CN110543679B - 一种多波况大尺寸固定式海工平台水平力计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波况大尺寸固定式海工平台水平力计算方法，属于海岸、洋工程和桥梁工程技术领域。该方法包括：获取大尺寸海工平台相关数据；计算大尺寸海工平台水平力；根据当地海域的流速条件及桥墩结构对大尺寸海工平台水平力进行依次修正，得到最终波流联合作用下的大尺寸海工平台水平力。该计算方法能够较好地预测大尺寸海工平台在恶劣海况中所受的波浪作用力和水流作用力，计算得到的水平力和物理模型试验结果以及数学模型计算结果相接近，与传统的物理模型和数学模型相比，节省了时间成本和试验成本，有较高的经济性。该计算方法对海岸、洋工程设计有较高的指导作用。

Description

一种多波况大尺寸固定式海工平台水平力计算方法

技术领域

本发明属于一种海岸、海洋工程和桥梁工程技术领域，特别涉及一种多波况大尺寸固定式海工平台水平力计算方法。

背景技术

海工平台在海工结构物中起到承上启下的作用，是海工结构物设计和施工中的关键环节。海工平台一般设置海水表面，波浪和水流作用明显。近年来随着海洋的不断开发及我国交通、能源、渔业、国防等事业的快速发展，推动了越来越多海工结构物的兴建，海工结构物尺寸也在不断加大，屡屡刷新记录，并规划不断往外海域、深海域发展。随着水深不断增加，跨海桥梁、海洋风电平台、海洋石油平台等大尺寸海工结构物所处的海域环境也越来越恶劣和复杂，海工结构物建设面临重大技术挑战。同时近年来，随着全球气候变暖等因素的变化，极端性天气事件增多，沿海地区登陆的台风呈频率增加、强度增大的态势，海工结构物面对的海况越来越恶劣，海工结构物的安全形势变得越来越紧张。对于复杂重要的海工结构物，在设计阶段需通过专门的波浪水流数学模型或物理模型试验来确定大尺寸海工平台所受的水平力，但该过程耗时长，费用较高，且需要专业机构进行研究。

目前，基于规则波的波浪载荷研究基于规则波的方法又称为设计波法，它是根据平台结构工作海域的特点，人为地选用一个波浪理论描述波浪的响应特征，然后利用一般的Morison公式计算。这种方法计算简便，理论发展相对成熟，现仍经常为海洋工程设计采用，也是我国规范中所规定的波浪力计算方法之一。但是由于它根据理想化的规则波计算波浪力，不能完全反映实际海况对平台的作用力，同时Morison方程只适用于小尺寸结构物，对于大尺寸结构物并不适用，在实际使用过程中关键参数还需通过查图表得到，人为影响因素大。同时，设计波法在计算过程中波高是确定的，周期往往不确定，一般取平均周期，并不是最不利周期，实际应用过程中往往会造成海工平台水平力偏小。

不规则波浪载荷的方法是建立在统计特征上的，这种方法没有确定的波浪公式，而是把实际海面上的不规则波浪认为是由许多具有随机相位的简单波叠加而成。许多文献使用这种波浪流载荷模型进行结构动力响应的时域模拟，这种模型的缺点是计算量过大，计算人员计算任务繁重，不利于在工程中推广应用。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术存在问题，提供一种多波况大尺寸固定式海工平台水平力计算方法，该计算方法适用性强，考虑因素多，计算方法简单，易操作，能够快速地计算出多种波浪条件下大尺寸固定式海工平台水平力。

本发明提供的技术方案是：一种多波况大尺寸固定式海工平台水平力计算方法，包括如下步骤：

步骤一：获取大尺寸海工平台截面形式、尺寸以及海工平台顶底高程数据，获取大尺寸海工平台附近海域的水位、流速及波浪资料；

步骤二：计算大尺寸海工平台水平力，计算公式如下：

式中：

为流速为0时大尺寸海工平台水平力；α为水平力系数；β为公式系数；k为波数，k＝2π/L，L为波长；b为海工平台长度的1/2；ρ为水体密度；g为重力加速度；H为波高；l为海工平台宽度；d为水深；z_top+d为海工平台顶面到海底距离，若海工平台顶高于水面，则z_top＝0；z_bot+d为海工平台底面到海底距离；

