第二章 設(shè)計荷載第一節(jié) 設(shè)計荷載分類按建造、安裝和使用期間海洋平臺所經(jīng)受荷載的性質(zhì)對作用于海洋平臺上的荷載進(jìn)行分類。設(shè)計荷載使用荷載施工荷載環(huán)境荷載固定荷載活動荷載吊裝力裝船力運輸力下水力和扶正力地基的反作用力一、使用荷載定義：平臺在使用期間，除環(huán)境荷載以外的各種荷載。使用荷載活動荷載可變荷載動力荷載結(jié)構(gòu)自重固定荷載防腐陽極塊重量附屬結(jié)構(gòu)重量機(jī)械設(shè)備重量管道重量容器重量作用在平臺水下部分的浮力結(jié)構(gòu)在空氣中的重量可變荷載：荷載的大小或位置隨時間緩慢變化的荷載，一般按靜荷載處理。動力荷載：隨時間而變化具有顯著的動力性質(zhì)的荷載，包括循環(huán)荷載、沖擊荷載及事故荷載。通常把動荷載乘以一個動力放大系數(shù)，把動荷載轉(zhuǎn)化為等效靜荷載。對使用荷載進(jìn)行分類主要在于為構(gòu)件的強(qiáng)度和穩(wěn)定設(shè)計提供最危險的荷載組合。設(shè)計時使用荷載主要包括：甲板荷載、直升飛機(jī)著降荷載、船舶停靠平臺時的?？亢奢d。1.甲板荷載甲板荷載主要取決于布置在甲板上的工藝設(shè)備、機(jī)械設(shè)備、生活和生產(chǎn)設(shè)施，以及其他的備用品和補(bǔ)給品根據(jù)工藝布置繪制甲板荷載分布圖，明確相應(yīng)作業(yè)工況下甲板上各部分的最大均布荷載和集中荷載值甲板上均布荷載住所、走道≥4kN/m2工作區(qū)≥8kN/m2生產(chǎn)儲存區(qū)≥14kN/m2直升飛機(jī)著降荷載直升飛機(jī)著降通常以制造廠家提供的數(shù)據(jù)作為設(shè)計依據(jù)直升飛機(jī)降落荷載約為其最大起飛重量的2～3倍《海上固定平臺入級與建造規(guī)范》規(guī)定：直升飛機(jī)降落時的沖擊荷載不得小于直升飛機(jī)最大起飛重量的3倍沖擊荷載河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院73.船舶?？亢奢d船舶?？亢奢d系纜力擠靠力撞擊力由于風(fēng)和流的作用，通過系船纜作用在平臺上的力由于風(fēng)和流的作用，使?？吭诖a頭的船舶直接作用在平臺上的力船舶靠岸或在波浪作用下撞擊平臺時產(chǎn)生的力（1）系纜力1)風(fēng)產(chǎn)生的系纜力F（當(dāng)風(fēng)向垂直于船舶縱軸時）（當(dāng)風(fēng)向垂直于船舶縱軸時）Kn

——各系船柱受力不均勻系數(shù)F0

——作用于船體上的風(fēng)壓力

K——船舶的風(fēng)載體型系數(shù)

p

——風(fēng)壓強(qiáng)度A——船舶的空載橫向受風(fēng)面積n——風(fēng)向垂直船舶縱軸時，實際受力的系船柱最少數(shù)目

n1——風(fēng)向平行船舶縱軸時，實際受力的系船柱最少數(shù)目

ɑ

——系船纜的水平投影與平臺靠船裝置前沿線的夾角

β

——系船纜與水平面的夾角2）海流作用產(chǎn)生的系纜力F船舶系泊于平臺時，作用于船體上的水流力包括形狀阻力和表面摩擦阻力。a.作用于船體水下部分的形狀阻力FD：K——繞流系數(shù)u——海流速度A——水線以下船體側(cè)面投影面積L——最大船長ht——平均吃水深度γ

——海流流向與船舶縱軸的夾角K——繞流系數(shù)u——海流速度A?——船體浸水部分表面積L——船長B——船寬

ht——船舶吃水

Cb——方形系數(shù)b.作用于船體表面的摩擦力Fm：將海流對船舶的作用力F分解：垂直于船舶縱軸的力F：平行于船舶縱軸的力F：垂直于船舶縱軸的力FN：平行于船舶縱軸的力FT：3）波浪作用下的系纜力F波浪作用對系纜力的影響較大，它與波浪要素、船舶動力特性有關(guān)。用布賴恩公式對其值進(jìn)行初步估計：H

