环境载荷
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第一章 环境载荷
§1.1平台载荷的分类
平台载荷
使用期间：环境载荷工作载荷建造期间：施工载荷
⎧⎨⎩⎧⎨⎪⎩⎪1. 环境载荷——直接（风、浪、流、冰、地震），间接（锚泊力）
2. 工作载荷——静力载荷（恒定载荷|可变载荷|活动载荷），动力载荷
3. 施工载荷——建造施工，海上吊装
§1.2风载荷
风对
结构的作用力沿着风速方向：水平风力
垂直风速方向：升力⎧⎨⎩一、风载荷（水平风力）的计算公式
F F P A C C P V h s =⋅⋅⋅=⎧⎨⎩0012
2ρ 二、设计风速V 与受风投影面积的确定
A 1. 设计风速V ：作业海区的统计资料＋规范的有关规定
2. 投影面积：封闭结构|透空结构(桁架)
A 三、脉动风压的影响（动力效应）
F P A C h =⋅⋅C s ⋅⋅β0（其中β=145175.~.）
§1.3波浪载荷
一、波浪理论的选择
1. 几种重要的波浪理论
(1) 艾里（Airy）波：深水和浅水中的微幅波，线性理论（波峰波谷形状对称）
(2) 斯托克斯（Stokes）高阶波：深水中的有限幅波，非线性理论（波谷形状较平坦）
(3) 椭圆余弦波：浅水中的有限幅波，非线性理论
(4) 孤立波：极浅水中的有限幅波，非线性理论
2. 各种波浪理论的适用范围（水深*、波高*和周期）
3. 选择波浪理论的主要依据——平台的工作水深
【附】艾里波理论的主要公式（注意坐标系与符号规定）
设水深，波高h H ，波浪周期T ，波长λ， 则波频ωπ=2T ，波数k =2πλ，扩散关系：k kh ⋅=tanh()ω2g
(1) 速度势：φωω(,,,)cosh[()]cosh()
sin()x y z t gH k h z kh kx t =⋅+⋅−2 (2) 波面升高：ζ∂φ∂ω(,,)cos()x y t g t H kx t z =−
=−=12
0 (3) 水质点的速度和加速度 速度：u x w z ==⎧⎨⎪⎪⎩⎪⎪∂φ∂∂φ∂； 加速度：&&u u t w w t ==⎧⎨⎪⎪⎩
⎪⎪∂∂∂∂ (4) 脉动压力
p x y z t t g g t H k h z kh kx t k h z kh w w (,,,)cosh[()]cosh()cos()cosh[()]cosh()=−=≡−=⋅+⋅−=⋅+⎧⎨⎪⎪⎩
⎪⎪ρ∂φ∂ρζζ∂φ∂ωζ2 二、波浪载荷计算概述
1. 波浪(诱导)载荷的成分
波
浪载荷：拖曳力─起因于物体对水流的扰动，粘性效应惯性力─起因于入射波压力力和流体的惯性附加质量力绕射力─起因于物体对水流的扰动，绕射效应()(F -K ⎧⎨⎪⎩
⎪)2. 海洋结构物按尺度的划分
小尺度构件特征尺寸与波长之比大尺度构件特征尺寸与波长之比─以拖曳力和惯性力为主，莫里森公式─以绕射力和惯性力为主，势流理论(.)(.)D D λλ≤>⎧⎨⎪⎩⎪0202
三、应用莫里森公式计算小尺度构件的载荷
1. 莫里森（Morison）公式
计算垂直构件轴线方向的单位长度波浪力r f
(1) 原始形式：固定垂直立柱的单位长度波浪力 r r r r r r r r f C A u u C Vu C A u u Vu C Vu
D M D =+=++1212ρρρρρ&&m & （拖曳力＋惯性力）
(2) 一般形式：计及结构运动（刚体运动和弹性变形）的任意方向构件的单位长度波浪力 r r r r r f C Au u V u
C V
D r r N n m R =++12ρρρ&&u r （拖曳力＋F-K 力＋附加质量力）
2. 无因次的拖曳力系数C 和惯性力系数
D C M
(1) 拖曳力系数取决于：物体截面形状、表面粗糙度、雷诺数等，通常依赖试验测定
C D (2) 惯性力系数：一般可按势流理论计算或试验确定
C M =+1C m 四、应用势流理论计算大尺度构件的载荷
1. 绕射问题
总速度势φφφ(,,,)(,,,)(,,,)x y z t x y z t x y z t W D =+ 定解问题：绕射势φD x y z t (,,,)满足绕射势流体域内的连续性方程各部分边界条件[]
[],[],[],[]L F B S R ⎧⎨⎩⇒φD
⇒总速度势φφφ=+W D ⇒脉动压力p t
=−ρ∂φ
∂⇒力和矩r r r r r F pnds m r pnds S o S ==×⎧⎨⎪⎩⎪∫∫∫∫ 2. 计算方法
(1) 理论方法
解析法：仅适合于圆柱体
数值方法（三维分布源法）：适合于一般形状的大型物体⎧⎨⎩(2) 半理论半经验方法——F-K 法
波浪力 F c F K =⋅
【例】应用F-K 法计算长方形潜体上的水平波浪力和矩
§1.4流和冰载荷
一、海流载荷
1. 考虑定常海流对结构物作用的通常做法
(1) 浪、流联合作用：在莫里森公式中取r r r
u u u W C =+ (2) 流的单独作用：r r r f C A u D C =12
ρu C 2. 流速沿深度的变化
u C z 二、冰载荷
1. 冰载荷的成分
冰载荷：
移动冰原的挤压力流冰的撞击力其它⎧⎨⎪⎩
⎪2. 冰原对垂直桩柱的最大挤压力P 的计算
冰原的最大挤压力P ： 有效接触面积冰所能承受的单位面积最大挤压力m k bh k R C ⋅⋅⋅⎧⎨⎩
⎫⎬⎭21⇒P mk k R bh C =123. 流冰对桩柱的最大撞击力P 和最大切入深度X 的计算
功能关系ΔE W =：流冰动能减少桩柱切入冰块做功冰压力ΔE BLh v W p x dx PX p x mk R bh mk R hx X C C =====⎧⎨⎪⎪⎩⎪⎪⎫⎬⎪⎪⎭
⎪⎪∫12201112()()()tan ρα ⇒X v BL mk R P vh BL mk R C C ==⋅⎧⎨⎪⎩⎪ραρα
2211tan tan （可取＝2.5，1k ρ＝0.9t m 3）。
