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海洋平台设计原理海洋平台是一种特殊的建设项目，可以在海上进行各种活动，如石油开采、风力发电、旅游观光等。
它需要经过精心的设计和规划，以确保其在恶劣海洋环境下的安全和可靠运行。
本文将介绍海洋平台设计的原理和相关要点。
首先，海洋平台设计的原理之一是稳定性。
由于海上环境的多变性，平台必须能够经受住各种风力、海浪和潮汐的冲击。
因此，设计师会考虑到平台的稳定性，采用合适的形状和结构来确保其不会倾覆。
其次，海洋平台设计的原理之一是材料的选择。
海水的腐蚀性是设计师必须考虑的重要因素。
他们会选择耐腐蚀的材料，如不锈钢或防腐蚀涂层，以延长平台的使用寿命。
同时，设计师还会考虑到材料的强度和刚度，以确保平台能够承受各类载荷。
此外，海洋平台设计还需要考虑到环境影响和生态保护。
平台可能会对海洋生态系统造成影响，设计师需要尽量减少对生态环境的破坏。
他们会采用环保技术和措施，如噪声控制、废水处理和废气排放控制，以保护周围海洋生态系统的完整性和稳定性。
另外，海洋平台设计还需要考虑到人员安全。
这些平台经常需要人员进行维护和操作，因此设计师必须确保平台提供良好的工作环境和安全设施，以预防事故和伤害。
他们会考虑到紧急撤离设备、消防系统、安全护栏等因素，以确保人员的安全。
此外，在海洋平台设计中，还需要考虑到平台的可维护性和可持续性。
由于平台将长期暴露在恶劣的海洋环境中，定期维护和保养是必需的。
因此，设计师会考虑到维护便利性和可持续性，以减少平台的维护成本和对环境的影响。
最后，海洋平台设计还需要考虑到经济性和可行性。
设计师需要在满足技术需求和安全要求的基础上，尽量降低平台的建设成本和运营成本，以实现项目的经济可行性。
总之，海洋平台设计涉及到多个方面的考虑，包括稳定性、材料选择、环境影响、人员安全、可维护性、可持续性、经济性和可行性等。
设计师需要综合考虑这些因素，以确保海洋平台在恶劣海洋环境中的安全运行和可持续发展。
1.如图1所示独桩海洋平台，其桩基由两段水平刚度不同的单元组成，其刚度分别为k1，k2，平台甲板处作用水平力p ，用有限元方法求解甲板水平位移、桩基两截面交点处A 点的位移。
（要求列出各单元刚度阵并组装成总刚度阵）
图1 平台简图
2.试确定图2所示海上结构节点2的波浪力表达式。
已知水深为d ，各杆件长度为L ，垂直杆外径为l 1，水平杆及斜杆外径为l 2。
结构的四个面相同。
设波高为Hm ，波长为λ，波浪频率为w ，节点2处波浪的速度幅值为E2,水质点的平均速度∧
2u ，水的密度ρ，1=D C ,2=M C 。
图2
注：∙
∙∙∧---+-=p p M p p p D p p op p U B C U u A C wt Kx F F )1()sin(ρρφ
1 2/122])()2
1[(w B C u A C E F p M p p D p op ρρ+=∧ w B C u A C tg p M p p D p 2∧
=φ，20πφ≤≤p
论述怎样选取次梁的截面。
海洋平台设计原理课程教学大纲课程代码：74120610课程中文名称：海洋平台设计原理课程英文名称：Principles of Offshore Platform Design学分：3.0 周学时：3.0-0.0面向对象：预修要求：统计学、结构力学一、课程介绍（一）中文简介本课程就各式海洋平台特性，介绍其设计要点和设计程序，特别强调设计方法论，包括极限状态设计法、板壳结构之极限强度分析、海洋平台之波浪负荷分析；海洋平台的疲劳强度分析及可靠度设计法；设计分析中不确定因素的分类处理与机率方法；海洋平台的寿期安全设计法。
透过课程的理论与方法学习和实践训练，使学生可系统地了解和掌握平台设计的结构强度、结构使用寿命和平台结构运营期间的安全可靠度。
同时具备应用统计学和可靠度理论计算平台结构特征负荷的能力；应用结构力学知识分析平台结构极限强度和疲劳强度的能力；以及综合评估平台使用寿命和寿期可靠度的能力。