——波高F0

——作用于船體上的風(fēng)壓力θ

——

船舶仰俯角L

——

最大船長（2）擠靠力Kj

——擠靠力分布不均勻系數(shù)，取為1.1F0

——作用于船體上的風(fēng)壓力——船舶直線段與碼頭接觸的長度n

——與船舶接觸的防護(hù)設(shè)施數(shù)目——各接觸點擠靠力分布不均勻系數(shù)，取為1.3定義：?？吭谄脚_的船舶受風(fēng)、流或冰的作用，通過防沖設(shè)施傳遞給靠船結(jié)構(gòu)物且方向指向結(jié)構(gòu)物的作用力。當(dāng)風(fēng)向垂直于船舶縱軸時的擠靠力Fj：（防護(hù)設(shè)施連續(xù)布置）（防護(hù)設(shè)施間斷布置）（3）撞擊力1）船舶靠泊時的撞擊力計算有效動能：引起船舶、平臺及防沖設(shè)施變形的能量。Cd

——有效動能系數(shù)Cs

——船殼變形系數(shù)，一般取為0.9Cm

——附加質(zhì)量系數(shù)Ce

——偏心率，即考慮船舶回轉(zhuǎn)而對船舶能量的折減系數(shù)r——船舶回轉(zhuǎn)半徑L——船長a——船舶重心與撞擊接觸點之間的距離

C1

——平臺的變形系數(shù)C2

——防沖設(shè)施的變形系數(shù)

C3

——船體的變形系數(shù)2）系泊時波浪作用引起的撞擊力計算H

——船舶?？繒r，最大波高T

——船舶停靠時，波浪的最大周期Δ——可能?？坑谄脚_的船舶滿載排水量g——

重力加速度求解撞擊力的關(guān)鍵是確定波浪作用下船舶撞擊結(jié)構(gòu)物的法向速度un。法國平臺設(shè)計規(guī)范推薦的計算船舶最大撞擊力的公式：二、施工荷載定義：平臺在施工期間所受到的荷載；它是發(fā)生在建造、裝船、運輸、下水和安裝等階段的暫時性荷載。1.

吊裝力確定吊裝力時，應(yīng)考慮作用于結(jié)構(gòu)上的力的特性。為補(bǔ)償可能發(fā)生在吊點上的任何側(cè)向荷載，應(yīng)加上與靜吊索荷載同時作用的大小為5%的靜吊索荷載的水平力應(yīng)考慮重物由于運動而產(chǎn)生的動力荷載和其它因素引起的額外荷載對吊點構(gòu)件設(shè)計，應(yīng)取荷載系數(shù)去乘所得到的靜荷載吊裝力荷載系數(shù)開敞無掩護(hù)海區(qū)吊點2直接與吊點連接的構(gòu)件1.35傳遞提升力的構(gòu)件近岸有掩護(hù)海區(qū)吊點1.5直接與吊點連接的構(gòu)件1.15傳遞提升力的構(gòu)件2.

裝船力裝船包括吊裝裝船和滑移裝船。吊裝裝船：將結(jié)構(gòu)物直接吊裝到駁船上滑移裝船：用滑道或軌道臺車把結(jié)構(gòu)物水平移到駁船上應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)物在滑移過程中的可能出現(xiàn)的最不利的支撐情況計算

支撐力，校核其強(qiáng)度和穩(wěn)定，尚應(yīng)計算開始移動時所需的水平力。3.

運輸力應(yīng)根據(jù)運輸方式、作業(yè)時的海況、氣象條件計算運輸力。4.

下水力和扶正力結(jié)構(gòu)物下水期間要考慮結(jié)構(gòu)重力、慣性力、浮力、水阻力、搖臂支撐力扶正力：浮吊吊裝時結(jié)構(gòu)物所受的力地基的反作用力大多數(shù)導(dǎo)管架扶正后，導(dǎo)其底部配置有防沉板結(jié)構(gòu)防沉板設(shè)計應(yīng)使地基承載力滿足一定的安全系數(shù)要求，一般取為2.0防沉板應(yīng)具有一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以承受地基的反作用力注：在海洋環(huán)境下施工，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的固定荷載、最大臨時荷載和環(huán)境荷載進(jìn)行適當(dāng)組合后對結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核施工荷載一般不屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計控制荷載，故通常采取臨時性措施來滿足三、環(huán)境荷載定義：由風(fēng)、浪、流、冰和地震施加到平臺結(jié)構(gòu)上的荷載。海洋平臺結(jié)構(gòu)在環(huán)境荷載作用下，發(fā)生過許多重大災(zāi)難性事故。1961年，美國新澤西州近海TEXAS平臺被暴風(fēng)摧毀，死亡28人；1979年，我國的自升式鉆井平臺渤海2號在移位過程中，因為操作不當(dāng)而翻沉，死亡70余人；1980年，北海挪威EKOFISK油田的一座半潛式平臺ALEXANDER

