海洋工程结构环境.ppt

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1、,、海洋工程结构环境,一、海底地貌,目前，人们已经可以用仪器对海底地貌进行连续扫描并记录下来。从地质构造看，在大陆和海洋之间，有一个接触区，称为过度带或者大陆边缘，其外面为大洋底。如图1所示。,图1. 海底地貌,过度带可分为：大陆架、大陆坡、大陆裙。 (1)大陆架 指被海水淹没的大陆部分，水深：0-200米。是目前已发现的油气储藏最为丰富的区域。 大陆架土质分为三层:表层、盖层和基地层。 表层主要为：来自大陆的松散沉积物； 盖层：主要为沉积岩层； 基底层：结晶岩石。,(2) 大陆坡 水深范围：200-2000米，坡度陡，主要沉积来自大陆的物质。大陆坡具有丰富的油气资源。开发深海油气资源，主要指

2、开发大陆坡的油气资源。King SPAR 平台：第一座拥有外壳部分和桁架部分（与传统外壳结构相似）的组合式SPAR平台（Truss SPAR），2001年4月建成，位于墨西哥湾Mississippi Canyon 85，水深1646 m，日生产能力为5万桶原油和2.5亿立方英尺天然气。,深海平台-King SPAR 平台,组合式SPAR平台-Truss SPAR，2001年4月建成，位于墨西哥湾，水深1646 m，日生产能力为5万桶原油，2.5亿立方英尺天然气。,(3)大陆裙 水深范围：2000-4000米。一般认为，大陆裙水域没有石油储藏。但是大陆裙以外的深海盆，为第三纪沉积盆地，可能具有油

3、气资源。,二、风,风是对于海洋工程结构具有破坏性的自然现象。此外，风又是引起波浪的主要因素。一般同时考虑风和波浪来计算海洋工程结构的强度及设计结构。对于海洋中的漂浮结构（比如，自升式钻井平台在调遣过程为漂浮结构），其稳性和安全与风密切相关。所以，风是影响海洋工程的重要环境因素。,风按其循环可分为：大规模风系、中规模风系、小规模风系。 大规模风系：由地球自转引起的大气环流引起； 中规模风系：为季节风，由低气压和高气压的存在 产生台风； 小规模风系：来自于海洋和大陆间气温差引起的陆风或者海风。,1.风的分类及我国主要风系,（1）分类,季风：由于陆地与海洋的温度差引起。 寒潮大风：一般发生在每年11

4、月至来年2 月。高压冷气团南下,造成温度骤降，伴随霜冻与大风的现象。 台风：热带地区海洋上空的热带气旋猛烈发展形成的急速旋转的气流运动。 对于海洋结构最具威胁的是寒潮大风和台风。,（2）我国海域的主要风系,2.风参数 风的参数包括风速和风向。 （1）风速 风的强度用风速来表示。距离海面不同高度处，风的速度不同。距离海面5-10米的高度处，约为不受地面影响的几公里高度处风速的0.67倍。风速比与高度比的关系为：,(1),式中， 为海面以上高度Z处的风速； 为 处的风速。系数n由海面遮蔽情况确定，平坦海面， 。例如，10米高度处风速为30m/s，则100m高度处风速为41m/s。由式(1)可以画出

5、曲线如图2。,图2. 风速与高度的关系,海上无遮蔽时，风速比岸上大，外海风速为海岸附近风速的1.11.3倍。图2中， 可以测量得到。,（2）风速及风向的表达 风的描述：风速和风向。风向一般用16个方位表示：,图3. 16个风向的方位,图3中， South west(SW)-西南；South east(SE)-东南。West north west(WNW)-西北偏西； (North north west)NNW-西北偏北； SSE-South South East东南偏南。,国际上将风划分为12个等级，称为蒲氏风级。如下表1：,表1. 蒲氏风级表,表中没有列入龙卷风，龙卷风的风级可达每秒100-

6、200（米/秒）。,（3）蒲氏风级,由于海洋结构总是定点工作在某个海域，所以必须给出平台工作的钻井区的风速和风向的统计特征，表达风速和风向的统计特征的方法有：,图4. 我国某海区的风玫瑰图 (Wind Rose),风玫瑰图给出16个风的方位上不同风速风出现的频率。,3.海洋结构工程中风的描述,（1）风玫瑰图,作为海洋结构的设计，需要提供：平均风速玫瑰图；最大风速玫瑰图等。,图5. 风的统计直方图,设计风速一般取为50年或者一百年一遇的最大风速。 即重现期为50年或100年。世界各国风的设计标准： 美国：100年一遇，持续30秒的最大风速； 英国：50年一遇，持续3秒的最大风速； 中国：平均海平

