1、海洋石油工程环境,多媒体讲义吴竞择钻井教研室1998年2月,第一章 海洋环境概论,第一节 海洋环境概论一 海洋所在的大环境海洋存在于地球表面上，而地球又存在于太阳系中，海洋便是这种独特环境的产物，它不断承受来自环境的作用，同时也反作用于环境。海洋的各自然因素及特性便是在它与环境之间的物质和能量交换过程中形成。 作用形式：物质交换；能量交换。,图1、太阳系示意图,大陆架,大陆坡,大陆隆,自由海面,大气圈,水圈,岩石圈,图2、地球层圈结构,图3、海洋边界示意图,图4、大陆边缘的剖面的三种类型,大陆架,大陆坡,大洋盆,大洋盆,大陆坡,大陆架,岛弧,大洋盆,二 海洋的基本特征1.海洋的边界海面：海洋与
2、大气环境沟通的窗口，是海洋与大气系统进行物质和能量交换的界面。海底：海洋与岩石圈之间沟通的窗口，是海洋与海底进行物质和能量交换的场所。海底地形分为三个单元：1）. 大陆边缘 大陆表面与大洋底面之间的过渡带。大陆架；大陆坡；大陆隆，见图3、图4所示。2）.大洋盆海洋的主要部分，广阔而平坦,3).大洋中脊海底山脉，约占海洋面积的32.7%。沿岸带：大陆与大洋联系的桥梁，大陆物质经过沿岸带的作用才进入海洋，海洋能量耗散带。2.海洋的形状特征1）.大 即广阔，尤其是南北尺度。2）. 既深又浅 绝对深度大，相对深度小，为10-3量级。3）. 连成一片，各大洋连成一体。形状特征的效果是：大，可形成潮汐；既
3、深又浅，可将运动简化为二维。3.海水的物理化学特性1）物理特性物性状态量：密度，盐度，温度、比热、压缩性等。,盐度：1000克海水中，碳酸盐全部转化为氧化物后所得固体物质的克数，一般在3.2-3,7%之间，平均3.5%.2）化学特性海水是多种物质组成的复杂体系。分溶解物和不溶解物两类。 溶解物质：无机盐类、气体等。 溶解物的无机盐类主要离子有：,等八十多种，与海洋腐蚀有关的离子主要是氢，氧离子和铁离子等，溶解物的气体有：氧气，二氧化碳气体，放出co,ch4,h2等气体。不溶解物质：固态颗粒形式存在。海水呈弱碱性，Ph值7,第二节 我国海域概况一 分区及水域概况分区 界线 水域概况渤海 渤海海峡
4、 平均20米，最大限度78米 黄海 长江口至济州岛连线 40米 80米 东海 澎湖列岛至台湾富贵角 349米 2719米 南海 1140米 5420米二 海底地形总趋势是：由西北向东南倾斜南海海底地形较复杂：四周浅，中央深，海盆中有隆起。渤海与黄海属于大陆架区，东海三分之二为陆架区，其余为陆坡区。,三 海底沉积大陆许多径流汇入海洋，带入大量淡水，泥沙，营养盐，悬浮物，可形成巨厚沉积。四 海洋气侯跨越温带，亚热带，热带三大气候带，呈现出多样性。渤海：位置偏北，冬春季结冰，冰期3-4个月。黄海：北部有冰情，冰期3-4个月。东海：较少结冰，但为台风经过区。南海：台风频繁，尤其是7，8，9三个月台风影
5、响很大。四 我国海洋石油开发现状 总产量1600万吨，占全国产量10%强。分布于各海域。主要油气田有：埕北、渤中、陆丰、西江、流花、涠州、崖13-1,第三节 海洋石油工程环境研究的内容和意义一研究的内容1。风，浪，流，海冰，海面高程变化，海洋腐蚀环境形成、运动、变化规律。2。风，浪，流，海冰，海面高程变化设计标准的确定。3。因素与结构作用机理，载荷计算。二 意义1。海洋石油工程环境因素是结构强度，寿命设计的控制参数。2。影响作业安全和质量。3。影响作业经剂效益,图5、海洋石油工程环境示意图,海面高程变化,波浪与海流,风,海冰,隔水导管,海底,损坏修复费,初期建造费,总投资,10,20,30,设