KIELLAND號因結(jié)構(gòu)疲勞破壞發(fā)生傾覆，死亡120人；1981年，在加拿大東部近海，一座半潛式平臺鉆井平臺在風(fēng)暴中失事，死亡數(shù)十人。因此，充分認(rèn)識海洋結(jié)構(gòu)所處海洋環(huán)境的特點和風(fēng)險,并且合理評估鉆井平臺荷載, 是十分必要的。環(huán)境荷載：直接或間接由于環(huán)境作用引起的荷載。（一） 風(fēng)荷載（二）波浪荷載（三） 海流荷載（四） 冰荷載（五）

地震荷載（一） 風(fēng)荷載風(fēng)是空氣的流動，風(fēng)的強(qiáng)弱以風(fēng)速大小表示。具有一定速度的風(fēng)受到結(jié)構(gòu)物阻擋時即對之產(chǎn)生作用力。作用于海洋結(jié)構(gòu)上的有水平風(fēng)力和風(fēng)力矩。下面介紹如何確定設(shè)計風(fēng)速及由風(fēng)速推算風(fēng)荷載大小的辦法。1.設(shè)計風(fēng)速的確定《海上移動平臺入級與建造規(guī)范（2005年）》中確定設(shè)計風(fēng)速選取標(biāo)準(zhǔn)是：無限航區(qū)作業(yè)平臺，最小設(shè)計風(fēng)速分別為100kn和70kn：（1）自存工況風(fēng)速:51.5m/s(100kn×1.853×1000/3600=51.47（m/s)（2）正常作業(yè)工況：36m/s(70kn)對于具有作業(yè)限制附加標(biāo)志的平臺，其正常作業(yè)工況的風(fēng)速可以減小，但不應(yīng)該小于25.8m/s。按照實際海域的觀測資料確定風(fēng)速，取重現(xiàn)期為50年的風(fēng)速。當(dāng)無條件進(jìn)行海、陸大風(fēng)風(fēng)速間相關(guān)分析時，可用陸上風(fēng)速乘以風(fēng)速增大系數(shù)代替海上風(fēng)速。海上風(fēng)速與陸上風(fēng)速之間關(guān)系可以查表確定，一般海上風(fēng)速為陸上風(fēng)速的1.1~1.3。2.

風(fēng)荷載

風(fēng)荷載包括風(fēng)的拖曳力和升力。基本風(fēng)壓p0的確定海平面以上10m處的風(fēng)壓值為基本風(fēng)壓p0。計算公式為:u--設(shè)計風(fēng)速，或者經(jīng)觀測資料分析得到的50年重現(xiàn)期風(fēng)速風(fēng)荷載-拖曳力影響風(fēng)荷載的兩個因素：風(fēng)速受到海洋表面粗糙度的影響；離海平面越近，風(fēng)速越低。1）高度因素——風(fēng)壓高度變化系數(shù)kz計算結(jié)構(gòu)物不同高度處的風(fēng)壓強(qiáng)時，需乘以風(fēng)壓高度系數(shù)，表示實際高度位置風(fēng)壓與海面以上10米處風(fēng)壓的倍數(shù)。2）構(gòu)件的外形因素:風(fēng)載體型系數(shù)K風(fēng)載體型系數(shù)系數(shù)K表示構(gòu)件對風(fēng)的阻擋效應(yīng)，即風(fēng)吹到結(jié)構(gòu)物表面引起的實際風(fēng)壓與按結(jié)構(gòu)物輪廓擋風(fēng)面積計算所得到的理論風(fēng)壓的比值。主要與結(jié)構(gòu)物的體型、尺度有關(guān)。規(guī)范中給出的風(fēng)荷載計算公式為：式中:——風(fēng)壓高度系數(shù)——風(fēng)載體型系數(shù)——基本風(fēng)壓——受風(fēng)作用的輪廓面積按照風(fēng)壓中心到海平面以上的高度選取風(fēng)壓高度變化系數(shù)風(fēng)載體型系數(shù)（3）考慮脈動風(fēng)壓的風(fēng)荷載計算對于平臺上高聳結(jié)構(gòu)，其柔性較小，某些風(fēng)速作用下誘發(fā)風(fēng)激振動。比如，渤海4號為桁架式樁腿，設(shè)計水深91.5米，在渤海灣作業(yè)時，由于樁腿外伸出船體數(shù)十米，曾發(fā)生過嚴(yán)重的風(fēng)激振動現(xiàn)