（二）英文简介The main items and the procedure related to the design of various offshore platforms are demonstrated in the course.The design method dologies are particularly emphasized.Inwhich,the syllabus encompasses the limit-state method of design,the analysis theory of the ultimate of design,the analysis theory of the ultimate strength of plate and shell structures,analysis theory of characteristic wave loads sustained by offshore platforms,complete reliability design method in considering fatigue strength,categorization and probability method used in dealing with the uncertainty factors encountered in designs,and the life-cycle reliability design method.Through the theoretical and methodological studies and the practice ofexercises,students may systematically understand and master the design methods for the analyses of wave loads and structural strength.Also,the students can be provided with the capability of the design assessment of the fatigue life time of platforms,and the reliability and safety during the period of in-service operation .一、教学目标（一）学习目标基于海洋设计与一般结构物设计的不同，风险分析的概念与思想的强化是学习的首要重点。
桩基分类:施工方法:打入桩基础/钻孔灌注…/钟型…承载性状:摩擦型桩/端承型桩.受压桩的轴向承载力计算方法:静力法(以土壤力学实验和桩的载荷实验取得的数据位依据,把桩的特性/土壤的相对密度和被扰动土的抗剪强度等指标联系起来,再把试验数据用于这些指标/即可对受压桩的周向承载力进行估算)动力法(包括动力打桩公式、波动方程和动力试验方法)静载试桩法(基本又可靠的方法.在工程现场直接对桩加载,测试土对桩的阻力,准确) 横荷作用下单桩破坏性状:桩身由于载荷产生的弯矩过大而断裂;桩周土被挤出,导致桩整体转动,倾倒或桩顶位移过大.刚性桩破坏(桩短/桩顶自由,桩的相对刚度很大,破坏时桩身不会产生绕曲变形,而是绕靠近桩端的一点做刚体转动;桩很短/桩顶嵌固,桩与承台呈刚性平移)半刚桩破坏(半刚性桩或中长桩指在横向载荷作用下,桩身挠曲变形,但桩身位移曲线只出现一个位移零点;中长桩桩顶嵌固时,桩顶将出现较大反响固定弯矩,桩身弯矩减小并向下部转移,桩顶水平位移比桩顶自由情况下减小)柔性桩破坏(桩的长度足够大且桩顶自由时,横向载荷作用下,桩身位移曲线出现2个以上位移零点和弯矩零点,且位移和弯矩随桩身衰减很快.).群桩效应:当组成群桩的各个单桩间距较小时(8倍),由于相邻桩的相互作用,一般群桩的承载能力和变形特性要受到影响,这个影响通常成为群桩效应.沉降变大.影响群桩变形和各单桩荷载分配的主要因素：贯入深度与桩径比/桩的相对刚度/群桩布置.