6、计波高（M）,总投资,初期建设费,设计波高与投资优化分析示意图,海洋石油工程环境,多媒体讲义吴竞择钻井教研室1998年2月,第一章 海洋环境概论,第一节 海洋环境概论一 海洋所在的大环境海洋存在于地球表面上，而地球又存在于太阳系中，海洋便是这种独特环境的产物，它不断承受来自环境的作用，同时也反作用于环境。海洋的各自然因素及特性便是在它与环境之间的物质和能量交换过程中形成。 作用形式：物质交换；能量交换。,图1、太阳系示意图,大陆架,大陆坡,大陆隆,自由海面,大气圈,水圈,岩石圈,图2、地球层圈结构,图3、海洋边界示意图,图4、大陆边缘的剖面的三种类型,大陆架,大陆坡,大洋盆,大洋盆,大陆坡,大
7、陆架,岛弧,大洋盆,二 海洋的基本特征1.海洋的边界海面：海洋与大气环境沟通的窗口，是海洋与大气系统进行物质和能量交换的界面。海底：海洋与岩石圈之间沟通的窗口，是海洋与海底进行物质和能量交换的场所。海底地形分为三个单元：1）. 大陆边缘 大陆表面与大洋底面之间的过渡带。大陆架；大陆坡；大陆隆，见图3、图4所示。2）.大洋盆海洋的主要部分，广阔而平坦,3).大洋中脊海底山脉，约占海洋面积的32.7%。沿岸带：大陆与大洋联系的桥梁，大陆物质经过沿岸带的作用才进入海洋，海洋能量耗散带。2.海洋的形状特征1）.大 即广阔，尤其是南北尺度。2）. 既深又浅 绝对深度大，相对深度小，为10-3量级。3）.
8、 连成一片，各大洋连成一体。形状特征的效果是：大，可形成潮汐；既深又浅，可将运动简化为二维。3.海水的物理化学特性1）物理特性物性状态量：密度，盐度，温度、比热、压缩性等。,盐度：1000克海水中，碳酸盐全部转化为氧化物后所得固体物质的克数，一般在3.2-3,7%之间，平均3.5%.2）化学特性海水是多种物质组成的复杂体系。分溶解物和不溶解物两类。 溶解物质：无机盐类、气体等。 溶解物的无机盐类主要离子有：,等八十多种，与海洋腐蚀有关的离子主要是氢，氧离子和铁离子等，溶解物的气体有：氧气，二氧化碳气体，放出co,ch4,h2等气体。不溶解物质：固态颗粒形式存在。海水呈弱碱性，Ph值7,第二节
9、我国海域概况一 分区及水域概况分区 界线 水域概况渤海 渤海海峡 平均20米，最大限度78米 黄海 长江口至济州岛连线 40米 80米 东海 澎湖列岛至台湾富贵角 349米 2719米 南海 1140米 5420米二 海底地形总趋势是：由西北向东南倾斜南海海底地形较复杂：四周浅，中央深，海盆中有隆起。渤海与黄海属于大陆架区，东海三分之二为陆架区，其余为陆坡区。,三 海底沉积大陆许多径流汇入海洋，带入大量淡水，泥沙，营养盐，悬浮物，可形成巨厚沉积。四 海洋气侯跨越温带，亚热带，热带三大气候带，呈现出多样性。渤海：位置偏北，冬春季结冰，冰期3-4个月。黄海：北部有冰情，冰期3-4个月。东海：较少结
10、冰，但为台风经过区。南海：台风频繁，尤其是7，8，9三个月台风影响很大。四 我国海洋石油开发现状 总产量1600万吨，占全国产量10%强。分布于各海域。主要油气田有：埕北、渤中、陆丰、西江、流花、涠州、崖13-1,第三节 海洋石油工程环境研究的内容和意义一研究的内容1。风，浪，流，海冰，海面高程变化，海洋腐蚀环境形成、运动、变化规律。2。风，浪，流，海冰，海面高程变化设计标准的确定。3。因素与结构作用机理，载荷计算。二 意义1。海洋石油工程环境因素是结构强度，寿命设计的控制参数。2。影响作业安全和质量。3。影响作业经剂效益,图5、海洋石油工程环境示意图,海面高程变化,波浪与海流,风,海冰,隔水
