海洋工程环境学

自升式海洋钻井平台环境载荷计算1目录计算数据1平台基本数据和环境条件1自存工况23.1100年的极端海况的有义波高和目标平台的波波高的计算23.1.1目标海域波浪统计资料23.1.2计算过程33.2波浪荷载和海流荷载53.2.1计算原理53.2.2计算示例63.2.3海况的选取93.3风荷载12自升式海洋钻井平台环境荷载计算分析一、计算依据CCS《海上移动式平台入级与建造规范(2005)》二、平台基本数据和环境条件平台主尺度：长55m，宽34m，型深5.0m桩腿尺度：2.2*70m桩腿间距：横向27m纵向48m固桩区尺度：长6.0m，宽6.0m，高6.0m基线高度：51m平均水深：38m最大流速：2.0m/s最大潮高：4.0m最大风速：36.0m/s波浪周期：T=9.0~13.0m/s图2.1平台示意图图2.2平台侧视示意图三、自存工况3.1100年的极端海况的有义波高和目标平台的设计波波高的计算3.1.1目标海域波浪统计资料有效波高平均周期011223344556677889910合计0.00.51062389740056654149865111311178910.51.01276404902299475924637197061.01.5243352124360414922224171.52.043237741815694110012.02.5123814613343242.53.0127075111593.03.521231453.54.04374.04.5114.55.0115.05.505.56.00合计1062402646931194261642665906849131552每个海况持续时间：3小时3.1波浪统计数据3.1.2计算过程根据计算原理可以得到一系列假定H0（H0=0；H0=0.05；H0=0.10；H0=0.15；H0=0.20；H0=0.25；H0=0.30）下的拟合误差平方和δ和参数B和ζ以H0=0为例，对计算进行说明Total31970H0=0.0HminHmax数量p(Hs)P(Hs)XYY=kX+b误差误差平方0.00.49179030.56310.5631-0.3098-0.0819-0.0235-0.05840.00340.50.9997060.30530.8685-0.00440.30720.27850.02870.00081.01.4925370.07980.94830.17320.47150.45400.01750.00031.51.9910420.03280.98100.29890.59820.57830.01990.00042.02.493540.01110.99220.39620.68570.67460.01110.00012.52.991690.00530.99750.47570.77710.75310.02390.00063.03.49520.00160.99910.54280.84720.81950.02770.00083.53.99150.00050.99960.60100.89220.87700.01520.00024.04.4980.00030.99980.65220.94240.92770.01460.00024.54.9920.00010.99990.69810.96700.9731-0.00610.00005.05.4910.00000.99990.73960.98561.0141-0.02850.00085.55.9900.00000.99990.77740.98561.0515-0.06590.0043　　　　　k0.9888　　0.0120　　　　　b0.2828　　　表3.2H0=0.0时计算数据图3.1H0=0.0时数据拟合图像上面的是H0=0.0时的趋势线。由此，我们可以得出H0=0.05,0.10,0.15,0.20,0.25,0.30所对应的趋势线，紧接着，我们就可以得出个H0情况下R^2的数据表和它们对应的图像，如下：H0R^20.000.98990.050.99190.100.99380.150.99540.200.99660.250.99690.300.9959表3.3不同H0时的R^2数据图3.2H0和R^2的数据图像由图像，我们可以得到，当HO=0.24时，R^2对应最大的值，那么，我们就选择H0=0.24，我们就可以得到如下数据：H0=0.24HminHmax数量p(Hs)P(Hs)XYY=kX+b误差误差平方0.00.49179030.56310.5631-0.6021-0.0819-0.08290.00100.00000.50.9997060.30530.8685-0.12490.30720.30600.00120.00001.01.4925370.07980.94830.09690.47150.4868-0.01530.00021.51.9910420.03280.98100.24300.59820.6059-0.00760.00012.02.493540.01110.99220.35220.68570.6948-0.00910.00012.52.991690.00530.99750.43930.77710.76590.01120.00013.03.49520.00160.99910.51190.84720.82500.02230.00053.53.99150.00050.99960.57400.89220.87560.01660.00034.04.4980.00030.99980.62840.94240.91990.02240.00054.54.9920.00010.99990.67670.96700.95930.00770.00015.05.4910.00000.99990.72020.98560.9947-0.00910.00015.55.9900.00000.99990.75970.98561.0269-0.04130.0017　　　　　k0.8150　　0.0036　　　　　b0.4078　　　表3.4H0=0.24时计算数据根据上表中数据，我们可以得到该海域重现期为100年的极端海况的有义波高和目标平台的设计波波高（极端海况下1/N最大波浪的波高，N=1000）数据，列表如下：H0=0.24k=0.8150b=0.4078Hc=10^(-b/k)+HO=0.5560　　𝜉=0.8150　　　　Hsd=(Hc-H0)*(17.27+lnTc-lnTe)^(1/k)+H0=7.3075Hd=Hsd*(0.5*LN(Te/Tz))^(1/2)=　　13.5807表3.5有义波高和设计波波高的数据表3.2波浪荷载和海流荷载3.2.1计算原理因为桩腿的直径和波长之比小于0.2，桩腿所受的波浪与海流荷载按Morison公式进行计算，单根桩腿单位长度所受的波流力为：FW＝FD＋FI(1)＝Cd××D×|U|×U/2＋Cm×××D2/4×a＝Cd××D×(|u＋v|)×(u＋v)/2＋Cm×××D2/4×a式中:FW＝波流力，N。