步骤三：根据当地海域的流速条件对大尺寸海工平台水平力进行修正，得到流速影响下的大尺寸海工平台水平力；

步骤四：根据桥墩结构对大尺寸海工平台水平力进行修正，得到最终波流联合作用下的大尺寸海工平台水平力。

进一步的，α取值范围为2～4，其中矩形海工平台α值大于圆形海工平台；β取值范围为1～1.5，其中矩形海工平台β值小于圆形海工平台。

进一步的，对于规则波而言，当有明确的波高和波长时，直接采用大尺寸海工平台水平力计算公式计算；若波高值确定，波长不确定时，同时缺少实测的波高时间序列和波浪谱资料，则波长为L＝2πb/β。

进一步的，对于大尺寸海工平台不规则波的水平力处理步骤为：

步骤A：根据海工平台附近海域实测的波高时间序列或波谱或当地周期与波高的联合分布关系，统计分析并绘出周期-波高联合分布图；

步骤B：设置周期间隔为0.1s～0.5s，将周期-波高联合分布图分成多个周期区间，利用波浪弥散关系

T为波浪周期，并结合当地水深条件计算出各周期区间对应的波长，同时以周期-波高联合分布等概率密度P曲线为边界，找出各个周期区间内最大波高值；

步骤C：根据各周期区间的周期值和最大波高值，利用大尺寸海工平台水平力计算公式计算出各周期区间对应的大尺寸海工平台水平力；

步骤D：通过对比不同周期区间大尺寸海工平台水平力，从而得到等概率密度P曲线范围内不规则波条件下大尺寸海工平台最大水平力。

进一步的，不同流速条件下，波流联合作用时大尺寸海工平台水平力为：

式中：

为流速不为0时大尺寸海工平台水平力；C为流速修正系数，一般取1～1.3；

为流速为0时大尺寸海工平台水平力。

进一步的，考虑桩基和大尺寸海工平台顶部结构影响下的波流联合作用时大尺寸海工平台水平力计算公式为：

式中：F_x为考虑桩基和大尺寸海工平台顶部结构影响下的波流联合作用时大尺寸海工平台水平力；k₁为大尺寸海工平台底部桩基影响系数，取1.0～1.5；k₂为大尺寸海工平台顶部结构影响系数，取1～1.5。

本发明的有益效果如下：

1、本发明的一种多波况大尺寸固定式海工平台水平力计算方法能够较好地预测大尺寸海工平台在恶劣海况中所受的波浪作用力和水流作用力，计算得到的水平力和物理模型试验结果以及数学模型计算结果相接近。本发明对海岸、洋工程设计有较高的指导作用，对已建海岸、洋工程安全性能够起到很好的校核作用，在海岸、洋工程防灾减灾领域具有很好的应用价值。

2、本发明的一种多波况大尺寸固定式海工平台水平力计算方法计算过程简单，各项参数明确易获取、计算，能够方便设计人员较快速地计算出大尺寸海工平台水平力，与物理模型和数学模型相比，节省了时间成本和试验成本，有较高的经济性。

附图说明

图1是本发明的计算流程图；

图2是本发明的大尺寸海工平台水平力计算公式参数示意图；

图3是本发明提供方法的计算结果和数值模拟计算结果对比图；

图4是某海域波高周期联合分布图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，特例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

如图1所示，本发明提供一种多波况大尺寸固定式海工平台水平力计算方法，包括如下步骤：

步骤一：获取大尺寸海工平台截面形式、尺寸以及海工平台顶底高程数据，获取大尺寸海工平台附近海域的水位、流速及波浪资料；

步骤二：计算大尺寸海工平台水平力，计算公式如下：

式中：

为流速为0时大尺寸海工平台水平力；α为水平力系数；β为公式系数；k为波数，k＝2π/L，L为波长；如图2所示，b为海工平台长度的1/2；ρ为水体密度；g为重力加速度；H为波高；l为海工平台宽度；d为水深；z_top+d为海工平台顶面到海底距离，若海工平台顶高于水面，则z_top＝0；z_bot+d为海工平台底面到海底距离；