11、导管,海底,损坏修复费,初期建造费,总投资,10,20,30,设计波高（M）,总投资,初期建设费,设计波高与投资优化分析示意图,第二章 风与风载荷,第一节 风与风的描述一 大气环境及其描述 风是大气环境受到太阳辐射，地球自转，地表物理化学特性影响而产生的一种维持大气系统平衡的自然现象。1。表征大气状态的物理量 气压，温度，密度，湿度，风速，风向。2。天气形势图1）。地面形势图2）。高空形势图 等压面形势图；等高面形势图。二 风的形成及其描述1。风的形成1）成因2）运动方程,3）地转风速 地转风指在自由大气层中等压线平直的风场内形成的风。4）梯度风速 梯度风指在气旋效应显著，等压线弯曲的风场内，
12、考虑摩阻力作用形成的风。 5）海面风速 海面风速考虑了摩阻力和海面垂直对流影响的风速。6）台风 台风是热带海洋上空形成的急速旋转的逆时针气旋。强度：热带低气压-气旋中心风力在7级以下。 热带风暴 -气旋中心风力在8-11级。 强台风暴-气旋中心风力在12级以上。结构：台风为近似圆形的逆时针气旋，风速沿径向变化可分为外，中，内三圈。 风压结构，风速结构。,质点轨迹,柯氏力,压差梯度力,风速矢量,图2-1地转风形成过程,L,H,图2-3低压中心气旋,图2-4高压中心气旋,P1,P2,图2-2海面风形成过程,P1,P2,fc,v,f,P,V,(1),S,P0,(2),(3),Vmax,R,风速曲线,
13、风压曲线,台风风速、风压结构示意图,移动特性：气旋中心移动速度为台风移动速度。 移动趋势：向西北方向移动。生命期：3-8天。7）风的描述风向：指风的来向，用十六个方位表达。 风向在天气形势图上用风向矢杆及尾部的风速标记来表达，风向矢杆指向风的来向。风向矢杆上的风速标记有：小旗，20m/s,，长划，4m/s，短划，2m/s。风速：空气在单位时间内移动距离。风级：按风速大小划分十八个风级，称为Beanfort风级。三 风速计算1。风速垂直分布计算,风速垂直分布的影响因素有：1）大气层特性，如温度，湿度，水平气压梯度等。 2）海面特性，粗糙度，反射率，温度，湿度。对数公式：使用于近地面100m以内风
14、速分布计算。,式中：K0为高度换算系数。 Z0为风速为零处高度，取决于粗糙度，0。001-0。15m.指数公式：适用于己于100m以上的风速分布计算： m为指数，约为1/15-1/4，常取m=1/7。,2 风速时段修正计算 一般风速都指平均风速，各时段平均风速可作互换 式中：t为时段长度。秒。也可按如下风速系数进行换算： V10min 1.0 V5min 1.05 Vm 1.16 V3s 1.37 3s gust wind velocity3 设计风速计算经验频率统计法；长期分布理论法（极值分布理论法）,第二节 海洋工程结构与装置的风在荷计算一风与结构的相互作用1。绕流现象2。风载荷阻力：结构
15、前后部动压差之和升力：旋涡周期性脱离的不对称性导致周期性激振力二 风载荷计算 结构风载荷可视为结构表面风动压力之和,上式为风载荷计算的通式 式中：Ap为结构在垂直于风向方向上投影面积 Cd为阻力系数 Cl为升力系数。三 实用风载荷计算 风载荷计算的特点1 API风力公式American Petroleum Institute,English Units Metric Units 式中，F：风力， Ib or N Cs,形壮系数，Shape coefficient A，投影面积，S.ft or s.m Projected area of object v,持续风速，mph or km/h Sus
16、tained velocity API推荐如下形状系数： 梁 Beams Cs=1.5 结构平面 Sides of buildings Cs=1.5 圆柱 Cylindrical section Cs=0.5 同时API推荐风速垂直分布计算采用指数公式，阵风 Gust m=1/13，持续风暴 Sustained wind m=1/8。,2 ABS风力公式American Bureau of Shipping Metric units English units式中， F：风力， kg or Ib Cs,形壮系数，Shape coefficient，Ch, 高度系数，height coeffic