FD＝阻力，N。FI＝惯性力，N。＝海水密度。=1.025*103kg/m3。Cd＝垂直于构件轴线的阻力系数。按照规范规定取值为1.0。Cm＝惯性力系数。按照规范规定取值为2.0。D＝构件的直径。D=2.3m。U＝垂直于构件轴线的水质点相对于构件的总速度分量，m/s。u＝垂直于构件轴线的波浪引起的水质点相对于构件的速度分量，m/s。v＝垂直于构件轴线的海流引起的水质点速度分量。计算中海流的方向取和波浪相同的方向，v=1.5m/s。a＝垂直于构件轴线的水质点相对于构件的加速度分量，m/s2。波浪引起的水质点相对于构件的速度分量u和加速度分量a。根据给定的周期和水深采用有限水深五阶Stokes波理论计算。选择的具体标准见规范。根据有限水深五阶Stokes波理论，有：u=(2)a=(3)＝(4)其中k为波数,d为水深,s为水质点距海底高度，为各桩柱处波浪相位。c为波浪速度，’n为各阶速度势分量。为波面升高。c=(5)’n=(6)n=(7)是表示Stokes波非线性程度的特征数值，k为波数，A，B，C都是kd的函数，其表达式比较复杂，不能一一列出，具体算法见参考资料。和k可以通过解方程组：(8)(9)求得，其中波高H，水深d，周期T皆为已知量。有限水深五阶Stokes波的详细计算见参考资料3和4。本平台桩腿间距远大于桩腿直径，故在计算中不需考虑桩腿之间的群桩效应。参考资料：1.《海上移动式平台入级与建造规范》，人民交通出版社，1992年2.任贵永《海洋活动式平台》天津大学出版社3.王言英《海洋工程导论》4.罗传信《海洋桩基平台》3.2.2计算示例下面对于波浪周期T为13秒，入射波相位为0(即4号桩柱波浪相位为0，处于波峰位置)的情况给出1号桩柱波流力计算过程的示例，其它情况计算方法都与之相同。本节以后的计算工况将直接给出最后结果，不再详细列出中间过程。将波高H=13.58m，水深d=38m，周期T=13s代入方程组(8)和(9)解得：对应kd的系数A，B，C分别为(d/L=kd/2)：A11=0.78145581A13=1.363145675A15=-2.70581A22=0.13984565A24=0.065308223A33=0.00681225A35=0.17048052A44=-0.0032697A55=-0.000527281B11=1.000000B22=1.215826036B24=1.585874B33=1.57761928B35=5.537877112B44=2.35810486B55=3.883215398C1=2.03021014C2=10.22147031C3=-0.12029C4=0.160042428波长L=2/k=6.2832/0.028052=223.980542m下面给出1号桩柱在该相位波浪作用下的波浪力计算结果作为示例：1号桩柱处的波浪相位=0°根据公式(5)可得波速cc===17.2293m/s1号桩柱处波面升高可由公式(4)和(7)求出＝==8.354148184m由公式(6)，各阶速度势分量’n为’1=0.14801743’2=0.00459476’3=0.000071799’4=0.000003425’5=-0.00000009938接着，当t=0时，选X=0为开始，一个波长为止，中间选20°为间隔，然后计算相位和，得出如下表格。XkX-t008.354148211.199027110.314159267.523768422.398054210.628318525.430215133.597081320.942477782.899754144.796108421.256637040.557263455.995135531.5707963-1.37397767.194162631.88495556-2.86846778.393189742.19911482-3.94583289.592216852.51327408-4.669113100.7912442.82743334-5.103714111.99027113.1415926-5.253945123.18929823.45575186-5.103714134.38832533.76991112-4.669113145.58735244.08407038-3.945832156.78637954.39822964-2.868467167.98540664.7123889-1.373977179.18443375.026548160.5572627190.38346085.340707422.8997532201.58248795.654866685.4302143212.7815155.969025947.5237678223.98054216.28318528.3541482表3.6X、相位和的计算表将各阶速度势分量’n代入公式(2)和(3)可得距海底不同高度处的波浪水质点速度和加速度，然后代入公式(1)可求得各段桩柱所受阻力FI、惯性力FD和总波流力FW。