海洋平台结构设计全册配套完整课件3

海洋平台结构设计全册配套完整课件32海洋平台结构设计

（DesignofOffshorePlatforms

）第一章绪论第二章设计荷载第三章导管架平台总体设计第四章平台甲板结构及附属设施设计第五章桩基设计第六章导管架设计第七章桩基平台的动力分析第八章圆管构件的强度及稳定计算海洋平台结构设计绪论本课程主要内容Chapter1introduction第九章管节点的设计与疲劳分析第十章移动式平台加工型式与主尺度第十一章移动式船体结构的设计第十二章移动式平台的重量与重心第十三章底撑式平台的着底稳性第十四章浮动式钻井平台的漂浮稳性第十五章锚泊系统第十六章移动式平台设计海洋平台结构设计绪论本课程主要内容Chapter1introduction书籍教材：《海洋石油平台设计》，陈建民主编，石油工业出版出版社，2012年5月第1版参考资料：《近海工程结构物——导管架平台》，姜萌主编，大连理工大学出版社，2009年8月第1版《船舶与海洋平台结构》，杨永祥主编，国防工业出版社，2008年12月第1版CCS海上移动平台入级与建造规范2005，人民交通出版社ABS-RulesForBuildingandClassingMobileOffshoreDrillingUnits2008.海洋平台结构设计绪论定义：海洋平台（offshoreplatform）为在海上进行钻井、采油、集运、观测、导航、施工等活动提供生产和生活设施的构筑物，也是移动式平台、固定式平台等的统称；它由上部结构、设施与设备、支承结构等组成。海洋平台的定义及其作用

海洋平台是进行勘探开发海洋油气所需的关键装备之一。第一章绪论Chapter1introduction第一节海洋石油平台的类型海洋平台固定式平台混凝土重力式平台钢质导管架式平台坐底式平台移动式平台自升式平台钻井船半潜式平台张力腿式平台牵索塔式平台

导管架平台是由打入海底的桩柱来支承整个平台，能经受风、浪、流等外力作用。由上部结构（即平台甲板）和基础结构（包括导管架、桩）组成。

平台甲板的尺寸由使用工艺确定；

桩数、桩长、桩径由海底地质条件及设计荷载决定；

导管架立柱的直径取决于桩径；

导管架立柱水平支撑的层数取决于立柱长细比的要求。一、桩基式导管架平台导管架平台的特点1.整体稳定性好2.

刚度大3.

受季节和气候的影响较小4.

抗风暴能力强5.

安全可靠6.

结构简单7.

造价低上部结构基础结构导管架平台的应用

导管架平台是在软土地基上应用较多的一种桩基平台

工作水深一般在十余米~200m的范围内，也有超过300m的

目前是世界上使用最多的一种平台

它是从设计理论和建造技术来看最成熟、通用的平台形式

重力式平台是依靠自身重量维持稳定的固定式平台，由上部结构、立柱和基础结构三部分组成。

重力式平台

基础分为整体式和分离式两种：（1）整体式基础一般是由若干圆筒形的舱室组成的大沉垫（2）分离式基础用若干个分离的舱室做基础，它对地基适应性好，受力状况好二、固定重力式平台钢筋混凝土重力式平台钢结构重力式平台钢和钢筋混凝土重力式平台重力式平台的特点1.

海上装配量少2.

贮油能力强3.

与海底连接程度好4.

抵抗外载能力较高5.

钢筋混凝土节约钢材和提高防腐能力，且不需打桩6.