17、ient A，投影面积， S.m or S.ft Projected area of object v，平均风速 m/s or knot（节）海面m高处。,BS推荐的如下高度系数：Height (feet) Ch 0-50 1.00 50-100 1.10 100-150 1.20 150-200 1.30 200-250 1.37 250-300 1.43 BS推荐的如下形状系数：形状Shape Cs 船体ull (each side) 1.00 甲板室（deck house) 1.00 孤立结构 (Isolated structure shape) 1.00,井架 (Derrick eac
18、h face) 1.25 下甲板区 (Under-deck area) 1.003 Zc风力公式中国船级社 Metric units有关参数可查阅规范。4 有关风载荷计算的几个问题5半潜式平台风载荷计算 装置总风载荷计算原则：将结构分成多个风力单元，分别计算各个风力单元的风力和风力矩，迭加后得到总的风力和风力矩。 在半潜式平台发生倾斜时，由于风力单元的投影面积，形心距海面高度都发生了变化，故其风载荷将发生变化。,面高度都发生了变化，故其风载荷将发生变化。在平台稳定性校荷中，还需计算在平台倾斜时风载荷曲线，如下图所示：,风倾力矩,平台倾角,风倾力曲线,平台回复力矩曲线,这离简单介绍风力单元法线矢
19、量平行于坐标轴时的情况。）运动前，nx=1,ny=0,nz=0 即该风力单元法线矢量平行于轴运动后：）运动前，nx=,ny=,nz=0 即该风力单元法线矢量平行于轴运动后：,）运动前，nx=,ny=0,nz=1 即该风力单元法线矢量平行于轴运动后： 当风以角入射时，风矢量为：则任一风力单元与风矢量的夹角余弦为：,则投影面积为：此外，风载荷计算还应考虑风力单元形心处的高程变化。,Roll,，Yaw,Pitch,s,Nw,第三章 波浪与波浪载荷,第一节 概述一 有关坐标系和特征参数1。坐标系的建立2。有关术语和参数波峰；波谷，波高，波长，周期，圆频率，波剖面。无量纲参数：波陡（），相对波高（d），
20、相对水深（d/）,d,Z,X,SWL,L,O,H,二 波浪理论1。规则波浪理论（对单一波浪的研究）线性波浪理论非线性波浪理论tokes波浪理论；孤立波浪理论；椭圆余弦波浪理论。随机波浪理论（对过程的研究）谱描述理论。 第二节 线性波浪理论一基本方程和边界条件假设：流体是理想均匀的，不可压缩的，无粘性的理想流体，其运动是无旋的。从以上假设有：,1。基本方程）连续方程）动力学方程uler 方程：其agrange积分：at为大气压力。边界条件）动力学边界条件）运动边界条件海底：海面：,从上述方程中可看出，部分条件是非线性的。边界条件的线性化）动力边界的线性化分成两步进行，首先将动能部分忽略，然后将其
21、展开，得到：）运动边界条件线性化同理进行线性化，得到：将两式组合起来，得到：二 二维行进波的速度势由于以上的方程组无法直接解出，故只能假设波面后求解。,我们假设波剖面为规则的正弦曲线式中k=2/L, 2 ：由线性化的动力边界条件知：将速度势表达式带入连续方程可求出A(z)表达式当水深无穷大时得到如下关系式：,当水深为有限时：三线性波浪水质点运动特性。水质速度。加速度,。水质点轨迹静止时在（x0,z0) 处的水质点在波浪运动中的运动方程为： 式中：讨论：1）上式为一个椭圆方程，水平长轴为A，短轴为B，当z0=0时，B=H/2，当z0=-d时，B=02）当d为无穷大时，A，B=Hexp(kz0)/
