CN110555236B - 一种大尺寸固定式海工平台波浪垂向力计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大尺寸固定式海工平台波浪垂向力计算方法，属于海岸、海洋工程和桥梁工程技术领域。包括：获取大尺寸海工平台相关数据；根据水位和海工平台顶高程相对关系，计算大尺寸海工平台为半淹没和全淹没的垂向力。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，计算得到的垂向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。该垂向力计算方法对海岸、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。
Description
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，特别涉及一种大尺寸固定式海工平台波浪垂向力计算方法。
背景技术
波浪垂向力是海工平台设计的重要荷载之一。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，推动了越来越多的海工结构物的兴建，且海工结构物尺寸不断加大，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极其恶劣和复杂，海工结构物建设面临重大技术挑战。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，热带气旋中生成台风(包括台风、强台风、超强台风)的比例升高，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。
海工结构物上的波浪荷载计算是一个复杂问题，尤其是大尺寸海工平台，由于处于静水位附近，当波峰到来时，其可能处于淹没状态或半淹没状态，有时伴有波浪破碎；当波谷到来时，海工平台可能处于半淹没状态或完全露出水面，同时，结构物附近产生涡旋。波流联合作用下的大尺寸海工平台垂向力是目前海岸、洋工程领域的难点，由于缺少成熟的计算公式，在海工结构物设计阶段，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垂向力，但该过程耗时长，费用较高，且需要专业机构进行研究。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术存在问题，提供一种大尺寸固定式海工平台波浪垂向力计算方法，该计算方法适用性强，考虑因素多，计算方法简单，易操作，能够快速地计算出波流联合作用时大尺寸海工平台垂向力。
本发明提供的技术方案是：一种大尺寸固定式海工平台波浪垂向力计算方法，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；
步骤二：获取大尺寸海工平台附近海域的水位、流速及波浪资料；
步骤三：根据水位和海工平台顶高程相对关系，
当大尺寸海工平台为半淹没时(海工平台顶在静水位以上，海工平台底在静水位以下)，大尺寸海工平台垂向力计算公式为：
式中，
为大尺寸海工平台垂向力；A为海工平台面积；ρ为水体密度；g为重力加速度；H为波高；k为波数，k＝2π/L，L为波长；z为海工平台底距静水位高度，负值；d为水深；α为水深系数，取α＝0.8～1.2；β为衰减系数，取值范围为0.5～1.5，其中矩形海工平台β值小于圆形海工平台；b为海工平台长度的1/2；
当大尺寸海工平台为全淹没时(海工平台顶在静水位以下)，大尺寸海工平台垂向力计算公式为：
式中，系数ε取8.0～10.0；σ为公式系数，取0.7～1.0；λ为变化系数，取1.0～3.0。
进一步的，对于规则波而言，当有明确的波高和波长时，直接采用波流联合作用时大尺寸海工平台垂向力计算公式计算；若波高值确定，波长不确定，同时缺少实测的波高时间序列和波浪谱资料，则海工平台半淹没状态下波长可假定无限长，全淹没状态下波长L＝2πb/σ。
进一步的，对于不规则波的垂向力处理步骤为：
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：根据静水位和海工平台顶、底高程相对关系，选用全淹没状态或半淹没状态对应的大尺寸海工平台垂向力计算公式计算出各个周期区间对应的大尺寸海工平台垂向力；
步骤D：通过对比不同周期区间大尺寸海工平台垂向力，从而得到不规则波条件下大尺寸海工平台最大垂向力。
进一步的，不同流速条件下的大尺寸海工平台垂向力计算时只需调整所述大尺寸海工平台垂向力计算公式中波长L值，不同流速条件下波长L计算公式为：
式中，T为波浪周期；L为波长；U为水流流速；d为水深。
本发明的有益效果如下：
1、本发明的一种大尺寸固定式海工平台波浪垂向力计算方法能够较好的预测大尺寸海工平台在半淹没状态和全淹没状态条件下所受的波浪垂向作用力，计算得到的垂向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、本发明的一种大尺寸固定式海工平台波浪垂向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垂向力，降低设计与科研人员的劳动强度，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是本发明的半淹没状态下大尺寸海工平台垂向力计算公式参数示意图；
图3是本发明的全淹没状态下大尺寸海工平台垂向力计算公式参数示意图；
图4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5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，本发明提供一种大尺寸固定式海工平台波浪垂向力计算方法，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；
步骤二：获取大尺寸海工平台附近海域的水位、流速及波浪资料；
步骤三：根据水位和海工平台顶高程相对关系，
当大尺寸海工平台为半淹没时(海工平台顶在静水位以上，海工平台底在静水位以下)，大尺寸海工平台垂向力计算公式为：
式中，
为大尺寸海工平台垂向力；A为海工平台面积；ρ为水体密度；g为重力加速度；H为波高；k为波数，k＝2π/L，L为波长；z为海工平台底距静水位高度，负值；d为水深；α为水深系数，取α＝0.8～1.2；β为衰减系数，取值范围为0.5～1.5，其中矩形海工平台β值小于圆形海工平台；如图2和图3所示，b为海工平台长度的1/2；
当大尺寸海工平台为全淹没时(海工平台顶在静水位以下)，大尺寸海工平台垂向力计算公式为：
式中，系数ε取8.0～10.0；σ为公式系数，取0.7～1.0；λ为变化系数，取1.0～3.0。