自升式平台的重量分类:空载重量(钢料重量/动力装置重量/固定设备重量)可变载荷(压载水/有效可变载荷(可移动设备重量/消耗品重量/钻台载荷及其他载荷)).拖航:平台重量=满载排水量=空载+可变载荷.升降:举升能力=空载+可变载荷.钻井:满载钻井重量=空载+可变载荷(包含钻井载荷)自存:风暴状况平台重量=空载+可变载荷(放弃部分载荷) 移航—就位—放桩—预压—升起主体—作业—降下主体—拔桩—提桩—固桩后移航获得自升式平台主要方式:直接从国外购买引进/购买平台图纸国内建造/自主设计建造自结构组成:船体升降机构桩腿桩靴专业设备生活模块直升机平台吊机……湿拖+干拖自升式平台的强度分析至少考虑工况:正常作业工况/迁移../升降..和自存..桩腿长度:桩腿设计入水深度,最大工作水深,静水面以上波峰高度,峰隙高度,船体型深,升降室高,余量.半台设况:1.满载半潜/静水状态,无向上加速度运动;2.满载半潜/静水状态,有向上加速度运动;3.满载半潜/静水状态,有向上加速度运动/大钩有负荷;4.满载半潜/风暴横浪/波峰居中;5.满载半潜/风暴横浪/波谷居中;6.满载拖航/斜浪状态;7.满载半潜/风暴横浪/波谷位于迎浪的前排立柱处/水平横撑破坏;8.满载半潜/风暴横浪/波峰位于迎浪的前排立柱处/水平横撑破坏.关键技术:高效钻井作业系统/升沉补偿系统/定位系统/水下设备/平台设备集成控制.平台特点:由立柱提供工作所需的稳性;水线面小,固有周期大,不大可能和波谱的主要成分波发生共振,运动响应小;浮体位于水面以下的深处,波浪作用力小.当波长和平台长度处于某些比值时,立柱和浮体上的波浪作用力能互相抵消,平台上的作用力很小,理论上甚至可以等于零.优点:具有极强的抗风浪能力/优良的运动性能/巨大的甲板面积和装载容量/高效的作业效率/易于改造并具备钻井/修井/生产等多种工作功能,无需海上安装,全球全天候的工作能力和自存能力等优点.设计要点:立柱上不设置舷窗或窗;立柱应与上壳体舱壁对齐且连结成整体;立柱应尽可能通过下壳体甲板;立柱/下壳体或柱靴可设计成有骨架支撑的壳体或无骨架支撑的壳体.导设计参数:使用../施工../海洋环境../海底地质...组成:导管架/钢管桩/甲板结构/设施和设备模块.分类:井口平台/生产处理../泵站与压缩机../生活../火炬../集油../注入../综合../其他种类..特点:结构简单/整体结构刚性大/安全可靠/适用于各种土质/造价低/海上安装工作量小.主要轮廓尺寸:上部结构轮廓尺寸:1.甲板面积:取决于使用要求/上部设施与设备的工艺布置,以及设施与设备的外形尺寸2.甲板高程.支承结构轮廓尺寸1.导管架的顶高程:上部结构与支承结构的连接形式;上部设施与设备在海上安装期是否需要加设临时施工平台2.导管架的底高程:导管架腿柱要插入泥面3.导管架层间高程4.导管架腿柱的倾斜度5.水面附近的构件尺度导结构设计原则和特点:总体布局合理,传力路径短,构件综合利用性好,材料利用率高,满足其他专业对结构型式的要求.使杆件在各种受力状态下都能发挥较大作用, 杆件数量和规格力求少,结构对称;不宜在飞溅区内设置水平构件;不宜在冰作用区内设置水平构件和斜撑;一般情况下,管节点宜设计为简单节点;导管架斜撑的角度宜在45 度左右;导管架腿的表观斜度宜在10:1和7:1间;隔水导管与结构的连接: 如业主没有指定,对于动力响应较明显的平台,水上部分隔水导管和甲板/导管架的连接要用焊接方法固定,水下部分用楔块固定;各桩的受力力求均匀;对于滑移装船吊装下水型导管架,滑靴的布置与吊点的布置要协调考虑;装船滑靴的横向间距的确定应考虑预制场地与运输驳船滑道的间距;应考虑钻井,修井的要求.导平台设依:用途和甲板尺寸:使用要求,工艺要求和布置;位置和方位:位置决定设计条件和建设方式;方位根据环境和使用要求确定(正北方向);所在位置水深和平台甲板高程:潮汐资料决定水深,甲板高程保证气隙高度和使用要求;总体布置:合理布置,估算重量(载荷);海洋环境资料和场地调查.要求:使用要求;安全要求;环境保护要求;施工条件要求;经济条件要求.导平台建造中常见的施工载荷:吊装力/装船力/运输力/下水力和扶正力/地基的反作用力.