设计时应防止基础舱壁失稳上部结构立柱基础

（1）顺应塔式平台：与固定平台相似，均具有支撑水面设施的导管架钢制结构；但会随水流或风荷载移动。

水上设施包括钻井、生产及生活楼模块；

支撑结构包括下部与上部两部分；

下部导管架借助重量，通过2～6个插入泥面以下数百英尺的桩固定于海底。

三、顺应式平台水上设施支撑结构桩顺应塔式平台的应用应用水深可达900～1000m,最佳工作水深在200～650m；

整体式基础多建造在密实的砂土上；分离式基础的面积取决于地质条件；

立柱的间距随水深而变，对地基和水深的适应性强，可用于地质条件较差的场合

（2）拉索塔式平台：是一种新型的海洋平台结构,其支承塔架下端着地，上端一般用多根钢索张紧固定。这种平台用料少，工作水深大，适用于大深度水域。

。三、顺应式平台

坐底式平台由钻井驳船发展而来。该平台适用水深为5～30m，且要求海底平坦

工作水深不能调节，愈深则所需的立柱愈长，结构愈重愈不经济，而且立柱在拖航时升起太高，容易产生事故。已日渐趋于淘汰。四、坐底式钻井平台我国“胜利二号”步行坐底式钻井平台

组成：一个上层平台和数个能够升降的桩腿工作过程：移航时桩腿升起，至井位后，船体升高作业，桩腿下降插入海底适用水深与海底条件：大陆架200m以内水深，硬土区、珊瑚区、不平整海底桩腿长度是自升式钻井平台的关键参数桩腿结构形式有柱体式和桁架式两类常用的桩腿数量为3根或4根

五、自升式钻井平台平台结构桩腿海洋平台公司海洋平台公司自升式钻井平台示意图海洋平台公司海洋平台公司该模块主要包括以下三部分:1.升降机构(JackingSystem)2.固定框架(FixedFrame)3.桩腿及桩靴(Leg&Spudcan)升降模块海洋平台公司海洋平台公司升降机构升降模块齿轮传动机构1齿轮传动机构2海洋平台公司海洋平台公司桩腿及桩靴桩腿桩靴桩靴的起吊桩腿的制作升降模块海洋平台公司海洋平台公司

该模块主要包括三大部分： 钻井系统

悬臂结构

滑移系统钻井模块海洋平台公司海洋平台公司钻井绞车井架天车游车大钩固绳锚钻井模块铁钻工海洋平台公司海洋平台公司钻井模块顶驱转盘司钻控制室防喷器滑移系统液压油缸海洋平台公司海洋平台公司钻井模块泥浆循环系统泥浆净化系统泥浆泵自升式平台的特点1.

适用于不同海底土壤条件2.

适用于相对较大的水深范围3.

移位灵活方便，便于建造4.

水深愈大，桩腿愈长，结构强度和稳性愈差5.

要求自升式钻井平台既要满足拖航移位时的浮性、稳性方面的要求，又要满足作业时稳性和强度的要求，以及升降平台和升降桩腿的要求。

半潜式平台是大部分浮体在水面以下的小水线面的移动式平台，由坐底式平台演变而来。由平台本体、立柱和下体或浮箱组成。

平台本体与下体之间连接的立柱，具有小水线面的剖面，主柱与主柱之间相隔适当距离，以保证平台的稳性；下体间的连接支撑一般都设在下体上方，当平台移位时，可使连接支撑位于水线之上，以减小阻力；平台本体高出水面一定高度，以避免波浪的冲击；下体或浮箱提供主要浮力，沉没于水下以减小波浪的扰动力。

六、半潜式钻井平台半潜式平台的特点1.

适用水深：500米～几千米2.

稳性比较好3.

造价高半潜式钻井平台的类型有许多种，主要差别在于水下浮体的形状与数目FPSO概念：

FPSO是英文FloatingProductionShortageandOffloading的缩写，中文译为浮式生产、储油、卸油船。这种船并不是一种真正意义上用于运输的船，它兼有生产、储油、卸油的功能，一般与水下采油装置和穿梭油船组成一套完整的生产系统，是目前海洋工程船舶中的高技术产品。

七、钻井船（FPSO)FPSO外形类似油船，但其复杂程度要远远高于油船，涉及的复杂系统包括二十几个大类，如：单点锚泊系统、动力定位系统、油处理系统、废水处理系统、注水处理系统和直升机起降系统等，这类系统在运动型船中很少遇到。其他的惰性气体发生系统、消防救生系统、监控系统、发电系统等都高于运输型船舶的建造要求。钻井船的特点1.