步骤三：根据当地海域的流速条件对大尺寸海工平台水平力进行修正，得到流速影响下的大尺寸海工平台水平力；

步骤四：根据桥墩结构对大尺寸海工平台水平力进行修正，得到最终波流联合作用下的大尺寸海工平台水平力。

α取值范围为2～4，其中矩形海工平台α值大于圆形海工平台；β取值范围为1～1.5，其中矩形海工平台β值小于圆形海工平台。

对于规则波而言，当有明确的波高和波长时，直接采用大尺寸海工平台水平力计算公式计算；若波高值确定，波长不确定时，同时缺少实测的波高时间序列和波浪谱资料，则波长为L＝2πb/β。

对于大尺寸海工平台不规则波的水平力处理步骤为：

步骤A：根据海工平台附近海域实测的波高时间序列或波谱或当地周期与波高的联合分布关系，统计分析并绘出周期-波高联合分布图；

步骤B：设置周期间隔为0.1s～0.5s，将周期-波高联合分布图分成多个周期区间，利用波浪弥散关系

T为波浪周期，并结合当地水深条件计算出各周期区间对应的波长，同时以周期-波高联合分布等概率密度P曲线为边界，找出各个周期区间内最大波高值；

步骤C：根据各周期区间的周期值和最大波高值，利用大尺寸海工平台水平力计算公式计算出各周期区间对应的大尺寸海工平台水平力；

步骤D：通过对比不同周期区间大尺寸海工平台水平力，从而得到等概率密度P曲线范围内不规则波条件下大尺寸海工平台最大水平力。

不同流速条件下，波流联合作用时大尺寸海工平台水平力为：

式中：

为流速不为0时大尺寸海工平台水平力；C为流速修正系数，一般取1～1.3；

为流速为0时大尺寸海工平台水平力。

考虑桩基和大尺寸海工平台顶部结构影响下的波流联合作用时大尺寸海工平台水平力计算公式为：

式中：F_x为考虑桩基和大尺寸海工平台顶部结构影响下的波流联合作用时大尺寸海工平台水平力；k₁为大尺寸海工平台底部桩基影响系数，取1.0～1.5；k₂为大尺寸海工平台顶部结构影响系数，取1～1.5。

本发明大尺寸海工平台水平力计算公式考虑了海工平台长度和波长相互关系对大尺寸海工平台水平力的影响，这是Morison等传统小尺寸结构物水平力计算公式所不考虑的。计算规则波作用下大尺寸海工平台水平力时，本发明计算方法简单，对于波长不确定状况也能计算出平台最不利条件下的水平力。而对于不规则波复杂条件下大尺寸海工平台水平力，本发明计算过程简单、方便，计算结果准确，区别于传统工作量过大数值模拟和物理模型试验。且本发明计算过程中无需查图表，减少人为误差，对于不同形式海工平台只需修改部分参数就行。本发明提出的方法可以更为准确、方便地计算多波浪条件下大尺寸海工平台水平力。

下面结合2个实施例来说明本发明的方法。

实施例1：波高和周期确定的规则波

本实施例选用矩形海工平台作为实施对象，海工平台顶高程为+6m，海工平台底高程为-2m，海床高程设为-21.5m，静水位为+3.5m，设置入射波高为2m，具体实施组次见表1。

表1实施组次

由于本实施例为波高和周期确定的规则波，直接采用步骤二大尺寸海工平台水平力计算公式计算，得到规则波条件下海工平台水平力，由于试验过程中流速为0，且海工平台顶底部没有其他结构，所以无需经过步骤三和步骤四修正。图3为本发明计算结果和数值计算结果对比，图中散点为数值计算结果(圆形散点为海工平台1/2长b为40m，三角形散点为海工平台1/2长b为20m，方形散点为海工平台1/2长b为10m)，实线为本发明计算值，从图中可以看出海工平台水平力随kb先增后减，本发明计算结果和数模拟结果较接近，且能够较好地刻画海工平台水平力和kb变化关系，从而表明本发明能够较准确地计算出大尺寸海工平台水平力。

实施例2：周期-波高联合分布已知的不规则波

图4为某海域周期-波高联合分布图，图中h为实际波高除以平均波高，t为实际周期除以平均周期。本实施例中海工平台采用矩形海工平台，长度为40m(海工平台1/2长b为20m)，宽度为40m，海工平台顶高程为+6m，海工平台底高程为-2m，静水位为+3.5m，海床高程设为-21.5m。本实施例计算等概率密度P＝0.01曲线范围内海工平台水平力。

根据不规则波计算步骤，设置周期间隔为0.5s，如图4所示，在水平方法上等概率密度P＝0.01曲线范围被分割成许多周期区间，每个周期区间的代表周期值取该区间的平均周期，利用波浪弥散关系