22、2，此时轨迹为一圆。3）当Z0=-L时,exp(-2)=1/535,ci此时可认为水质点静止， Z0=-L/2时,exp(-)=1/23，故工程上常将dL/2时，认为水深为无穷大，即所谓深水。,海底,无穷水深条件水质点轨迹,有限水深条件水质点轨迹,在不同水深中水质点运动及流线,水质点运动流线形状,SWL,Wave Profile,u,w,t,t,t,2,2,2,波面、水平速度、垂向速度过程曲线,ax,t,az,t,2,2,第二节 波浪与海洋工程结构的相互作用一小特征尺度结构与波浪的相互作用当D/L0。2时，结构被称为小特征尺度结构。1。平面流与圆拄的绕流现象 绕流：流体流过圆拄但不显著改变流场
23、特征。 载荷：阻力，Drag force , 结构前后部动压差之和 横向力，Lateral force.，旋涡周期性脱离的不对称性导致周期性激振力。2。振荡流与圆拄的作用 载荷：阻力，Drag force , 结构前后部动压差之和； 惯性力，Inertial force，水质点加速度存在。 横向力，Lateral force.，旋涡周期性脱离的不对称性导致周期性激振力。,二 大特征尺度结构与波浪作用 当D/L0。2时，结构被称作大尺度结构。1。绕射现象入射波在结构表面的散射效应增强，散射波与入射波互相干扰，称之为绕射现象，Diffraction2。载荷 流动分离已不重要，粘滞阻力相对于惯性力也
24、已不重要，载荷主要成分是惯性力。,第三节 小特征尺度结构的波浪载荷一Morrison波浪力公式对于D/L0。2时的铅直圆拄结构，其（x,z)坐标处的单位长度结构的波浪力：式中：CM-惯性力系数 （Inertia Coefficient) Cd-阻力系数（Drag Coefficient) u(x,z,t)为水质点速度。 为水的密度，D为圆拄直径。有关讨论：1。惯性力部分：,惯性力被分成两部分，一部分为假设圆拄体不存在，占据改体积的流体加速运动所需推力；第二部分为跟随圆拄运动的部分流体加速运动所需推力。 Cm为附加质量系数（Added mass coefficient) 2。阻力根据粘性流体力学
25、得到：CD为粘滞阻力系数。圆拄总载荷为：,二有关系数的确定1。CD， CM的确定 CD与结构形状，表面粗糙度，流态有关，而CM则与 结构形状 基准面积（单位长度） CD CM D 1。0 2。0 D 2。0 2。19 1。41D 1。55 1。0 D 2。01 0。75D*D 1。2 0。75D*D 0。5 1。50 D*D 1。05 1。67,以上系数均由大量实验结果整理而得。三 铅直圆拄波浪载荷计算1选择线性波浪理论计算水质点速度和加速度2 单位长度结构波浪力,d,O,X,dz,Z,f,O,海底,铅直圆拄结构,d+z,波浪载荷计算示意图,3 水平总波力和波力矩为了便于计算，将原坐标原点移到
26、海底，则有：,积分得：同理可得：,以上公式为铅直圆拄的波浪载荷计算结果，可知结构波浪载荷是随时间变化的，其规律见下页的曲线。且惯性力和阻力变化也并不同相位，其极可用对F求导的方法求出。四 铅直圆拄波浪载荷极值问题对波浪载荷式求导得：,由此可有两种可能：1）cos=0，Fmax=Fimax2),t,t,t,t,o,u,u,FI,FD,波浪波面、水质点速度、加速度、载荷相位关系示意图,第四节 大特征尺度结构的波浪载荷一计算思路 从理想势流理论出发，根据入射波速度势，求出散射速度势，两者叠加得出总的速度势；再根据流体动力学原理，找出结构表面的流体动压力分布，对结构表面积分即得出结构载荷：二大特征尺度