在钻井装置中机动性最好2.

钻井性能却比较差3.工作：钻井船与半潜式钻井平台一样，钻井时浮在水面。井架一般都设在船的中部，以减小船体摇荡对钻井工作的影响4.适用范围：适于深水作业，但需要适当的动力定位设施。钻井船适用于波高小、风速低的海区FPSO功能

（1）兼有生产和储油的作用，是一座海上油气加工厂，具有小至几千立方米，大到几百万立方米的油气处理能力。（2）是一座储油轮，目前世界上正在服役的FPSO，其储油能力已达35万吨。（3）适应能力强，可在20-1000m水深范围内工作。（4）可省去外输海底管道，用穿梭油轮将商品油运往外地。（5）设计重现期高（100年），抗风浪能力强，可长期系泊、连续工作。钻井船示意图张力腿结构示意图TLP是一种垂直系泊的顺应式平台。它一般由平台上体、立柱（含横撑和斜撑）、下体（沉箱）、张力腿系泊系统和锚固基础五大部分组成。从结构特点看，TLP就像一个倒置的钟摆，是一个刚性系统和弹性系统两者综合的复杂非线性动力系统。八、张力腿式平台(TLP)

张力腿式平台是利用绷紧状态下的锚索链产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡的钻井平台或生产平台。张力腿式平台的重力小于浮力，所相差的力可依靠锚索向下的拉力来补偿，且此拉力应大于波浪产生的力，使锚索上经常有向下的拉力，起着绷紧平台的作用。

张力腿式平台工作原理TLP平台的特点1.运动性能好2.

抗恶劣环境能力强3.

抗震能力较强4.

便于移位，可重复使用5.

造价低

Spar平台由转盘、浮筒、悬链式锚链组成浮筒具有贮油能力与生产设备；浮筒下一段备有贮油容器；浮筒上面一段设有转盘，居住舱及工作设备适用水深：600~3000m垂荡运动比半潜式平台小具有良好的动力稳定性有较大的储油能力经济性好九、Spar平台海洋平台结构设计绪论深水浮式平台概况第一章绪论Chapter1introduction第二节世界海洋石油平台发展概况目前全世界已有2300多套水下生产设施、204座深水平台活跃在全世界各大海域平台的工作水深和钻采深度不断创造新的记录深水钻井装备和铺管作业技术也得到迅速发展

半潜式平台半潜式平台的设计商半潜式平台的建造商半潜式平台的建造周期半潜式平台的造价半潜式平台的作业水深半潜式平台的技术水平划分半潜式平台设计的关键技术半潜式平台概况Spar平台设计关键技术波浪荷载级平台运动响应垂荡、纵摇运动不稳定性及控制技术涡激振荡及控制技术系泊系统和立管系统的作用与影响Spar平台发展历程深水Spar平台发展概况Spar平台在中国南海的应用前景海洋平台结构设计绪论初级发展阶段（2000年以前）第一章绪论Chapter1introduction第三节我国海洋石油平台发展概况具有代表性的装备是研制成功我国第一艘半潜式钻井平台（勘探3号）我国依靠自行设计，先后建成渤海1号、渤海3号、渤海5号、渤海7号、渤海9号共5艘自升式钻井平台，建成胜利1号、胜利2号、胜利3号共3艘坐底式钻井平台，以及勘探1号双体式自由式浮船、渤海友谊号FPSO海洋平台结构设计绪论持续发展阶段（2000~2006年）第一章绪论Chapter1introduction第三节我国海洋石油平台发展概况我国成功设计与建造的渤海友谊号FPSO的贡献在于首次将FPSO用于有冰的海域我国先后完成了渤海长青号、渤海世纪号、渤海奋进号、海洋石油3号等FPSO的自行设计；完成了宾果9000系列共4艘超深水半潜式平台的船体建造以及15万吨、17万吨、21万吨级别FPSO的建造；初步具备30万吨级别FPSO的船体设计和建造能力海洋平台结构设计绪论有所突破阶段（2006~2010年）第一章绪论Chapter1introduction第三节我国海洋石油平台发展概况导管架平台的发展自升式平台的发展半潜式平台的发展钻井储油平台的发展深水铺管船---“海洋石油201”海洋平台结构设计绪论向深水、超深水发展第一章绪论Chapter1introduction第四节海洋石油平台的发展趋势在2003~2007年的5年中，全球约有580亿美元的资金向深海油气开发深海油气钻采装备的研制与开发呈现出欣欣向荣的景象，钻井平台的工作水深和钻采深度不断创造新的记录海洋平台结构设计绪论向大型化发展第一章绪论Chapter1introduction深海钻采装备呈现出大型化趋势，包括甲板可变荷载、平台主尺度、载重量、物资存储能力等各项指标都向大型化发展海洋平台结构设计绪论采用优良设计和高强度钢第一章绪论Chapter1introduction优良设计体现在新型平台等装备的设计进一步优化高强度钢具有强度高、韧性好、可焊性好等特点，采用高强度钢尽在海上平台和海底管线可明显节约钢材，降低造价海洋平台结构设计绪论以“理解”为主，提倡积极思考与回答问题。

