海洋平台结构动力学

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1、海洋平台结构动力学曹志远?中国科学院工程力学所?一、引官随着人类对海洋石油及矿藏开发的需求日益增长,近年来海洋工程在世界各国得到 迅 速 发展?我国拥有漫长的海岸线和宽广的大陆架,海域辽阔,资源丰富,大量有关海洋工程科学的课题有待我们去研究与解决?海洋结构动力学主要研究波浪与海工结构的相互作用,结构与海底地基的相互作用,提 出合理、实用的结构分析的数学模型、理论与方法,解决结构振动响应、强度计算和破坏机理问题,为工程设计和建造提出合理的结构形式,提供必要的理论依据和设计参数?海洋结构动力学是综合了结构动力学、流体动力学、土动力学、地质学、海洋学以及数理统计、计算方法、实验技术等多种学科知 识的

2、一门边缘学科,是一个有着广泛学科内容与发 展前途的研究方向?海洋结构种类繁多,本文将以海洋平台结构为主,阐 述其动力荷载、数学模型与分析方法中存在的一些专门问题与发 展现状?二、海洋结构的环境与构造特点目前海洋工程一般建造在水深为 ? ?米以内近海区域?这 一地区约占地球表面水域面积的?左右?为了勘探、开采、运输海底石油及其它资源,需在辽阔水域中建造各种类型平台及有关设施?海洋平台结构动力学是以海洋环境以及相应特有的工程结构形式为研究背景的力学学科?首先,海洋环境条件十分恶劣、多变、深水、急流、暴风、恶浪经常发生,变化多端?其次,海洋还只是人类刚刚开发的领域,风浪的形成与发展、海底地基的构成与

3、特性、地震、浮冰的成因与预测等都还 没有弄得很清楚,更难 于在数学上给予确切描述?再有,海洋结构大部份是浸没于海水之中,结构荷载的产生 与结构的运动都与周围的流体介质密切相关?这些海洋环境的特点都是海洋平台结构动力学中必须加以认真考虑与仔细研究的?处于海洋环境之中又要达到开采石油 预期目的的海洋平台将具有以下特点?结构尺寸十分高大?平台固定 于海 底,延伸到海面之上,总体高度一般总要几十 到上百米?目前正在 建造 的最高平台已经超过 ? ?米?平 台又是人员长期生产与生活活动场所,其平面尺寸也十分可观?在美国南加州已建成的平台宽度有的 达 ? ?米?达样庞然大物在陆上也是罕见 的?在平台台 面

4、上集中了钻探井架、搬运吊车、动力机械、生活设施、停机坪等结构 主要质量?这相当于一个固 定于海底 的悬臂结构,头部附有很大集中质最?海洋底部是经过长年沉积、风 化、腐蚀形成的,具有相 当厚的柔软复盖 层?大部分平台就是建筑在达样松软而又未经很 好处 理的地基上?与一般陆上建筑物相比,海洋建筑所承受的动载又具有最大、种类多、周期频繁特点?根据以上海洋结构 特点可 以看出,平 台结构 的动力分析是其设计计算中一个十分突 出而又重要的 问题?与 一般结构动力学相比,其动力分析又有二方面特点?一是 藕合特性?在 海洋工程动力分析中,结构与流体、结构与土壤之间祸合具有十分重要意义?二是环境荷载的随机特性

5、,其中包括风、浪、流、冰、地震等都具有一定非决定因素?三、海洋结构的动力荷载海洋结松功勺 动力荷载可分为二 大类?自然荷载与人为荷载?自然荷载按成因 又可分为流体荷载、风荷载、地震荷载、浮冰荷载四种?人为荷载是指各种生产活动中?包括船、机撞击,钻井操作、机械、吊车运转等?产生的动力载荷?这些荷载中以流体荷载为主,达将要在本节中主要加以讨论的?地震、浮冰荷载在某些地区是应该考虑的,这将在下面另行叙述?风荷载一般 只占平台全部环境荷载?务不到,人为荷载则更小,它们均 与 一般陆上结构分析相类同,就 不再重述?流体荷载是由波浪、海流、涡旋脱离、超驰振动、波浪破碎与拍击等各种因素造成的,其中又 以波浪