27、结构波浪载荷计算1 入射波速度势此时为复势，有物理意义的仅实部。2 求散射势在结构表面有：,3 总波浪速度势4 总波动压力5 总载荷 第五节 随机波浪理论及应用一随机波浪理论简介 真实的海浪是由无数个周期不同、波长不同、波高不同的波浪叠加而成的，固应用Longuet-Higgins模型来描述某点的波动，即将某点的波动视作由许多相位、振幅不同的余弦波叠加而来。如下图所示：,N=1,N=2,N=3,N=4,t,将圆频率为d间的组成波的振幅平方之和叠加起来，写成下式：S为圆频率的函数，称之为谱密度函数。它代表了波浪能量的分布，故又称之为能谱密度函数，下图是P-M谱的函数和曲线： 式中 V为风速。,二
28、海浪谱的应用1 计算波浪统计特征值2 计算波浪力谱和波浪力统计特征值,S(),p,S(p),第四章 海流与海流载荷,第一节 海流分类、成因和海流分布一 分类、成因与特征 海流：海水水平或垂直地由一个海区向另一个海区的大规模流动。1 按成因分类 潮流： 引潮力，即日、月引力与地月运动离心力之和 风海流 风切应力 密度流 等压面倾斜产生压差梯度力 波浪流 波浪传播至沿岸所产生的沿岸流2 按时间特性分类 周期性海流： 潮流，T=12-24hr 非周期性海流：其他海流,3 按流动范围分类 近海海流；近岸海流；外海海流。4 按温度分类寒流；暖流。二 海流的流动特征1 潮流 Tidal Current 海
29、水在引潮力作用下周期性地水平流动（分半日潮流，混合潮流，全日潮流）。 存在往复流，旋转流。 海流水质点速度分布特征：方向相同，大小沿水深呈指数分布。2 风海流 Wind Current 风对海面的切应力的推动使海水产生的水平运动 在风力、地转偏向力与垂向紊动阻力达到平衡时形成稳定流动，风海流水质点不在同一平面内，呈螺旋形状，即Ekman Spiral,三 我国的海流分布1 渤海，黄海，东海等边缘海，海流基本是黑潮分支及近岸流。2 南海海流主要由季风支配，具有风海流的特点。 第二节 海流载荷一 海流对工程结构和工程活动的影响1.对结构强度的影响 2 对基础稳定的影响（冲刷，掏空）3 对工程系统的
30、性能的影响4 对工程活动的影响 （脱航，就位）5 对腐蚀速度的影响很 （带走腐蚀产物，磨蚀）,二 海流速度的确定（沿水深的分布）1 实测法。2 经验法 采用指数型式来简化流速分布 潮流： 风海流： 总流速：,三 海流载荷计算 原理： 粘性流体阻力公式；单位长度结构载荷： 总载荷：,海流载荷计算示意图,d,O,X,dz,Z,f,O,海底,铅直圆拄结构,d+z,潮流流速,风海流流速,第五章 海冰与海冰载荷,第一节 海冰分类及结构特征一 海冰分类1 从存在形态分类 族 类 状 固定冰 初生冰，饼冰，皮冰 平整冰，重叠冰，堆积冰 浮冰 沿岸冰，锚冰 冰山，冰丘2 从存在时期来分 初冰期冰：一个月，冰较
31、薄，冰界小，无重叠，含盐量大，质松易碎。 盛冰期冰：50-70天，重叠严重，日变化与月变化小，结构紧密，坚硬，强度高。 融冰期冰： 15-20天，多浮冰，随风海流漂动，冰质疏松，强度低。,二 海冰的结构特征 自然海冰实质上是由纯冰晶体、盐水滴和微小气泡构成的坚硬固体，冰层上部为晶粒较细的晶体群，下部为拄状的晶体群，长轴垂直向上，长短不一，固海冰为各向异性材料。 随时间推移，海冰中的盐水滴越变越小，含盐量也越来越小，强度越来越高。 第二节 我国冰情概况 冰情：指冰冻的严重程度，按盛冰期冰界和冰厚分为五等： 轻冰年；偏轻冰年；常冰年；偏重冰年；重冰年。一 海冰分类结冰：11月下旬开始由北向南结冰，