7、面以上10米处，50年一遇，持续一分钟的平均最大风速和持续10分钟的平均最大风速，也可根据具体海域的多年水文观测资料值确定。,（2）海洋工程中的设计风速,三波浪,波浪：是静水面受到外力作用后，水质点离开平衡位置作往复运动，并向一定方向传播的自然现象。 引起波浪的原因：风、地震、太阳月球引力、重力。风是引起波浪的主要因素。风和重力的共同作用，形成重力波。 重力波：当风足够大时，风的能量传播的结果使表面张力波变为重力波。 规则波（简谐波）： 波高、波长、周期、波速、相位 非规则波（随机波）：特征周期、有义波高、波浪谱,1.波浪的描述,微幅波：线性波浪理论，假定水质点是以平衡位置为圆心的圆周运动。

8、斯托克斯（STOKES）波：非线性波。 微幅波和斯托克斯波均为确定性波浪。,2. 波浪的分类,(1) 确定性波浪,波浪为随机的，采用波浪谱表示海洋波浪的随机性。波浪谱（波浪谱密度）：为表明波浪能量与波频变化关系的曲线。如下图,(2) 随机波,图6. 波浪谱密度曲线,根据波浪谱，可以计算结构的动力响应的统计特性，比如位移的均值、方差、自相关函数等，可以进行结构的疲劳可靠性分析。所以波浪谱有重要的工程应用。,3.波浪分级,表2. 波浪分级表,根据气象学，波浪可以分为9个等级，如下表2：,四、海流,海流：指大范围的海水以相对稳定的速度在水平或者垂直方向连续的流动现象。 海流流速随水深增加而衰减，一般

9、处理为沿水深线性衰减。,潮汐流由引潮力所引起，海水作周期性的水平流动。其与地形、海底摩擦及地球自转有关。运动形式分为往复流和旋转流。在开阔水域，潮流多具有旋转流，其流速为： 黄海潮流流速（近东岸）：1.01.5m/s 东海潮流流速：（长江口余山海区）：1.02.5m/s 南海潮流（广州湾）：0.75m/s,（1）潮汐流,1、海流的分类,（2）风海流,由于海水温度、含盐量、密度等不均匀引起的海水的流动。 风引起的流速与海区的遮蔽状况有关，对于不同海区，风引起的海流流速由风速的百分数表示，根据统计资料，如下区域风生流流速大约为： 渤海湾、黄海：2.5%风速 南海 30 海里：4%风速 海南岛东岸：

10、（58）%风速,（3）密度流、盐水流等梯度流,海风吹动海面，引起风海流。,五海冰,根据海冰的运动状态，可以将海冰划分为： 浮 冰：不与任何固定物体或者海底连接，在风和流驱动下漂浮运动的冰。 固定冰：没有水平方向运动，仅有垂向升降。 一般说，对于海洋结构物构成威胁的主要是浮冰，尤其是冰排。,在寒冷结冰海域，海冰可能是结构设计的控制因素，即冰载荷大于其它流体载荷。,1、海冰的分类,2、我国沿海的冰情,表3. 我国沿海的冰情,（1）冻融损伤作用: 冻-融交替发生,主要破坏混凝土结构。 （2）膨胀挤压作用：冰开始融化时，海冰体积膨胀，挤压结构物。 （3）静力推压结构：大面积连续冰层，在风或流带动下，对

11、与冰接触的结构进行水平推压。此为海冰造成结构破坏的主要方式。,3、海冰对于海洋工程结构物的作用,（4）附着冰引起的垂向力：与结构冻在一起附着冰，冰层受风或者潮流的作用上下升降。这种作用影响桩腿的安全，冰层下降时，产生附加重力载荷；上升时，对桩腿产生上拔力。 （5）动力撞击作用：在海冰融化季节，冰排在风和流驱动下，以一定速度撞击海洋结构物，形成撞击载荷，这是一种动态冰力。撞击的频率如果接近海洋结构的固有频率，可能导致共振发生。,六、地震,地震是一种灾害性的自然现象。全世界每年约发生五百万次地震，其中绝大多数属于小震，有的甚至人们并无感觉。但大地震的破坏性严重，除人的伤亡外，还有房屋的破坏，交通生

12、产中断，水、火、疾病等次生灾害和由此造成的社会与政治影响。我国位于环太平洋地震带，属于多发地震国家。1976年唐山地震对渤海海上平台的影响十分强烈，尽管未造成平台整体失事，但由地震导致的生产停顿、平台结构及设备的损坏是严重的。因此，海洋结构物的抗震设计十分必要。,按照板块构造学说，地震是由于板块构造运动而引起的，是地壳岩层中长期积累的变形在极短时间内转换为动能的结果。板块构造学说把地壳分为六个大板块，即欧亚、太平洋、美洲、非洲、印澳和南极板块。在各大板块之间还可有若干较小的板块。当两个板块互相冲撞，其中一个板块插入另一板块之下时，上部板块在剪力作用下产生剪切变形从而积累应变能，当变形超过极限值