6、作用为 主?波浪是风吹水面而引起的,风停后将继续存在?波浪面在深水、小振幅情况下,接近于理想正弦曲线?在 浅水中峰变陡、谷变平,而趋于余摆线?陡度增加时,其不 对称性也增加?风致区也有不规则效应?表示波浪特征主要有二个要素,即周期与波高?我们通常看到波浪以较大速度单方向向前传播,但是在稳态波中的水质点且以较低速度作有规律的往复运动?在一个波浪周期中水质点完成一个接近于封闭的轨道运动,轨道的垂直直径等于彼高?深水中,水面质点的运动轨道接近于一个圆,它的直径随深度增加而显著减小,深度超过一个波长后,水质点几乎变为静止了?浅水中,水面质点轨道近似于椭圆,它的长轴平行于海底,短轴随深度增加而 减小,直

7、到海底只有水平运动?波浪能量大小也依赖于周期与波高,其一半是势能,由水面波形引起,一半是动能,来自水质点速度?能量密度随频率分布叫波谱,波谱将用于结构的谱分析?波浪的卓越频率一般在? ? ?之间?波浪力的确定?计算?包括风一浪一质点运动一波浪力三步过程?下面将分步叙述?风的风速、风时和风区决定了波浪参数?风致波浪的精确机理尚未充分了解,但预报波形的各种半经验半理论方法已经确定,如?法,?一?法,? ? ?法,? ? ?法等?它们给 出一系列曲线图,可由给定风速、风时、风区直接查出有效波高及有效波周期的无量 纲参数值?应该指出,实际海洋波浪是由不同周期和波高的波相互叠加而成,这是由风的大 小、范

8、 围、方向不断变化引起的?因此远海风浪一般具有宽谱特征,适宜于用谱分析方 法?当波浪 移 出生成区或当风停止后,风 浪即变成涌?涌传播很远,并长距离保持一定形状,而且其中周期较长的 波成份较多,具有窄谱特征?因此,在滨海区结构主要是受到波长较长、波高中等的涌浪波作用?由波浪形状参数计算水质点运动状态?速度及加速度场?的波浪理论包括一阶近似线性波理论? ? ?理论,高阶?三阶、五阶?波理论? ? ?理论及孤立 波、椭 圆余 弦波理论等?这些理论均给 出了水质点速度及加 速度表示 为已知波高、周期及实际水深的解析表达式,可用于 直接计算水表 面及水中各点速度与加速度的水平、垂直分量?波浪中水质点运

9、动造成对建筑物的波浪力?波浪力的形成机理可包括 阻力、惯性力、绕 射力、反射力四部分?物体造成流的扰动引起阻力,其一阶近似比例于物体的迎波面面积及流速平方?物体排 开及 滞缓了水质量引起惯性力,其与物体体积及水流加速度成比例?对于大物体,波浪 由于物体的存在除了由人射波产生的力?阻力、惯性力?外,还有散射波分量产生的绕射力三对 于无 限大物体的纯反射将产生 反射力?这四种力对于不同情况各有侧重?对于结构 的特征尺度小于?个波长时,只计阻力与惯性力,其中若结构的特征尺度小于?个水质点轨道长度时以阻力为主,反之以惯性力为主?当结构的特征尺度大于?个,小于一个波长时,要计人绕射力影响?如果 超 过波

10、长时,则以反射力为主?因此一般来说,桩基式平台以阻力项为主,重力式平 台以惯性力、绕射力项为主,海堤与防波堤以反射力为主?计算波浪力主要采用著名的? ? ? ?方程,它表明波浪力为由于水流经物体的速度所引起的阻力及水体加速度所引起的惯性力的线性和,也即可用上面求得的水质点速度和加速度解析求算波浪力? ? ? ?公式中包含阻力系数、质量系数,它们分别取决于水流雷诺数、构件表面光滑程度及截面相对形状? ? ? ?方程的真实性已在实验室中多次证实,计算精度在于随机三维海洋中质点动力学描述?计算绕射力需采用绕射理论?对于几种基本几何形状物体已有封闭形式解,如对圆柱体绕射力可用相对直径的第一、二类肠?

11、? 函数的导数来表示?对于任意形状建筑物可用圆柱体解乘绕射系数来计算,也可用计算机较精确求解?根据线性波理论,用在人射波相反方向上蚕加一个完全反射的波的方法,可得到直立墙上反射力的简单解析表达式即人射波高、水质量密度、波长与重力加速度的乘积?潮和风以及在河口处产生海流?海流在波浪起作用的海面?约水深为一个波长区域?以下地区作用显著?定向海流引起静荷载,脉动海流?湍流?引起动荷载?湍流频率较低,对建筑物动力分析影响不大?它们均可按阻力、惯性力公式由海流速度与加速度进行计算?海流和波浪通过直立构件时均可能产生规则的涡旋脱离?在稳定流中涡旋从构件某一侧交替地分离,产生与流向垂直的振动力升力和流向上脉