32、第二年2月下旬由南向北化冰。辽东湾：冰冻最严重，盛冰期为1月上旬至2月上旬，冰厚15-40cm，冻区离岸5-17km。渤海湾：冰厚10-40cm，冻区离岸10-40km。,二 重大冰情 1936，1947，1969年出现过重大冰情。辽东湾：封冻，北部冰厚30-150cm，最大250cm，东岸冻20-60cm，最大120cm,西岸15-60cm,最大90cm。渤海湾：冰厚30-45cm，最大厚度50cm，冻区离岸30-40km。 第三节 海冰力学性能一 海冰力学研究方法1.现场观测研究 现场测试海冰各力学特性参数。 2 实验研究 在实验模拟室条件下进行海冰力学特性测试。二 海冰力学特性,1 海冰
33、的力学特性参数1） 抗压强度 单位面积上承受的压力载荷。 实验表明：温度升高，强度降低，温度降低，强度升高，应变率较低时为弹塑性破坏，较高时为脆性破坏。 含盐量升高，强度降低；含盐量降低，强度升高。2） 抗弯强度 指海冰抵抗弯曲的能力。 f=(0.23-0.40) c，影响因素同上。2 海冰力学特性的影响因素 与冰晶结构，含盐量，温度，加载率，应变率有关，故海冰力学特性参数具有很强的区域性。,第四节 海冰载荷计算一 海冰与结构作用形式1.作用形式 存在三种作用形式：挤压，撞击和粘附。2 载荷 1）挤压载荷 当海冰固结在结构周围时，海冰若有运动或运动趋势，即可产生对结构的挤压力。 2）撞击载荷
34、浮冰在风、浪、流的推动下，以一定速度撞击结构，产生撞击载荷 3）垂向附着力当海冰固结在结构周围时，水位变化使冰体对结构产生垂向载荷。,3 海冰载荷的影响因素1）海冰力学特性（抗压强度、抗弯刚度、弹性模量）2）结构特性（形状，刚度）3）作用形式（撞击、挤压、粘附）二 水平挤压载荷计算 式中：A：温度系数 -10以上A=1。0；-10度以下，A=2。0 k1：局部挤压系数 （2。0-3。0） k2：接触系数 （0。2-0。4） h:冰厚，b:冰与结构接触投影宽度。 c：海冰抗压强度。 M：结构迎冰面形状系数，取值如下：,2 180 120 90 75 60 圆形 m 1。0 0。81 0。73 0
35、。69 0。65 0。90 关于k1,k2的意义： k1：局部挤压系数，修正冰与结构挤压面和冰试件受压时的面积差异影响。 K2：接触系数：考虑冰与结构表面凹凸不平，真实接触面积小于表观接触面积的折减系数。 ZC规范推荐取k1=2.5;k2=0.45.二 撞击载荷计算 浮冰撞击结构时，冰发生脆性破坏，浮冰的动能转化为：1）破冰作功；2）结构变形作功；3）冰体残余动能，由能量平衡关系：,式中：S：浮冰面积；h:冰厚，V：浮冰初速度，Ti:破冰作功，Ts结构变形作功，Tsi：冰体残余动能。1 刚度无穷大的尖角迎冰面结构载荷 由于结构刚度无穷大，故可认为Ts=0，并忽略Tsi，能量平衡关系如下式：且如
36、图所示，有：,b,2,x,结构,浮冰,由能量平衡关系式，解出x值，再求出最大撞击载荷Pmax,2 刚度无穷大时圆形结构的撞击载荷如下图所示：有以下几何关系：,b,2,x,浮冰,结构,R,当xR时，破冰作功积分为：,由能量平衡关系求出x，若xR时，Pmax为：,3 结构刚度为K时的尖角迎冰面结构载荷 结构发生位移为=p/K，功能关系为：,经变形得：,b,2,x,结构,浮冰,四 垂向附着力 当冰层与结构固结在一起时，水位变化造成海冰产生对结构的垂向附着力，由弹性力学原理，得出， 式中：h:冰厚 d:圆拄直径,h,D,冰,圆拄,四 海冰对倾斜构件的作用力 作用特征：当海冰与倾斜构件接触时，海冰破坏主要以弯曲断裂为主，而受弯破坏作用力是Fv，如图所示，冰与斜面存在摩擦力，f=uN,u=tg,有：,N,f,Fh,Fv,当+=45，Fh=Fv, +=90时，为直立结构与冰层作用类似。,