象。所以對樁腿一類高聳柔性結(jié)構(gòu)，考慮風(fēng)的動力效應(yīng)是需要的，而不能僅僅考慮靜風(fēng)力。風(fēng)速隨時間變化，是時間的函數(shù)，因此風(fēng)壓力本質(zhì)上是動荷載。由于高聳結(jié)構(gòu)比如樁腿基本自振周期較長，在風(fēng)荷載作用下具有明顯的動力效應(yīng)。當(dāng)高聳結(jié)構(gòu)基本自振周期這種動力作用就不容忽視。結(jié)構(gòu)動風(fēng)荷載應(yīng)按下式計算式中,——風(fēng)振系數(shù)。一般可按照下表取值：（4）風(fēng)的升力計算對于大面積的平面結(jié)構(gòu)，如直升機(jī)平臺甲板，風(fēng)對其作用一方面引起風(fēng)向的拖曳力，此外引起垂直于結(jié)構(gòu)表面的作用力，稱為升力。風(fēng)向風(fēng)的升力風(fēng)的升力示意圖特別當(dāng)平臺傾斜時，升力的作用影響移動式平臺的穩(wěn)性，甚至導(dǎo)致傾覆。升力的計算公式為：式中，為升力系數(shù)；其余符號意義同前。在DNV規(guī)范中，給出了不同結(jié)構(gòu)形狀的升力系數(shù)，可供計算時使用。在工程設(shè)計中：風(fēng)的長周期變化一般是按靜態(tài)處理風(fēng)的短周期脈動效應(yīng)按準(zhǔn)動態(tài)處理當(dāng)風(fēng)作用在高而細(xì)的柔性建筑物上時，需要考慮風(fēng)的動力效應(yīng)風(fēng)荷載2008年12月22日hsj@流體的粘滯性引起流體運動慣性、結(jié)構(gòu)物存在引起粘滯效應(yīng)繞射效應(yīng)阻力（或稱為速度力、拖曳力附加質(zhì)量效應(yīng)質(zhì)量力（或稱為慣性力結(jié)構(gòu)物對入射波浪的散射作用散射效應(yīng)結(jié)構(gòu)物與流體自由表面之間作用自由表面效應(yīng)大尺度結(jié)構(gòu)物波浪對海洋結(jié)構(gòu)物的作用效應(yīng)：（二）波浪荷載波浪荷載是設(shè)計海洋平臺的重要環(huán)境荷載之一。作用在結(jié)構(gòu)上波浪力的大小除與結(jié)構(gòu)所在海區(qū)的設(shè)計水深、結(jié)構(gòu)形狀和尺寸大小有關(guān)外，主要取決于根據(jù)平臺設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)所選取的波浪參數(shù)或海浪譜。設(shè)計波高的選?。篜部分大波的波高HP：將波高按從大到小順序排列，取最高的前P個波高計算其平均值，稱為該P(yáng)部分大波的波高，記作HP。美國、日本等國采用此法；習(xí)慣稱H1/3為有義波高設(shè)計平臺采用的設(shè)計波高應(yīng)取服役海域某一重現(xiàn)期內(nèi)波高的極值設(shè)計波高取決于結(jié)構(gòu)物所在海域的設(shè)計波浪情況和結(jié)構(gòu)物的重要性，遵照規(guī)范要求應(yīng)盡量做到既保證安全，有經(jīng)濟(jì)合理，綜合考慮加以決定1．波浪參數(shù)（1）設(shè)計波高根據(jù)平臺所在位置及附近海域長期實測資料（要求不少于一年），推算不同重現(xiàn)期的設(shè)計波高。我國《海上移動平臺入級與建造規(guī)范》規(guī)定的設(shè)計波高的選取方法：－最大波高的可能值，根據(jù)波數(shù)選取－破碎臨界波高，根據(jù)規(guī)范選取渤海深水波高為：對應(yīng)波數(shù)。其中為有義波高值波數(shù)計算公式：或，

和

分別為波長和波浪頻率。淺水設(shè)計波高為：比值可由規(guī)范直接確定；－波高的平均值：（2）波浪周期某一重現(xiàn)期的最大波高的可能值

所對應(yīng)的周期T，應(yīng)采用使平臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最大應(yīng)力值的周期。周期T的范圍為一般波浪周期T均小于20s,而周期為 時，已達(dá)到破碎極限。實際工程的計算方法是：采用不同的波浪周期，計算平臺的應(yīng)力，直至得到平臺的最大應(yīng)力。2.海浪譜從波浪實際觀測中發(fā)現(xiàn)，海面的波動是一個隨機(jī)的過程，波面高度隨機(jī)變化，波動周期時長時短。工程中常用郎尤特-黑金斯（Longuet-Higgins）提出的海浪模型。這個模型是把海上一固定點的水面波動用多個隨機(jī)余弦波的疊加來描述，其表達(dá)式為式中－第n個余弦組成波的振幅，m；－第n個余弦組成波的圓頻率，；－第n個余弦組成波的隨機(jī)初相角，它是均勻分布

