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1、海洋平台结构动力学曹志远中国科学院工程力学所、一引官,随着人类对海洋石油及矿藏开发的需求日益增长近年来海洋工程在世界各国得到迅速发,,,大量有关海洋工程科学的课题展我国拥有漫长的海岸线和宽广的大陆架海域辽阔资源丰富,有待我们去研究与解决海洋结构动力学主要研究波浪与海工结构的相互作用结构与海底地基,、、,、的相互作用提出合理实用的结构分析的数学模型理论与方法解决结构振动响应强度计算和,,破坏机理问题为工程设计和建造提出合理的结构形式提供必要的理论依据和设计参数海洋、、、、、结构动力学是综合了结构动力学流体动力学土动力学地质学海洋学以及数理统计计算
2、方法、,实验技术等多种学科知识的一门边缘学科是一个有着广泛学科内容与发展前途的研究方向,,、海洋结构种类繁多本文将以海洋平台结构为主阐述其动力荷载数学模型与分析方法中存在的一些专门问题与发展现状、二海洋结构的环境与构造特点目前海洋工程一般建造在水深为米以内近海区域这一地区约占地球表面水域面积的左右为了勘探、开采、运输海底石油及其它资源,需在辽阔水域中建造各种类型平台及有关设施海洋平台结构动力学是以海洋环境以及相应特有的工程结构形式为研究背景的力学学科,、、、、、,,首先海洋环境条件十分恶劣多变深水急流暴风恶浪经常发生变化多端其次海
3、洋还,、、、只是人类刚刚开发的领域风浪的形成与发展海底地基的构成与特性地震浮冰的成因与预测,,等都还没有弄得很清楚更难于在数学上给予确切描述再有海洋结构大部份是浸没于海水之中,结构荷载的产生与结构的运动都与周围的流体介质密切相关这些海洋环境的特点都是海洋平台结构动力学中必须加以认真考虑与仔细研究的处于海洋环境之中又要达到开采石油预期目的的海洋平台将具有以下特点结构尺寸十分高大,,总体高度一般总要几十到上百米平台固定于海底延伸到海面之上目前正在建造的最高平台已经超过米平台又是人员长期生产与生活活动场所,其平面尺寸也十分可观在美国南
4、加州已建成的平台宽度有的达米达样庞然大物在陆上也是罕见的、、、、生活设施在平台台面上集中了钻探井架搬运吊车动力机械停机坪等结构主要质量这相、、,风化腐当于一个固定于海底的悬臂结构头部附有很大集中质最海洋底部是经过长年沉积蚀形成的,具有相当厚的柔软复盖层大部分平台就是建筑在达样松软而又未经很好处理的地基上与一,、、般陆上建筑物相比海洋建筑所承受的动载又具有最大种类多周期频繁特点根,据以上海洋结构特点可以看出平台结构的动力分析是其设计计算中一个十分突出而又重与一般结构动力学相比,一是藕合特性在海洋工程动要的问题其动力分析
5、又有二方面特点,、二是,力分析中结构与流体结构与土壤之间祸合具有十分重要意义环境荷载的随机特性其中、、、、包括风浪流冰地震等都具有一定非决定因素三、海洋结构的动力荷载海洋结松功勺动力荷载可分为二大类自然荷载与人为荷载自然荷载按成因又可分为流体、、、、,荷载风荷载地震荷载浮冰荷载四种人为荷载是指各种生产活动中包括船机撞击钻井操、、,作机械吊车运转等产生的动力载荷这些荷载中以流体荷载为主达将要在本节中主要加以讨论的地震、浮冰荷载在某些地区是应该考虑的,这将在下面另行叙述风荷载一般只占平台,,,全部环境荷载务不到人为荷载则更小它们均与一
6、般陆上结构分析相类同就不再重述、、、、,流体荷载是由波浪海流涡旋脱离超驰振动波浪破碎与拍击等各种因素造成的其中又以,、小振幅情况下,波浪作用为主波浪是风吹水面而引起的风停后将继续存在波浪面在深水接、,,近于理想正弦曲线在浅水中峰变陡谷变平而趋于余摆线陡度增加时其不对称性也增加风致区也有不规则效应表示波浪特征主要有二个要素,即周期与波高我们通常看到波浪以较大速度单方向向前传播,但是在稳态波中的水质点且以较低速度作有规律的往复运动在一个波浪周期中水质点完成一个接近于封闭的轨道运动,,轨道的垂直直径等于彼高深水中水面质点的,,,运动轨道接近于
7、一个圆它的直径随深度增加而显著减小深度超过一个波长后水质点几乎变为,,,,静止了浅水中水面质点轨道近似于椭圆它的长轴平行于海底短轴随深度增加而减小直到海波浪能量大小也依赖于周期与波高,,,一半是动底只有水平运动其一半是势能由水面波形引起能,,来自水质点速度能量密度随频率分布叫波谱波谱将用于结构的谱分析波浪的卓越频率一般在之间波浪力的确定计算包括风一浪一质点运动一波浪力三步过程下面将分步叙述、,风的风速风时和风区决定了波浪参数风致波浪的精确机理尚未充分了解但预报波形的,,一,,各种半经验半理论方法已经确定
8、如法法法法等它们给出一系、,、风时风区列曲线图可由给定风
