境作用引起的荷载。

（一）风荷载

（二）波浪荷载

（三）海流荷载

（四）冰荷载

（五）地震荷载环境荷载：直接或间接由于环境作用引起的荷载。（一）风荷载风是空气的流动，风的强弱以风速大小表示。具有一定速度的风受到结构物阻挡时即对之产生作用力。作用于海洋结构上的有水平风力和风力矩。下面介绍如何确定设计风速及由风速推算风荷载大小的办法。（一）风荷载1.设计风速的确定《海上移动平台入级与建造规范（2005年）》中确定设计风速选取标准是：无限航区作业平台，最小设计风速分别为100kn和70kn：（1）自存工况风速:51.5m/s(100kn×1.853×1000/3600=51.47（m/s)（2）正常作业工况：36m/s(70kn)对于具有作业限制附加标志的平台，其正常作业工况的风速可以减小，但不应该小于25.8m/s。按照实际海域的观测资料确定风速，取重现期为50年的风速。当无条件进行海、陆大风风速间相关分析时，可用陆上风速乘以风速增大系数代替海上风速。海上风速与陆上风速之间关系可以查表确定，一般海上风速为陆上风速的1.1~1.3。1.设计风速的确定2.风荷载风荷载包括风的拖曳力和升力。（1）基本风压p0的确定

海平面以上10m处的风压值为基本风压p0。计算公式为:

u--设计风速，或者经观测资料分析得到的50年重现期风速（2）风荷载-拖曳力

影响风荷载的两个因素：

风速受到海洋表面粗糙度的影响；离海平面越近，风速越低。1）高度因素——风压高度变化系数kz

计算结构物不同高度处的风压强时，需乘以风压高度系数，表示实际高度位置风压与海面以上10米处风压的倍数。2.风荷载风荷载包括风的拖曳力和升力。2）构件的外形因素:风载体型系数K风载体型系数系数K表示构件对风的阻挡效应，即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。规范中给出的风荷载计算公式为：

式中:——风压高度系数

——风载体型系数

——基本风压

——受风作用的轮廓面积

2）构件的外形因素:风载体型系数K按照风压中心到海平面以上的高度选取风压高度变化系数

按照风压中心到海平面以上的高度选取风压高度变化系数

风载体型系数风载体型系数（3）考虑脉动风压的风荷载计算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动。比如，渤海4号为桁架式桩腿，设计水深91.5米，在渤海湾作业时，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，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荷载。由于高耸结构比如桩腿基本自振周期较长，在风荷载作用下具有明显的动力效应。当高耸结构基本自振周期

这种动力作用就不容忽视。（3）考虑脉动风压的风荷载计算结构动风荷载应按下式计算

式中,——风振系数。一般可按照下表取值：

结构动风荷载应按下式计算（4）风的升力计算对于大面积的平面结构，如直升机平台甲板，风对其作用一方面引起风向的拖曳力，此外引起垂直于结构表面的作用力，称为升力。

风向

风的升力

风的升力示意图

（4）风的升力计算特别当平台倾斜时，升力的作用影响移动式平台的稳性，甚至导致倾覆。升力的计算公式为：

式中，为升力系数；其余符号意义同前。在DNV规范中，给出了不同结构形状的升力系数，可供计算时使用。

特别当平台倾斜时，升力的作用影响移动式平台的稳性，在工程设计中：

（1）风的长周期变化一般是按静态处理

（2）风的短周期脉动效应按准动态处理（3）当风作用在高而细的柔性建筑物上时，需要考虑风的动力效应

风荷载在工程设计中：（1）风的长周期变化一般是按静态处理风荷流体的粘滞性引起流体运动惯性、结构物存在引起粘滞效应结构物与流体自由表面之间作用绕射效应结构物对入射波浪的散射作用阻力（或称为速度力、拖曳力附加质量效应质量力（或称为惯性力散射效应自由表面效应大尺度结构物波浪对海洋结构物的作用效应：（二）波浪荷载流体的粘滞性引起流体运动惯性、结构物存在引起粘滞效应结构物与

波浪荷载是设计海洋平台的重要环境荷载之一。作用在结构上波浪力的大小除与结构所在海区的设计水深、结构形状和尺寸大小有关外，主要取决于根据平台设计标准所选取的波浪参数或海浪谱。波浪荷载是设计海洋平台的重要环境荷载之一。作用在结构设计波高的选取：

（1）P部分大波的波高HP：将波高按从大到小顺序排列，取最高的前P个波高计算其平均值，称为该P部分大波的波高，记作HP。美国、日本等国采用此法；习惯称H1/3为有义波高

（2）设计平台采用的设计波高应取服役海域某一重现期内波高的极值（3）设计波高取决于结构物所在海域的设计波浪情况和结构物的重要性，遵照规范要求应尽量做到既保证安全，有经济合理，综合考虑加以决定

1．波浪参数（1）设计波高设计波高的选取：（1）P部分大波的波高HP：将波高按从根据平台所在位置及附近海域长期实测资料（要求不少于一年），推算不同重现期的设计波高。我国《海上移动平台入级与建造规范》规定的设计波高的选取方法：

－最大波高的可能值，根据