于范圍內(nèi)的隨機(jī)量。如果把介于( )范圍內(nèi)的各組成波的振幅平方之半疊加起來，并除以包含所有這些組成波的頻率范圍 ，所得的值將是一個函數(shù)，即而 相當(dāng)于在單位頻率間隔內(nèi)海浪的平均能量,

相當(dāng)于能量密度相對于組成波頻率的分布函數(shù)，這個函數(shù)稱為譜。由于其實質(zhì)是代表海浪的能量，所以稱為能譜，又因為它是能量相對于頻率的分布，因而也稱為波浪頻譜。根據(jù)波浪譜，可以求出波浪的統(tǒng)計量。如果缺乏結(jié)構(gòu)海區(qū)的實際海浪譜資料，可以采用下列兩種海浪譜：（1）Pierson-Moskowitz(P-M)譜產(chǎn)生于1963年，對北大西洋充分發(fā)展的海浪統(tǒng)計的結(jié)果式中，a－菲利普經(jīng)驗常數(shù)，a＝0.0081；g－重力加速度，,

－海面以上19.5m處的風(fēng)速。（2）Bretschneider譜適用于風(fēng)的作用范圍相對小的水域，其表達(dá)式為式中，；；－有義波高，－有效波周期。根據(jù)海浪譜，可求出一系列波的波高及波浪周期。3.小尺度孤立樁柱上的波浪力計算對于構(gòu)件直徑與波長之比

小于或等于0.2時的構(gòu)件，稱為小尺度構(gòu)件。（1）垂直小尺度構(gòu)件上的波浪力波浪垂直于小尺度構(gòu)件單位長度上的波浪力

，可采用莫里森（Morison）公式計算。根據(jù)Morison公式，單位長度上的波浪力為：式中，拖曳力為其中；

－海水密度；

－拖曳力系數(shù)，由試驗確定，如試驗資料不足時，圓形構(gòu)件；

－水質(zhì)點的速度水平分量；－構(gòu)件構(gòu)件運動速度水平分量。單位長度的慣性力為=附連水慣性力+構(gòu)件排開水的慣性力－單位長度構(gòu)件體積；－附連水質(zhì)量系數(shù)－慣性力系數(shù)，由試驗確定，在試驗資料不足時，圓形構(gòu)件??；－水質(zhì)點速度水平分量；－水質(zhì)點加速度水平分量。水平波浪力 由兩個部分組成，一是波浪水質(zhì)點運動的水平速度;另一是波浪水質(zhì)點運動的水平加速度 引起的引起的拖曳力慣性力

。當(dāng)進(jìn)行樁基平臺結(jié)構(gòu)靜力分析時，、可取為水質(zhì)點的水平速度與水平加速度。同時因構(gòu)件直徑遠(yuǎn)小于設(shè)計波浪的波長，可認(rèn)為構(gòu)件的存在對波浪運動無顯著影響，此時，、可取在樁柱中心垂線位置上的波浪水質(zhì)點水平速度與水平加速度值。作用于垂直樁柱上的總水平波浪力F可由下式計算式中 －靜水面以上波動水面高度（2）傾斜圓柱形構(gòu)件上的波浪力傾斜圓柱形構(gòu)件如下圖所示：圓柱形傾斜構(gòu)件構(gòu)件軸線與z軸夾角為 ，平面上投影與x軸夾角為 。傾斜構(gòu)件上波浪力仍按照莫里森公式計算，但是需要將莫里森公式寫成矢量形式，即在空間坐標(biāo)系下確定出垂直構(gòu)件軸線方向的流體質(zhì)點速度和加速度。將莫里森公式寫成矢量形式，則可得到深度為y處單位長度波浪力的一般表達(dá)式式中

與

是水質(zhì)點速度與加速度的法向矢量（垂直于構(gòu)件軸線），

為水質(zhì)點速度法向矢量的模。在三維坐標(biāo)系下，法向矢量可表示為得到傾斜構(gòu)件波浪力計算的莫里森公式為4、波浪理論與有關(guān)公式在確定了流體質(zhì)點速度和加速度的情況下，波浪力很容易由莫里森公式計算。所以確定流體質(zhì)點速度和加速度是關(guān)鍵問題。計算波浪力時，應(yīng)根據(jù)設(shè)計波高H、周期T和水深d選用適當(dāng)?shù)牟ɡ死碚?。根?jù)水深波長比（d/L）、波高水深比（H/d）可提出常用的波浪理論適用范圍。、時，采用線性波理論，適用于波幅較小情（1）當(dāng)況；當(dāng)