12、动阻力?升力频率等于一对涡旋脱离的频率?脉动阻力的主频率为升力频率的两倍?涡旋脱离的产生取决于雷诺数和人射流的速度分布?涡旋脱离频率及 无? 纲升力系数、脉动阻力系数取决于构件截面形状、相对流向及雷诺数?升力频率或脉动阻力频率接近于结构固有频率时将激发起诱导振动?超驰振动是发生在海流中结构的另一种振动形式?这是一种自激振动,物体运动诱导的力在其运动方向上,这样流体对物体作功,当输人的功大于结构阻尼消耗的能量时,便产生不稳定振动?超驰振动发生在多边形截面构件在一定方向人射流情况下?如果结构构件轴平行于海面,当波浪通过时,构件将交替地沉 没或露出水面?这种交替变化的碰击或撞击荷载也可引起结构被激振

13、动?在深水、风暴条件下,波浪常常达到极限陡度而破碎从而影响波浪力的分析?空气卷人将使问题进一步复杂化?波浪在建筑物上直接破碎,将可能大大超过通常计算的波浪力?以上这些问题目前仍 只局限于定性模拟试验,其机理有待进一步弄清?四、海洋结构的动力分析模型为进行海洋结构的动力分析,除上述荷载外,还需建立合理的结构理想化力学模型?固定式海洋平台包括钢框架桩基式与混凝土 重力式二种类型?结构主要包括基 础、塔架,台面及附属?生产、生活?设施四部分?后面二部分露出水面,对于二类结构 区别不大?而浸于水中的前二部分对桩基式则为桩基及框架?对重力式则为沉箱及塔柱?除沉箱可看成刚性体外,其它均为柔性结构。平台结构

14、为多种部件、构件组合而成的复杂结构?目前为进行动力分析,进行简化而建立的理想化力学模型很多,总的可分为三大类?一类是离散化模型,即将结构离散为质最、刚度、阻尼系统按基本方程?材?戈?戈?用数值计算方法求解?二是连续体模型,即将部件、构件经适 当简化为梁?杆?系、柱、深 梁、板、箱、壳等弹性体组合件来解析求解?三是半连续模型,即将主要?或所需研究的局部?柔性部件作为连续弹性体,而将次要?或其它?部件、构件作为刚性体或附加质量、刚度、阻尼来处理?无论哪类模型均需确定海洋结构的三个主要物理特性?质量、刚度、阻尼?达些是涉及结构的固有频率及动力反应的主要参数?它们除了和陆上结构物有相类似地方外,还有许

15、多需要特别提出的?海洋结构的质?计算除结构本身质量外,还有三部分附加质盘?一是附加流休质量?其中包括空心构件内水的全部质?和构件外部附着水质量?附着水质最大小可按势流理论确定?其与构件截面形状、尺寸、相对 运动方向及海水质量密度有关?二是附加海洋生物质量?海洋生物包括软生物?海绵、海鞘、海藻、海葵等?,硬生物?贻贝、管虫、藤壶等?两类?它们附着构件表面而增加的质量与深度、离岸距、流速、水温、年限等有关,一般在 ? ?一? ?千克?米,左右?三是附加地基土壤质量?由于结构运动而有一部分土体质量随之运动而计人在结构质量内,即 土壤的等效惯?对于重力式平台,是按刚性物体在半无限空间 上振动的理论解求

16、得?其垂直及水平运动的等效质量 与沉箱有效半径立方及土体密度成正比,比例系数依土体泊松比及运动方向不同取为?一?。之间?其摇摆及扭转运动的等效转动惯量与 沉箱有效半径五次方及 土体密度成正比,比例系数依土体泊松比及转动方向不同取为?一?之间?对于桩基式平台,一般可忽略土体附加质量?海洋结构的刚度计算除结构本身刚度外,还需增加土体附加刚度?有效弹簧常数?对于 重力式平台,取 自于半无限空间 上基础的理论解,其垂直及水平运动的等效平移弹簧常数正比于沉箱有效半径及土体杨氏模量?其摇摆及扭转运动的等效转动弹簧常数正比于沉箱有效半径的立方及土体杨氏模量?对于桩基式平台,将埋人桩柱等效为模拟悬臂梁,并附有横向分布弹簧,轴向、转动集中弹簧,分 布弹簧系数可随深度而变化?另外,也可应用“表视 固定基面”概念,即取?一?倍桩直径深度处完全固定 方法来进行计算,以总体计人土壤刚度影 响?海洋结构物的 阻尼包括结构本身阻尼及流体、土壤附加阻尼?结构阻尼