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1、海洋环境载荷,船舶工程学院陈明,海洋结构物设计原理讲义（8）,环境条件的确定,（1）在作业海域内根据实际测量结果与实船工作情况决定； （2）根据规范确定； （3）根据业主或用户要求确定； （4）根据海况与气象的实测资料推算的结果确定,设计波参数：最大波高、周期、概率,1、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),1.1 CCS风载荷计算法,规范规定风压计算公式：,构件上的风力F计算公式：,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
2、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0.4,1.2 美国风载荷计算法,实际上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,CD：阻力系数 CL：升力系数,1.3 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阵风系数：,阵风系数:查表得到，是自振周期的函数,2 波浪载荷,线性波理论（微幅波）(初步设计中广泛采用) 斯拖克斯波（2阶到5阶波） 椭圆余弦波 孤立波 流函数 绕射理论,2.1 波浪理论,2
3、.2 线性波理论,1 、线性波浪理论假设： 流体均匀且不可压缩； 不计科氏力； 不计表面张力； 流体无旋； 底部水平、静止且不可穿透； 波浪为二维； 波浪不受其他水流运动地影响； 表面压力为尝数； 波幅相对波长、水深为小良。,2、波浪参数定义,波高：H 周期：T 波幅：A1/2H 波长：L 水深：d 水表面质点高度： 相对静止水面,水质点相对轨迹中心地水平和垂直坐标： 水支点运动地水平和垂直速度分良：,3、线性波浪分类,4、 线性波理论总结,一造波水池长170米，宽6米，深4米，装有0.9144米深淡水。造波机产生波高0.1524米，周期1秒的波浪。计算波峰处位于静止水表面下0.6096米的水
4、质点的速度和加速度,5、线性波理论应用,2.3 波浪载荷计算方法,邱卡数:,雷诺数:,Um波峰处水质点的速度 T波浪周期 D构建直径 海水运动黏性系数,步骤一：计算两个常数 K 和 Re,步骤二：根据常数决定用哪个算法,步骤三：如果用Morison方程,dF: 在体积dv、投影面积为dA的构件微段上的波浪力 垂直于构件轴线的速度和加速度； Cm 阻力系数，Cd惯性力系数。 。,微分形式：,竖直圆柱Morison方程（1）,利用线性波浪理论的水质点速度和加速度带入上面的表达式，取,一个波浪周期内竖直圆柱受力变化,水平放置圆柱受力,3 冰载荷,我国北部的渤海和黄海的冰情虽然不及严寒地区严重，但是在
5、严重年份的2，3月份，对海上钻井平台、采油平台带来的影响也不容忽视。一般的办法是在冰期不作业。,3.1 冰载荷的主要形式,1. 冰原包围 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。 这种载荷呈现周期性，并伴随着振动。在大面积冰原破碎前，平台受到的挤压力最大。,3.1 冰载荷的主要形式,2. 流冰（浮冰） 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。,3.1 冰载荷的主要形式,4. 附连冰的拖曳力 平
6、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）。 5. 流冰期冰块对平台的摩擦作用力 前两种冰载荷为主要形式。,3.2 冰载荷计算,1. 大面积冰原挤压孤立垂直桩柱所产生的冰载荷P PmK1K2Rcbh (kN) m：桩柱的形状系数，对于圆柱采用0.9 K1：局部挤压系数(2.53.0) K2: 接触系数（0.30.45） 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,3.2 冰载荷计算,2. 流冰块对桩柱的挤压力,