、

時采用有限振幅波理論（司托克斯波理論）；適用于波高較大情況，由于該理論沒有涉及水深的影響，不適合于淺水情況。當(dāng)時

（淺水），采用橢圓余弦波理論，此時，由于水淺，水深影響水的流動，所以必須考慮水深求流速和加速度。米哈特（Mehaute）1976年給出了不同波浪理論的適用范圍，如下圖：波浪理論的適用范圍2008年12月22日hsj@海面位移波浪理論波浪運動微幅波理論斯托克斯波理論假定波高與水深相比無限小孤立波理論波浪理論橢圓余弦波理論線性理論用有限個簡單的、頻率成比例的余弦波逼近單一周期的有限振幅波非線性理論適用于淺水波用來解釋近岸極淺水域的波浪現(xiàn)象用于淺海平臺設(shè)計5.群樁最大波浪荷載各個樁的波浪力與波浪相位角有關(guān)，所以對樁群應(yīng)根據(jù)不同的波剖面位置來確定作用于其上的最大總波浪荷載。（1）樁排垂直于波行進(jìn)方向：由于均位于相同的波浪相位上，故最大波浪荷載是單樁最大波浪力與樁數(shù)的乘積；樁排垂直于波行進(jìn)方向 樁列平行于波行進(jìn)方向（2）平行于波行進(jìn)方向的樁列：由于各樁所對應(yīng)波浪的相位不同，此時最大波浪荷載應(yīng)考慮為同一時刻各樁所受波浪力的疊加。（3）群樁效應(yīng)：由于群樁按排或列布置，在平臺設(shè)計中，應(yīng)考慮群樁的掩護(hù)作用和相互干擾作用。作用在一個構(gòu)件上的波浪力，將受到與之靠近的另一個構(gòu)件尾流場的影響。前面構(gòu)件尾流的旋渦可能激發(fā)后面構(gòu)件的動態(tài)響應(yīng)，使其波浪力增加，這即是群樁效應(yīng)。當(dāng) 時，應(yīng)該考慮群樁效應(yīng)。根據(jù)模型試驗和現(xiàn)場觀測，群樁的掩護(hù)和干擾作用主要和樁距I和樁徑D之比有關(guān)。一般認(rèn)為當(dāng) 時，樁的掩護(hù)作用和干擾作用可不予考慮；當(dāng) 時，應(yīng)將波浪荷載乘以群樁系數(shù)

。其值應(yīng)盡量由實驗確定，或者查閱有關(guān)資料。6.海生物附著對波浪力的影響海洋樁基平臺在使用期間，樁上會附著各類海生物，這樣會增大樁柱的阻力系數(shù)值 ，增大波浪拖曳力。據(jù)國外資料提供的數(shù)據(jù)，在海生物附著顯著的海域，波浪拖曳力增大20～40%；同時由于海生物附著，加大了樁柱的直徑，也必然加大了波浪慣性力。為此，規(guī)范中規(guī)定：在海生物附著范圍內(nèi)，莫里森公式中慣性力項的樁徑Ｄ應(yīng)按實際直徑計算，并將波浪拖曳力乘以相應(yīng)系數(shù)，其值可根據(jù)海生物附著程度的不同確定。7.大尺度構(gòu)件上的波浪力大尺度構(gòu)件指人工島、半潛式平臺等，其直徑或者尺度與波長的比值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于0.2，這類構(gòu)件稱為大尺度構(gòu)件。對于小尺度構(gòu)件，在構(gòu)件的寬度范圍內(nèi)，圓柱的存在僅僅影響圓柱周圍局部流暢流場，對波浪的反射作用不明顯，因此可以忽略構(gòu)件對于流場的影響。但是當(dāng)尺寸加大時，結(jié)構(gòu)的尺度相對于波長不在是小量，此時，結(jié)構(gòu)對波浪流場的反射和散射作用不可忽略。所以必須考慮結(jié)構(gòu)存在引起的波浪的繞射作用。考慮波浪的線性繞射計算波浪荷載，已經(jīng)提出了多種方法，主要有：格林函數(shù)法；奇點分布法、源匯分布法。（三） 海流荷載作為平臺荷載考慮的海流包括潮流和余流。潮流：由于天體運動產(chǎn)生的引潮力而造成的潮汐現(xiàn)象，因潮汐漲落產(chǎn)生的周期性海水水平流動。余流：水文、氣象等因素引起的海水流動，即非潮流部分的海流。漂流：由大范圍的信風(fēng)作用引起的定常海流梯度流：海面上空大氣壓力分布不均勻或海水密度分布不均勻會引起海水等壓面傾斜，從而產(chǎn)生沿等壓線流動的海流海底回流：在近岸海區(qū)，由于波浪破碎引起的海流風(fēng)海流是余流的主要組成部分。海流：指由于潮的作用、風(fēng)的拖曳等原因引起