13、时，岩层即突然断裂。从而将地壳积累的弹性应变能变为动能释放出来，形成地震波。这样形成的地壳岩石中的大断裂面叫做断层，绝大多数断层形成时都伴随有大地震。由此形成的地震叫做构造地震。构造地震的一般发生在地球板块的边缘。世界上90以上的地震属于构造地震。,1、地震发生的原因,有些地震发生在地球板块内，称为板内地震。板内地震的危害性大。这是因为板内地震大多发生在人类居住集中的大陆板块中央地区，那里地壳较厚，岩层年龄较老，强度高，所以发生强地震可能性较大，而且震源大都在1030km深度之内，容易造成严重震害。 我国沿海海域有一定的地震活动性。从目前已经开始进行石油开发的各海区情况看，其中不少在历史上或近

14、期发生过强烈地震。,地震发生时，岩层积累的巨大变形能突然释放，一部分转化为热能，一部分以波的形式向四周传播，这种波就是地震波。地震波分为体波和面波。 体波：由震中向外传播的地震波。 面波：面波是沿地面传播的波，面波的周期长而振幅大，传播过程衰减较慢，故能传播到很远的地方。这是地震波波及面广的原因。 地震波传播过程，引起地面的三维运动（位移、速度、加速度）从而导致地面建筑的破坏。,2、地震强度的表达,（1）震级 震级就是地震本身强弱的等级。它是一次地震释放能量多少的一种量度，震级越高表示地震释放的能量越多。1935年C,F,Richter提出把震级M定义为 式中A为标准地震仪（周期为0.8s，阻

15、尼比0.8，放大倍数为2800）在距震中100km处记录的两个最大水平位移振幅分量的平均值，单位为m。实际上地震台距震中的距离不一定正好是100km。所以，对于地震台距震中距离不是100km时，确定的震级，要做修正。,地震强度表达：震级和烈度,我国采用的震级的计算公式为 式中 近震体波震级； 记录的水平最大地动位移（m）； 起算函数，随震中距而变，由于各种仪器常数不一样， 略有不同。 一般说来，5级以上的地震就会在地表面引起不同程度的破坏，称为破坏性地震；7级以上称为强烈地震或大地震；8级以上称为特大地震。到目前为止，所记录到的世界上最大的地震是1960年5月22日发生在智利的8.9级地震。,

16、地震烈度：是指某一地区，地面及建筑物遭受一次地震影响和破坏作用的强弱程度。 地震烈度指某一地区的地面和人工建筑物遭受一次地震影响的强弱程度。其既可以描述物理量（地面运动、速度、加速度），也可以描述宏观地震破坏程度。相应有两种地震烈度表： 我国的地震烈度分为12个水平，最强烈的地震烈度为12。,（2）地震烈度,同一次地震在不同地方所表现的强烈程度和引起的破坏是不同的。任何一次地震，总是震中区烈度最高，随着震中距的加大，烈度逐渐降低。我国建筑抗震设计规范（GBJ11-89）(以下简称GBJ11-89规范)把地震烈度区分为基本烈度和设防烈度。对地震多发区给出其基本烈度和设防烈度。 基本烈度：是指该地

17、区在今后一定时期（100年）内，可能普遍遭遇的最大地震烈度，即现行全国地震区划烈度图所规定的烈度。 设防烈度：是经国家抗震主管部门审定，作为一个地区抗震设防的防御目标，它是抗震设计时所实际采用的地震烈度。,海洋结构的基本烈度与设防烈度：我国1983年制定的海上固定平台入级与建造规范（以下简称固定平台规范）中规定，在海洋平台的地震载荷分析中，设防烈度一般采用所在海域的基本烈度。对次生灾害严重的平台和特殊重要的平台，可将基本烈度提高1度作为设防烈度。 我国的渤海、黄海、东海及南海的大陆架刚好位于环太平洋地震区域内。所以位于渤海湾的所有海洋结构物的设计必须考虑地震。,地面运动的加速度引起附加惯性力-附加载荷 地面晃动改变海洋波浪的状态，诱发高水平的波浪载荷 地震作用导致地面液化，地基承载力下降，丧失稳定性，结构坍塌。,3、地震对海洋工程结构的破坏机理,结构的抗震设计，有三个方面的基本要求： （1）当遭受多遇的、低于本地区设防烈度的地震时，建筑物应不受损坏或不需修理仍可继续使用； （2）当遭受本地区设防烈度的地震时，建筑物可能有一定损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用； （3）当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震时，建筑物应不致倒塌或发生危及人员生命安全的严重破坏。 概括为：“小震不坏，大震不倒”。,4、抗震设计的基本要求,