导管架设计依据:水深(形状/安装/抗倾)海洋环境(严寒海区,在潮差端不设支承/高腐蚀海区,尽量简化管节点/基底宽度)甲板空间(决定导管架顶部尺度)施工场地与施工设备(形状).导管架作用:支承上部结构,提高稳定性;打桩定位和导向工具;将平台上面的负荷比较均匀地传递到桩上;可安装系靠船设备,作为附属设备支撑;可作为安装上部结构时的临时工作平台. 甲板作用:为海上油气田开发和其他海洋开发提供足够的空间.在其上布置各种设施和设备静力计算研究静载荷作用的平衡问题,结构的质量不随时间快速运动,无惯性力.动力计算研究动载荷作用下的运动或反应问题,结构的质量随时间快速运动,惯性力的作用必须考虑.动荷载的种类:周期载荷/冲击载荷/随机载荷.管节点设计要求:降低对延展性的约束,避免焊缝立体交叉和焊缝过度集中,焊缝的位置对称于构件中心轴线.减小由于焊缝和邻近母材冷却收缩而产生的应力.注意在高约束的节点中,由于厚度方向的收缩变形可能引起的层状撕裂.一般尽量不采用加筋板来加强节点,若用内部加强环,则应避免应力集中.一般受拉和受压构件的端部连接应达到设计荷载所要求的强度.影响管节点疲度因素:应力幅和应力循环次数:高(低)应力幅低(高)寿命;残余应力:焊接拉应力高,塑性变形,裂纹,破坏,热处理;材料缺陷:应力集中,检查检验;海洋环境:腐蚀疲劳,低温疲劳;S-N曲线：标准试件试验结果，忽略实际影响.移动式平台排水量:初步估算:由布置要求的面积,确定平台所需的最小主尺度,勾画总布置草图.根据草图估算各部分重量,最后根据重力与浮力的平衡条件,确定排水量和吃水.诺曼系数法估算:当估算得到的重量与平台排水量不相等时,用诺曼系数法解决.加上排水量裕度移动式平台主尺度设计步骤:确定长度(生产工艺布置/平台水力特性/地基承载能力/坞修能力/其他因素)确定宽度(生产工艺布置/着底稳性/漂浮稳性/其他因素)确定型深(干舷/抗沉性和稳性/舱容)主甲板距基线高度/立柱尺度活动式平台受到的主要载荷:静载荷,包括平台重量/所有固定装置/供应品和压载重量以及作业载荷;环境载荷:正常作业允许的最大风/波浪/海流要素或载荷以及海床支撑力.FPSO的总体布置设计原则:安全可靠,符合规范.满足规范对防火/防爆/逃生等要求,使生活/指挥/消防设备/应急电站/救生设备/直升飞机平台等(安全区)与油气处理区尽量远离.对无自航能力的FPSO,其安全区模块一般布置在船艏.大容积设备靠近中轴线布置.甲板上部的生产设备根据功能不同,常按模块划分,每个模块之间都设有通道.由于波浪作用在船体上发生横摇的几率比纵摇大,而横摇会使船体产生巨大的扭曲应力,该应力的集中部位正是通道.因此,在模块布局上尽量将大容积设备如斜板隔油器/分离器等靠近中轴线布置,以减少船体摇摆产生的扭曲应力.方便生产操作和设备维修.设计主甲板和生产甲板之间的距离时,要考虑最大设备的高度/高架管线的高度和维修操作的高度,一般选择3m以上.危险区与非危险区两模块的间距不小于3m.非危险区的通道宽度不小于2m.设在甲板上的吊机一般布置在左右两舷,前后错位布置,使吊机能够覆盖绝大部分生产甲板.TLP平台结构组成:上部模块(Topside);甲板;船体(下沉箱);张力钢索及锚系;底基.工作原理:平台及其下部沉箱受海水浮力,使张力钢索始终处于张紧状态,故在钻井或采油作业时,TLP几乎没有升沉运动和平移运动.其微小的升沉和平移运动,在钻井和完井时主要由水中和井内相对细长的钻具及专用短行程补偿器补偿.SPAR平台的结构组成:平台甲板/支撑塔架和数根钢索.工作原理:支撑塔架为瘦长桁架结构,下端靠重力基座坐落海底或靠支柱支撑,上端支承作业甲板;塔架四周用钢索/重块/锚链和锚所组成的锚泊系统牵紧,保持直立状态;平台可产生水平方向的移动.小风浪微幅摆动,风浪大时摆幅大,把重块拉离海底,吸收部分能量,维持在许可范围内摆动.设计SPAR平台的关键技术:波浪载荷及平台运动响应;垂荡/纵摇运动不稳定性及控制技术;涡激振荡及控制技术;系泊系统和立管系统的作用与影响.海洋环境荷载对平台结构和工作的影响:风荷载:平台/钻井船及海上油罐等设备直接承受风荷载的作用。