考勤10%回答问题5%作业15%期末考试(开卷）70%

课程要求第一章绪论Chapter1introduction

课程考核方式第二章设计荷载

第一节设计荷载分类

按建造、安装和使用期间海洋平台所经受荷载的性质对作用于海洋平台上的荷载进行分类。设计荷载使用荷载

施工荷载

环境荷载固定荷载活动荷载吊装力装船力运输力下水力和扶正力地基的反作用力一、使用荷载定义：平台在使用期间，除环境荷载以外的各种荷载。

使用荷载活动荷载可变荷载动力荷载结构自重固定荷载防腐阳极块重量附属结构重量机械设备重量管道重量容器重量作用在平台水下部分的浮力结构在空气中的重量可变荷载：荷载的大小或位置随时间缓慢变化的荷载，一般按静荷载处理。动力荷载：随时间而变化具有显著的动力性质的荷载，包括循环荷载、冲击荷载及事故荷载。通常把动荷载乘以一个动力放大系数，把动荷载转化为等效静荷载。

对使用荷载进行分类主要在于为构件的强度和稳定设计提供最危险的荷载组合。设计时使用荷载主要包括：甲板荷载、直升飞机着降荷载、船舶停靠平台时的停靠荷载。1.甲板荷载

（1）甲板荷载主要取决于布置在甲板上的工艺设备、机械设备、生活和生产设施，以及其他的备用品和补给品（2）根据工艺布置绘制甲板荷载分布图，明确相应作业工况下甲板上各部分的最大均布荷载和集中荷载值

甲板上均布荷载住所、走道≥4kN/m2工作区≥8kN/m2生产储存区≥14kN/m22.直升飞机着降荷载

（1）直升飞机着降通常以制造厂家提供的数据作为设计依据

（2）直升飞机降落荷载约为其最大起飞重量的2～3倍（3）《海上固定平台入级与建造规范》规定：直升飞机降落时的冲击荷载不得小于直升飞机最大起飞重量的3倍

冲击荷载河海大学港口海岸与近海工程学院河海大学港口海岸与近海工程学院543.船舶停靠荷载船舶停靠荷载系缆力挤靠力撞击力由于风和流的作用，通过系船缆作用在平台上的力由于风和流的作用，使停靠在码头的船舶直接作用在平台上的力船舶靠岸或在波浪作用下撞击平台时产生的力（1）系缆力1)风产生的系缆力F