的比較穩(wěn)定的水流運動。這種潮流或漂流往往

會改變波浪形態(tài)，影響作用在結(jié)構(gòu)上的波浪力。1.海流速度海流包括潮海流和風(fēng)海流，需要分別計算潮海流和風(fēng)海流,而后迭加得到總的海流流速。潮海流：流速隨水深而變化，實測資料不足時，可近似的取：潮海流按相對水深的1/7次方變化?？偤Ａ髁魉俳朴嬎愎綖椋菏街校O(shè)計泥面以上高度處的海流速度，－水面的潮流速度，－設(shè)計泥面以上的垂直距離，－水深，設(shè)計海流流速應(yīng)采用平臺使用期間可能出現(xiàn)的最大流速。其值可根據(jù)現(xiàn)場實測資料整理分析后確定。風(fēng)海流：主要是由風(fēng)引起的，特別是近海風(fēng)海流流向基本與風(fēng)向一致，因此可利用其與風(fēng)速的關(guān)系，估算出最大可能風(fēng)海流流速值

。式中

－10分鐘最大風(fēng)速，

；－系數(shù)， 一般，渤海采用

0.025，我國南海和東海可取0.04~0.08。2.海流力當(dāng)只考慮海流作用時，圓形構(gòu)件單位長度的海流荷載可按莫里森公式的拖曳力分量計算，即?式中???—海流拖曳力系數(shù)，與波浪力的 相同—海水密度—設(shè)計海流流速—單位長度構(gòu)件垂直于海流方向的投影面積當(dāng)考慮波浪與海流同時作用時，通常認(rèn)為莫里森公式仍可適用，其計算公式為：?左圖中， 為來流速度。當(dāng)在流體分離點產(chǎn)生旋渦時，流體旋渦逆時針旋轉(zhuǎn)速度為，對于管道上側(cè)，流體質(zhì)點速度變小為 ，下側(cè)流體質(zhì)點速度增加為 ，速度小的一側(cè)，壓力大，速度增大一側(cè)，壓力減小，兩側(cè)出現(xiàn)壓力差，該壓力岔即為升力

。3、卡門旋渦-渦激升力流體沿垂直于圓形構(gòu)件軸線勻速流動時，在構(gòu)件周圍會出現(xiàn)卡門旋渦。旋渦泄放時將產(chǎn)生一可變升力。該力的變動頻率接近時，會引起共振。進(jìn)行平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一定要避免這一現(xiàn)象發(fā)生。下圖為渦激升力：渦激升力圖圓柱體的漩渦瀉放，主要取決于兩個因素：一是雷諾數(shù)Re，一是海流速度分布。Re可由下式給出式中，－垂直于構(gòu)件軸線的海流速度－圓柱體直徑－海水運動粘滯系數(shù)對于海水漩渦的釋放頻率

：?稱為斯特勞霍爾數(shù)（Strouhal

number）。應(yīng)該避免漩渦的釋放頻率與結(jié)構(gòu)固有振動頻率接近或重合，防止產(chǎn)生渦激共振。4.波-流聯(lián)合作用荷載流速的處理波浪和海流共存，使海流流速增加，計算時應(yīng)該將波浪水質(zhì)點速度與海流水質(zhì)點速度矢量疊加。疊加方法如下圖所示：左圖中，V-設(shè)計海流流速；V1-潮流流速；Vw-風(fēng)生流流速；Vs-風(fēng)暴涌流速；

-風(fēng)生流的參考水深；

-靜水水深；z-水質(zhì)點靜水水面以下的垂直距離。波浪水質(zhì)點速度與海流水質(zhì)點速度矢量疊加圖（四）冰荷載在冰情嚴(yán)重的海域建造固定平臺，冰荷載是不容忽視的環(huán)境荷載，往往比波浪荷載還要大，成為平臺設(shè)計中的控制荷載。因此有冰情的海域，應(yīng)根據(jù)長期實測資料分析確定冰的厚度、強(qiáng)度和冰對平臺撞擊速度等。2008年12月22日hsj@1、冰荷載作用的主要類型流冰對平臺的沖擊作用平臺損壞的主要原因巨大的冰原包圍平臺產(chǎn)生的擠壓力??流冰期間冰塊對平臺的摩擦作用CCS規(guī)定平臺設(shè)計需考慮的冰荷載