并结合当地水深条件计算出各周期区间代表周期对应的代表波长。然后在每个周期区间找出等概率密度P＝0.01曲线范围内最大波高值。

将各个周期区间的波长和最大波高值，利用大尺寸海工平台水平力计算公式

计算出各个周期区间对应的大尺寸海工平台水平力；最后对比不同周期区间大尺寸海工平台水平力，从而得到等概率密度P＝0.01曲线范围内不规则波条件下大尺寸海工平台最大水平力。

最后，计算得到等概率密度P＝0.01曲线范围内该大尺寸海工平台的水平力是13169KN。根据《港口与航道水文规范》(JTS 145-2015)不规则波H_1％是平均波高的2.42倍，从图4中可以看出本实施例中等概率密度P＝0.01曲线上最大波高是平均波高的2～3倍之间，两者较接近。根据该海域不规则波H_1％数值计算的大尺寸海工平台水平力是11954KN，对比本发明的计算结果，两者十分接近，且本发明计算结果稍大于数值计算结果，进一步说明本发明的计算方法更为合理可信。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明原理和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种多波况大尺寸固定式海工平台水平力计算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：获取大尺寸海工平台截面形式、尺寸以及海工平台顶底高程数据，获取大尺寸海工平台附近海域的水位、流速及波浪资料；

步骤二：计算大尺寸海工平台水平力，计算公式如下：

式中：F_x ¹为流速为0时大尺寸海工平台水平力；α为水平力系数；β为公式系数；k为波数，k＝2π/L，L为波长；b为海工平台长度的1/2；ρ为水体密度；g为重力加速度；H为波高；l为海工平台宽度；d为水深；z_top+d为海工平台顶面到海底距离，若海工平台顶高于水面，则z_top＝0；z_bot+d为海工平台底面到海底距离；

对于规则波而言，当有明确的波高和波长时，直接采用大尺寸海工平台水平力计算公式计算；若波高值确定，波长不确定时，同时缺少实测的波高时间序列和波浪谱资料，则波长为L＝2πb/β；

对于大尺寸海工平台不规则波的水平力处理步骤为：

步骤A：根据海工平台附近海域实测的波高时间序列或波谱或当地周期与波高的联合分布关系，统计分析并绘出周期-波高联合分布图；

步骤B：设置周期间隔，将周期-波高联合分布图分成多个周期区间，利用波浪弥散关系

T为波浪周期，并结合当地水深条件计算出各周期区间对应的波长，同时以周期-波高联合分布等概率密度P曲线为边界，找出各个周期区间内最大波高值；

步骤C：根据各周期区间的周期值和最大波高值，利用大尺寸海工平台水平力计算公式计算出各周期区间对应的大尺寸海工平台水平力；

步骤D：通过对比不同周期区间大尺寸海工平台水平力，从而得到等概率密度P曲线范围内不规则波条件下大尺寸海工平台最大水平力；

步骤三：根据当地海域的流速条件对大尺寸海工平台水平力进行修正，得到流速影响下的大尺寸海工平台水平力；

步骤四：根据桥墩结构对大尺寸海工平台水平力进行修正，得到最终波流联合作用下的大尺寸海工平台水平力。

2.根据权利要求1所述的一种多波况大尺寸固定式海工平台水平力计算方法，其特征在于，α取值范围为2～4，其中矩形海工平台α值大于圆形海工平台；β取值范围为1～1.5，其中矩形海工平台β值小于圆形海工平台。

3.根据权利要求1所述的一种多波况大尺寸固定式海工平台水平力计算方法，其特征在于，不同流速条件下，波流联合作用时大尺寸海工平台水平力为：

式中：

为流速不为0时大尺寸海工平台水平力；C为流速修正系数；

为流速为0时大尺寸海工平台水平力。

4.根据权利要求3所述的一种多波况大尺寸固定式海工平台水平力计算方法，其特征在于，考虑桩基和大尺寸海工平台顶部结构影响下的波流联合作用时大尺寸海工平台水平力计算公式为：

式中：F_x为考虑桩基和大尺寸海工平台顶部结构影响下的波流联合作用时大尺寸海工平台水平力；k₁为大尺寸海工平台底部桩基影响系数；k₂为大尺寸海工平台顶部结构影响系数。

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