（当风向垂直于船舶纵轴时）（当风向垂直于船舶纵轴时）Kn

——各系船柱受力不均匀系数F0

——作用于船体上的风压力K

——

船舶的风载体型系数p——

风压强度A

——船舶的空载横向受风面积n

——风向垂直船舶纵轴时，实际受力的系船柱最少数目n1——

风向平行船舶纵轴时，实际受力的系船柱最少数目ɑ

——

系船缆的水平投影与平台靠船装置前沿线的夹角β

——

系船缆与水平面的夹角

2）海流作用产生的系缆力F

船舶系泊于平台时，作用于船体上的水流力包括形状阻力和表面摩擦阻力。K

——绕流系数u——海流速度A

——水线以下船体侧面投影面积L

——最大船长ht——

平均吃水深度γ

——

海流流向与船舶纵轴的夹角a.作用于船体水下部分的形状阻力FD：K

——绕流系数u——海流速度Á

——船体浸水部分表面积L

——船长B——

船宽ht——

船舶吃水Cb——

方形系数b.作用于船体表面的摩擦力Fm：将海流对船舶的作用力F分解：垂直于船舶纵轴的力F：平行于船舶纵轴的力FT：垂直于船舶纵轴的力FN：平行于船舶纵轴的力F：3）波浪作用下的系缆力F

波浪作用对系缆力的影响较大，它与波浪要素、船舶动力特性有关。H

——波高F0

——作用于船体上的风压力θ

——

船舶仰俯角L——

最大船长用布赖恩公式对其值进行初步估计：（2）挤靠力定义：停靠在平台的船舶受风、流或冰的作用，通过防冲设施传递给靠船结构物且方向指向结构物的作用力。

当风向垂直于船舶纵轴时的挤靠力Fj：（防护设施间断布置）Kj

——

挤靠力分布不均匀系数，取为1.1F0

——

作用于船体上的风压力

——

船舶直线段与码头接触的长度n

——

与船舶接触的防护设施数目

——

各接触点挤靠力分布不均匀系数，取为1.3（防护设施连续布置）（3）撞击力

1）船舶靠泊时的撞击力计算

Cd——

有效动能系数Cs

——

船壳变形系数，一般取为0.9Cm

——

附加质量系数Ce

——

偏心率，即考虑船舶回转而对船舶能量的折减系数r

——

船舶回转半径L

——

船长a——

船舶重心与撞击接触点之间的距离C1

——

平台的变形系数C2

——

防冲设施的变形系数C3

——

船体的变形系数有效动能：引起船舶、平台及防冲设施变形的能量。

2）系泊时波浪作用引起的撞击力计算

H

——

船舶停靠时，最大波高T

——

船舶停靠时，波浪的最大周期Δ

——

可能停靠于平台的船舶满载排水量g

——

重力加速度求解撞击力的关键是确定波浪作用下船舶撞击结构物的法向速度un。法国平台设计规范推荐的计算船舶最大撞击力的公式：二、施工荷载定义：平台在施工期间所受到的荷载；它是发生在建造、装船、运输、下水和安装等阶段的暂时性荷载。1.吊装力

确定吊装力时，应考虑作用于结构上的力的特性。（1）为补偿可能发生在吊点上的任何侧向荷载，应加上与静吊索荷载同时作用的大小为5%的静吊索荷载的水平力（2）应考虑重物由于运动而产生的动力荷载和其它因素引起的额外荷载

（3）对吊点构件设计，应取荷载系数去乘所得到的静荷载

吊装力荷载系数开敞无掩护海区吊点2直接与吊点连接的构件1.35传递提升力的构件近岸有掩护海区吊点1.5直接与吊点连接的构件1.15传递提升力的构件2.装船力

装船包括吊装装船和滑移装船。（1）吊装装船：将结构物直接吊装到驳船上（2）滑移装船：用滑道或轨道台车把结构物水平移到驳船上

应根据结构物在滑移过程中的可能出现的最不利的支撑情况计算支撑力，校核其强度和稳定，尚应计算开始移动时所需的水平力。3.运输力

应根据运输方式、作业时的海况、气象条件计算运输力。4.下水力和扶正力

（1）结构物下水期间要考虑结构重力、惯性力、浮力、水阻力、摇臂支撑力（2）扶正力：浮吊吊装时结构物所受的力

注：（1）在海洋环境下施工，应根据相应的固定荷载、最大临时荷载和环境荷载进行适当组合后对结构的强度和稳定性进行校核（2）施工荷载一般不属于结构设计控制荷载，故通常采取临时性措施来满足5.地基的反作用力（1）大多数导管架扶正后，导其底部配置有防沉板（2）结构防沉板设计应使地基承载力满足一定的安全系数要求，一般取为2.0（3）防沉板应具有一定的结构强度以承受地基的反作用力三、环境荷载定义：由风、浪、流、冰和地震施加到平台结构上的荷载。