浮式海洋工程结构物的稳性和安全性也与所受风力密切相关.海流荷载:对海洋工程结构有直接作用;影响结构强度和稳定性;设计海洋工程的水下部分,必须考虑海流引起的荷载；对拖航时的拖曳力与停泊时的系泊力，也要分析海流的大小与方向。
海浪荷载：海浪的威力十分巨大，巨浪能把石油生产平台推倒，把万吨大船推上半空；有时波高虽不大，但当波浪周期与建筑物的固有周期相近时，因共振作用，对建筑物造成毁坏；即使轻微的波浪，因长年累月连续作用，波浪力也会给建筑物以冲刷而使之损坏。
冰荷载：冻融损害作用；膨胀挤压作用；静力推压作用；附着冰引起垂向力；动力撞击作用.地震载荷:固定式平台(重力式平台,导管架平台)优点:整体稳定性好,刚度较大,受季节和气候的影响较小,抗风暴的能力强.缺点:机动性能差, 较难移位重复使用半固定式平台(spar/张力腿/牵索塔式).优点:适应水深大缺点:较多技术问题有待解决活动式平台(自升式平台/半潜式平台/FPSO/坐底式平台/钻井船).优点:机动性能好.缺点:整体稳定性较差,对地基及环境条件有要求.海洋平台设计方法:规范设计方法:经验积累,工程验证;关键技术研究:数值仿真/物理实验.——更先进的设计方法.海洋平台设计荷载:使用载荷:平台安装后,整个使用期间,受到的除环境载荷以外的各种载荷.环境载荷:由风/波浪/海流/海冰和地震等水文和气象要素在海洋平台上引起的荷载.施工载荷:平台在施工期间所受到的荷载,是发生在建造/装船/运输/下水/安装等阶段的暂时性荷载. 使用载荷:固定荷载:平台在空气中的重量和平台水下部分的浮力.活动荷载:可变荷载(缓慢变化,静载:储备液体/附着海生物/各种可移动设备和装置等)和动力荷载(循环/冲击/事故荷载,动力特性显著:工作驳船和小艇撞击平台/直升机起落等).固定荷载:作用在平台上的不变荷载,水位一定时荷载为定值.活动荷载:与平台使用和正常操作有关的荷载.其作用位置/大小和方向是可变的,分为可变荷载(缓慢变化,静载)和动力荷载(循环/冲击/事故荷载,动力特性显著). 最基本的起控制作用荷载组合:设计的工作环境条件与平台上的固定载荷和相应的最大(小)活荷载组合.设计的极端环境条件与平台上的固定载荷和相应的最大(小)活动荷载组合.海洋油气开发阶段:寻找石油阶段/开发阶段/生产阶段.特点:高技术/高投入/高风险/建设周期长且油气田寿命短.全陆式集输系统(海上工程量小,便于生产管理,生产操纵费用相对较低,经济效益好,且受气候影响小.适用于:浅水/离岸近/油层压力高的油气田);半海半陆式集输系统(在海上进行油气初处理,把主要的油气深加工的集输设备及储存/外输工作放在陆地上.适用:离岸不远/油气田产量高/海底适合铺设输油管线以及陆上有可利用的油气生产基地或输油码头的油气田,尤其适用于气田的集输.);全海式集输系统(简化原油和燃气的运输环节,可使油气田的开发向自然条件恶劣的深海和储量大油气田发展.适用于各个时期各种油气田的开发).海洋平台设计所涉及的关键技术问题:总体布置与优化设计研究;环境载荷研究;平台极限承载能力研究;平台的稳性研究;平台模块化技术研究;关键结构或节点的疲劳性能研究;焊接工艺与接头韧性评定技术研究;振动/噪声预报与控制技术研究;平台碰撞分析和防撞技术研究;流固(土)耦合研究;平台耐腐蚀研究;平台抗爆(火灾)研究;平台涡激振动(运动)研究;平台特殊结构设计方法研究.方案设计:可行性研究或概念设计,综合评价,选择最佳方案;基本设计:对审查确定的方案设计进行更进一步的设计/计算/分析,确定出主体结构/总体建造及安装方案/各种规格书等,确定投资,以便进行总包招标;详细设计:详细的设计计算分析,对基本设计进行优化,提交详细文件;施工设计:加工设计,解决施工过程中的技术问题,绘施工图,制定施工建造工艺,最后绘完工图. 常用的设计方法:母型设计:选择已建成的使用成功的平台作为母型进行仿型设计;规范设计:根据各国船检局或船级社/石油协会公布的规范要求进行设计;按强度理论进行设计:对复杂的局部结构需用强度理论分析方法.S-N曲线:标准试件试验结果,忽略实际影响.发展趋势:向深水/超深水发展;向大型化发展;采用优良设计和高强度钢.。