对于规则波而言，当有明确的波高和波长时，直接采用波流联合作用时大尺寸海工平台垂向力计算公式计算；若波高值确定，波长不确定，同时缺少实测的波高时间序列和波浪谱资料，则海工平台半淹没状态下波长可假定无限长，全淹没状态下波长L＝2πb/σ。
对于不规则波的垂向力处理步骤为：
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：根据静水位和海工平台顶、底高程相对关系，选用全淹没状态或半淹没状态对应的大尺寸海工平台垂向力计算公式计算出各个周期区间对应的大尺寸海工平台垂向力；
步骤D：通过对比不同周期区间大尺寸海工平台垂向力，从而得到不规则波条件下大尺寸海工平台最大垂向力。
不同流速条件下的大尺寸海工平台垂向力计算时只需调整所述大尺寸海工平台垂向力计算公式中波长L值，不同流速条件下波长L计算公式为：
式中，T为波浪周期；L为波长；U为水流流速；d为水深。
由于海工平台在半淹没状态下受力面为平台底面，全淹没状态下受力面为平台顶底两个面，所以海工平台在半、全淹没状态下受力机理有着本质区别，其计算方法也不同。本发明提供的计算方法综合考虑海工平台不同水位条件下受力机理，同时本发明大尺寸海工平台垂向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垂向力的影响，能够更为准确地计算大尺寸海工平台垂向力。在计算规则波作用下大尺寸海工平台垂向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海工平台最不利条件下垂向力。而对于不规则波复杂条件下大尺寸海工平台垂向力，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、方便地计算不同波流条件下的大尺寸海工平台垂向力。
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，静水位为+3.5m，海床高程设为-21.5m，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，且静水位+3.5m位于海工平台顶底高程之间，直接采用步骤三半淹没状态下大尺寸海工平台垂向力计算公式计算，得到规则波条件下海工平台垂向力。如图4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，从图中可以看出每一种长度的海工平台垂向力均随周期增加而增加，本发明计算结果和数值计算结果较接近，且能够较好地刻画海工平台垂向力和周期的变化关系，从而表明本发明能够较准确地计算出大尺寸海工平台垂向力。
实施例2：周期-波高联合分布已知的不规则波
图5为根据某海域波高时间序列绘制的周期-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。本实施例海工平台采用海工平台长为40m(海工平台1/2长b为20m)，海工平台宽为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垂向力。
根据不规则波计算步骤，设置周期间隔为0.5s，如图5所示，在水平方向上将等概率密度P＝0.01曲线范围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。
由于静水位+3.5m位于海工平台顶底高程之间，海工平台处于半淹没状态，因此将各个周期区间的波长和最大波高值，利用半淹没状态下大尺寸海工平台垂向力计算公式
计算出各周期区间对应的大尺寸海工平台垂向力；最后对比不同周期区间大尺寸海工平台垂向力，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垂向力。
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垂向力是15805KN。根据《港口与航道水文规范》(JTS 145-2015)不规则波H1％是平均波高的2.42倍，从图5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，两者相接近。根据该海域不规则波H1％数值计算的大尺寸海工平台的垂向是14264KN，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)
1.一种大尺寸固定式海工平台波浪垂向力计算方法，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；
步骤二：获取大尺寸海工平台附近海域的水位、流速及波浪资料；
步骤三：根据水位和海工平台顶高程相对关系，
当大尺寸海工平台为半淹没时，即海工平台顶在静水位以上，海工平台底在静水位以下，大尺寸海工平台垂向力计算公式为：
式中，
为大尺寸海工平台垂向力；A为海工平台面积；ρ为水体密度；g为重力加速度；H为波高；k为波数，k＝2π/L，L为波长；z为海工平台底距静水位高度，负值；d为水深；α为水深系数，取α＝0.8～1.2；β为衰减系数，取值范围为0.5～1.5，其中矩形海工平台β值小于圆形海工平台；b为海工平台长度的1/2；
当大尺寸海工平台为全淹没时，即海工平台顶在静水位以下，大尺寸海工平台垂向力计算公式为：
式中，系数ε取8.0～10.0；σ为公式系数，取0.7～1.0；λ为变化系数，取1.0～3.0。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸固定式海工平台波浪垂向力计算方法，其特征在于，对于规则波而言，当有明确的波高和波长时，直接采用波流联合作用时大尺寸海工平台垂向力计算公式计算；若波高值确定，波长不确定，同时缺少实测的波高时间序列和波浪谱资料，则海工平台半淹没状态下波长可假定无限长，全淹没状态下波长L＝2πb/σ。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸固定式海工平台波浪垂向力计算方法，其特征在于，对于不规则波的垂向力处理步骤为：
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：根据静水位和海工平台顶、底高程相对关系，选用全淹没状态或半淹没状态对应的大尺寸海工平台垂向力计算公式计算出各个周期区间对应的大尺寸海工平台垂向力；
步骤D：通过对比不同周期区间大尺寸海工平台垂向力，从而得到不规则波条件下大尺寸海工平台最大垂向力。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种大尺寸固定式海工平台波浪垂向力计算方法，其特征在于，不同流速条件下的大尺寸海工平台垂向力计算时只需调整所述大尺寸海工平台垂向力计算公式中波长L值，不同流速条件下波长L计算公式为：
式中，T为波浪周期；L为波长；U为水流流速；d为水深。
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