海冰對其周圍的平臺產(chǎn)生的附加重力和附加浮力。（氣溫下降海冰結(jié)為一體，加之水位的漲落）在潮流和風(fēng)作用下的大面積冰原呈整體移動擠壓結(jié)構(gòu)。若結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠,則冰原將被切入或破斷而移動,荷載呈周期性變化，結(jié)構(gòu)發(fā)生振動。1969年春，中國渤海出現(xiàn)的特大冰封即以這種形式將一座固定平臺推倒。冰對結(jié)構(gòu)的作用是一個復(fù)雜的現(xiàn)象，影響因素較多。根據(jù)冰的特性和其與平臺的相互作用，主要應(yīng)考慮下列兩種冰荷載：（1）當(dāng)整個海面處于冰層覆蓋，平臺被冰原包圍時，在海流和風(fēng)作用下，大面積冰原呈整體移動擠壓平臺。如果平臺有足夠的強(qiáng)度，則冰原將被樁柱切入或割裂。這種冰荷載呈周期性變化，并伴隨著平臺振動而產(chǎn)生。（2）流冰期間，自由漂流的流冰沖擊平臺產(chǎn)生沖擊力。根據(jù)實際觀察，冰對平臺作用主要是這兩種。特別是第一種形式，在大面積冰原整體移動擠壓平臺過程中，冰原破碎的瞬間，作用

在平臺樁柱上的冰壓力最大。工程上關(guān)心的是最大水平冰壓力。根據(jù)冰的受壓強(qiáng)度極限，可求出冰被壓碎時的極限冰壓力，以此

作為設(shè)計冰壓力。影響冰壓力的主要因素：海冰的特性結(jié)構(gòu)物的形式海洋環(huán)境條件2、冰荷載（1）結(jié)冰海域內(nèi)，在風(fēng)和流作用下，大面積冰原擠壓垂直孤立樁柱所產(chǎn)生的冰荷載可按下式計算?式中 －樁柱形狀系數(shù)?－局部擠壓系數(shù)?－樁柱與冰層的接觸系數(shù)?－冰樣試樣的極限抗壓強(qiáng)度：渤海及黃海北部沿海取1.44MPa?b

－樁柱寬度（或直徑），m?h

－冰層計算厚度，m；應(yīng)根據(jù)實測資料分析確定在實測資料不足時，渤海和黃海北部沿海地區(qū)可?。哼|東灣

h=1m；渤海灣

h=0.8m；萊州灣

h=0.7m；式中主要參數(shù)應(yīng)盡量通過長期觀測，經(jīng)分析確定。若無實測資料，圓截面樁柱的m值可取為0.9，取為2.5，取為0.45。渤海及黃海北部沿海的冰荷載可按下面經(jīng)驗公式計算－樁柱寬度（或直徑），m；-冰厚(m)。（2）流冰對樁柱沖擊的冰荷載可按下式計算?式中 －樁柱形狀系數(shù)?－局部擠壓系數(shù)?－冰樣試樣的極限抗壓強(qiáng)度：渤海及黃海北部沿海取1.44MPa??bj

－樁柱寬度（或直徑），mh

－冰層計算厚度，m；應(yīng)根據(jù)實測資料分析確定對于三角形端部樁柱，冰塊被樁柱切入一定深度x時的最大冰壓力為：3、群樁上的冰荷載計算群樁上冰荷載時，應(yīng)考慮群樁的遮蔽作用。即當(dāng)冰原擠向平臺時，第一排樁直接受到未曾破碎冰層的擠壓；而當(dāng)冰原被第一排樁壓碎后擠向第二排樁時，冰荷載由于第一排樁的遮蔽受阻減小。在以往的平臺設(shè)計中，常采用折減系數(shù)方法處理，其折減系數(shù)取為：第二排樁0.75；第三排樁0.5；第四排樁0.25。這樣選取的折減系數(shù)是否恰當(dāng)尚有待進(jìn)一步現(xiàn)場實測和研究。如按這樣的折減系數(shù)計算，則4排樁固定平臺所承受的總冰荷載為單排樁冰荷載的2.5倍。為提高平臺的防冰能力和減小冰荷載，設(shè)計中應(yīng)盡量采用破冰、防冰和能較好的吸收冰沖擊能量的結(jié)構(gòu)形式。特別應(yīng)指出的是在冰凌作用的高程范圍內(nèi)不應(yīng)設(shè)置撐桿，同時應(yīng)注意合理布置平臺方位，使平臺抗傾覆能力強(qiáng)的方向與冰原移動