z速度势Φ波流合速度m/s波流合加速度m/(s^2)截面阻力N截面惯性力N总阻力N惯性力N阻力力矩N*m惯性力力矩N*m8.35406.1678-3.204263277.620245099.301136136904.505.5021-2.729852767.290204388.60868258300.604.9355-2.320044574.110172653.2066656830-3.304.4549-1.963838164.930147827.9051346490-7.104.0492-1.652033141.860128371.5039616180-11.003.7094-1.376529207.180113131030530850-14.903.4281-1.130526137.980101242.8023401020-18.803.1993-0.908223767.57092061.19017712920-22.603.0183-0.704621972.08085106.57013078310-26.502.8814-0.515220660.87080027.720919805.40-30.402.7859-0.336219769.58076575.4105835190-34.302.7298-0.163719255.43074583.920279450.40-38.102.71200.005519094.13073959.120-9363.520-42.002.73230.174919278.0900000　　　　　总15950280460516220　　　　　波浪力：1595028波浪力矩：46051622　表3.7一号桩的表面力3.2.3海况的选取A.波浪周期的选择根据规范规定，在给定的周期范围9—13秒内选取三个波浪周期9秒，11秒，13秒进行计算。在其中选取波浪荷载最大的情况。对每个波浪周期和不同的波浪入射角度，需要在波浪运动的一个周期内选择产生最大荷载的入射波相位，在本次计算中对于入射波相位从0(波峰在4号桩柱)开始每隔20计算一次当时的总波浪荷载，在其中选取产生的最大荷载和相应的入射波相位。根据上述方法计算得到各波浪周期下波流横向、斜向和纵向入射情况下，不同入射波相位时平台的总波流荷载见图3.3-图3.11。图3.3波浪周期秒，波流横向入射时不同波峰位置平台所受总波流荷载图3.4波浪周期秒，波流纵向入射时不同波峰位置平台所受总波流荷载图3.5波浪周期秒，波流斜向入射时不同波峰位置平台所受总波流荷载图3.6波浪周期秒，波流横向入射时不同波峰位置平台所受总波流荷载图3.7波浪周期秒，波流纵向入射时不同波峰位置平台所受总波流荷载图3.8波浪周期秒，波流斜向入射时不同波峰位置平台所受总波流荷载图3.9波浪周期秒，波流横向入射时不同波峰位置平台所受总波流荷载图3.10波浪周期秒，波流纵向入射时不同波峰位置平台所受总波流荷载图3.11波浪周期秒，波流斜向入射时不同波峰位置平台所受总波流荷载周期(秒)横向波流荷载纵向波流荷载斜向波流荷载合力KN合力矩KNm合力KN合力矩KNm合力KN合力矩KNm94820.781450003846.621200003891.84113000115216.701450004038.261130004146.95108000135757.101540004450.151180004760.91112000表不同波浪周期波浪横向、斜向和纵向入射时平台所受的最大总荷载可见当波浪周期为13秒时的波流荷载取得最大值，所以计算时波浪周期采用13秒。B．入射波相位的选择根据图11-图13中的数据，选取其中总波流力和总波流力矩最大的入射波相位作为计算工况。横向入射时取360，总波流力为5757.10KN，总波流力矩为154000KNm。纵向入射时取0，总波流力为4450.15KN，总波流力矩为118000KNm。斜向入射时取0，总波流力为4760.1KN，总波流力矩为112000KNm。3.3风荷载根据规范规定，风荷载按如下公式计算：F=Ch×CS×S×P其中：P―――设计风压，Pa；根据规范规定，设计风压P=0.613V2，V为风速。根据给定条件V=41.15得P=0.613V2=0.613×41.152=1038.11(Pa)S―――平台上受风构件的正投影面积，m2；Ch―――平台上受风构件的高度系数，按规范规定选取；CS―――平台上受风构件的形状系数，按规范规定选取。平台受风荷载的方向见图1。名称受风面积m^2形心高度（距基线）m高度系数形状系数风力N风力矩（对基线）N·m平台主体1702.51.11148561.776371404.44固桩区14481.11125840.5631006724.506桩腿（下）114.46.510.545442.4256295375.7664桩腿（上）70.4151.10.530761.0266461415.3984合计　　　　350605.7912134920.11表3.9横向受风荷载名称受风面积m^2形心高度（距基线）m高度系数形状系数风力N风力矩（对基线）N·m平台主体2752.51.11240320.52600801.3固桩区14481.11125840.5631006724.506桩腿（下）114.46.510.545442.4256295375.7664桩腿（上）70.4151.10.530761.0266461415.3984合计　　　　442364.5352364316.97表3.10纵向受风荷载名称受风面积m^2形心高度（距基线）m高度系数形状系数风力N风力矩（对基线）N·m平台主体284.7242.51.11248818.532622046.3301固桩区196.70881.11171901.4061375211.249桩腿（下）114.46.510.545442.4256295375.7664桩腿（上）70.4151.10.530761.0266461415.3984合计　　　　496923.392754048.744表3.11斜向30°受风荷载名称受风面积m^2形心高度（距基线）m高度系数形状系数风力N风力矩（对基线）N·m平台主体323.1572.51.11282404.563706011.4084固桩区196.70881.11171901.4061375211.249桩腿（下）114.46.510.545442.4256295375.7664桩腿（上）70.4151.10.530761.0266461415.3984合计　　　　530509.4222838013.822表3.12斜向60°受风荷载14