海洋中的外荷载是什么？在实际工程中是如何计算的？

  在阅读文章前，辛苦您点下“关注”，既方便您进行讨论与分享，又能给您带来不一样的参与感，感谢您的支持!作者一定不负众望，带来更多优质作品！海洋的外荷载

  作为海洋资源开发的重要手段,海上高架平台的应用日益广泛,因而研究其在外荷载作用下的结构响应具备极其重大意义。

  外荷载包括波浪、风、海冰等自然荷载,由于高架平台底部离水面较高,波浪荷载对其影响不大,而风荷载,特别是强风荷载的作用对结构的安全和稳定起决定性的作用。

  谭美等以自升式钻井平台为研究对象,比较了各风荷载计算方式的差异,论证了土木工程计算方式的参考价值。

  蔡文山以风洞试验数据为依据,分析了数值模拟和经验公式方法的有效性,根据结果得出2种方法都有较好的计算精度。

  曹明强等以数值计算和模型试验相结合的方法对深水半潜平台风荷载和流荷载做多元化的分析,验证了平台风荷载计算中模块法的正确性。

  倪歆韵等采用数值模拟方法研究了船体所承受的风荷载和流荷载,验证了数值计算方式的可靠性。

  林一等分别通过CFD(computationalfluiddynamics)数值模拟和风洞试验得到某自升式平台所受的风荷载,根据结果得出数值模拟计算结果小于ABS的MODU规范,计算结果与风洞试验相近,为平台的设计提供了支撑。

  虽然风洞试验能够获得较为可靠的风荷载,但其成本高、周期长,在实际工程中应用代价大。

  数值模拟能够获得较为正确的风荷载,但其对于计算机的硬件和软件要求都较高,计算时间相对也较长。

  通过随机理论可以研究海洋结构物的安全性,而经验公式相比前3种方法更适于在实际工程中应用。

  根据《港口工程荷载规范》(以下简称《规范》)中的风荷载计算规定,作用在港口工程结构上的风荷载标准值为

  式中:Wk为风荷载标准值(kPa);μs为结构体型系数;μz为风压随高度的变化系数;W0为基本风压(kPa)。

  沿海海面和海岛上的基本风压,宜按临近陆上基本风压乘以表1中的海上风压增大系数K采用。

  风压随高度不同而变化,以离地面或平均水面10m高处为基准,风压高度变化系数μz应根据地面粗糙度类别而定。

  式中:F为风阻力(N);Cd为阻力系数;S为平台沿风向的投影面积;ρ为空气密度;v′为构件某一高度处的来流风速。

  桩腿的高度Hleg=6.0m,坐标原点取在左下方桩腿根部,z轴垂直向上。

  文献规定,方箱形建筑物的体型系数迎风面取μs=0.8,背风面取μs=-0.5。

  对于风压高度变化系数μz,可根据2种方法取值:一是平台与活动房分别按照中心高度取,然后线;二是按照它们的平均高度取,并按照它们的投影面积与中心高度加权平均,然后线性插值。

  同时对于横风作用下通用风阻力计算公式中的Z也按照第2种方法取值,Z=7.31659,地面粗糙度指数α=0.12。

  根据文献,以风速30m/s时为计算依据,集装箱活动房横向风阻系数Cd=1.73,升力系数Cl=0.26。

  在横风(沿y轴方向)情况下,高架平台和集装箱活动房沿风向的投影面积S=18.77m2,2种方法计算所得的风荷载(阻力)与风速的关系如图2所示。

  从图2中能够准确的看出,风阻力随着风速的增大而非线m/s时,应用《规范》和应用通用方法计算得到的风阻力结果十分吻合;但随着风速的增加,运用《规范》较运用通用方法计算得到的风阻力结果偏大,且这种偏差越来越大。

  平台在垂向的投影面积为S=42m2,Z=6m,可得风向沿y轴方向时,平台受到的升力Fl如图3所示。

  式中:df为平台单位面积受到的风荷载;h1,h2为平台上、下边缘的高度;Cf为风速和平台迎风宽度B的函数。

  式(9)表明,在风压沿高程不变时,平台所受到的力矩为风荷载F与平台几何重心高度hG的乘积。

  高架平台因桩腿所受的浮力可忽略不计,考虑风引起的升力、平台自重和锚链力的作用,在不引起平台倾覆的情况下,应满足如下关系式

  即锚链力力矩Tm与重力力矩TG之和大于风阻力力矩Td与升力力矩Tl之和。

  由于纵向(沿x方向)桩腿之间的距离Dleg大于横向(沿y方向)桩腿之间的距离,同时纵风对高架平台的风阻力、升力和力矩远小于横风向对其的作用,因此纵风对高架平台的作用远小于横风,在此仅需要仔细考虑横风对高架平台的作用。

  桩腿之间的横向距离为Dleg=3.5m,风作用下的倾覆力矩Td可由式(7)(8)计算得出。

  由于《规范》中风荷载计算未考虑升力的影响,所以平台所受到的升力可由式(5)计算得出(前面都已有计算结果)。

  平台的重量取Gp=70kN,集装箱活动房的重量取Gh=15kN,得横向倾覆力矩随风速的变化如图5所示。

  假设锚链系在高架平台的弦边,高度为桩腿长度Lleg与平台高度Hp的和,即Hm=Hleg+Hp,锚定点与靠近锚定点桩腿的距离为Lm。

  以风速为50m/s(相当于14级飓风)时的倾覆力矩为计算依据,可得需提供的最小锚链力Tm随投锚距离Lm的关系如图6所示。

  当取投锚距离Lm为10,15,20m时,最小锚链力与投锚距离的关系如表2所示。

  从图6和表2能够准确的看出,虽然2种计算方式的结果存在一定的差异,但两者的趋势是一致的,均为最小锚链力随着投锚距离的增加先急剧减小,再缓慢上升。

  通用计算方式的根据结果得出,在风速较低时升力较小,随着风速的增加升力的大小将不可忽略。

  因此,风速较高时,必须综合应用这2种方法对海上高架平台所受的风荷载进行计算,才能使结果偏于安全。

  同时,平台不发生倾覆时所需的最小锚链力与随投锚距离的增加先急剧减小,然后缓慢增加,即存在一个极小值点。

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