海洋平台结构在环境荷载作用下，发生过许多重大灾难性事故。1961年，美国新泽西州近海TEXAS平台被暴风摧毁，死亡28人；1979年，我国的自升式钻井平台渤海2号在移位过程中，因为操作不当而翻沉，死亡70余人；1980年，北海挪威EKOFISK油田的一座半潜式平台ALEXANDERKIELLAND号因结构疲劳破坏发生倾覆，死亡120人；1981年，在加拿大东部近海，一座半潜式平台钻井平台在风暴中失事，死亡数十人。因此，充分认识海洋结构所处海洋环境的特点和风险,并且合理评估钻井平台荷载,是十分必要的。环境荷载：直接或间接由于环境作用引起的荷载。

（一）风荷载

（二）波浪荷载

（三）海流荷载

（四）冰荷载

（五）地震荷载（一）风荷载风是空气的流动，风的强弱以风速大小表示。具有一定速度的风受到结构物阻挡时即对之产生作用力。作用于海洋结构上的有水平风力和风力矩。下面介绍如何确定设计风速及由风速推算风荷载大小的办法。1.设计风速的确定《海上移动平台入级与建造规范（2005年）》中确定设计风速选取标准是：无限航区作业平台，最小设计风速分别为100kn和70kn：（1）自存工况风速:51.5m/s(100kn×1.853×1000/3600=51.47（m/s)（2）正常作业工况：36m/s(70kn)对于具有作业限制附加标志的平台，其正常作业工况的风速可以减小，但不应该小于25.8m/s。按照实际海域的观测资料确定风速，取重现期为50年的风速。当无条件进行海、陆大风风速间相关分析时，可用陆上风速乘以风速增大系数代替海上风速。海上风速与陆上风速之间关系可以查表确定，一般海上风速为陆上风速的1.1~1.3。2.风荷载风荷载包括风的拖曳力和升力。（1）基本风压p0的确定

海平面以上10m处的风压值为基本风压p0。计算公式为:

u--设计风速，或者经观测资料分析得到的50年重现期风速（2）风荷载-拖曳力

影响风荷载的两个因素：

风速受到海洋表面粗糙度的影响；离海平面越近，风速越低。1）高度因素——风压高度变化系数kz

计算结构物不同高度处的风压强时，需乘以风压高度系数，表示实际高度位置风压与海面以上10米处风压的倍数。2）构件的外形因素:风载体型系数K风载体型系数系数K表示构件对风的阻挡效应，即风吹到结构物表面引起的实际风压与按结构物轮廓挡风面积计算所得到的理论风压的比值。主要与结构物的体型、尺度有关。规范中给出的风荷载计算公式为：

式中:——风压高度系数

——风载体型系数

——基本风压

——受风作用的轮廓面积

按照风压中心到海平面以上的高度选取风压高度变化系数

风载体型系数（3）考虑脉动风压的风荷载计算对于平台上高耸结构，其柔性较小，某些风速作用下诱发风激振动。比如，渤海4号为桁架式桩腿，设计水深91.5米，在渤海湾作业时，由于桩腿外伸出船体数十米，曾发生过严重的风激振动现象。所以对桩腿一类高耸柔性结构，考虑风的动力效应是需要的，而不能仅仅考虑静风力。风速随时间变化，是时间的函数，因此风压力本质上是动荷载。由于高耸结构比如桩腿基本自振周期较长，在风荷载作用下具有明显的动力效应。当高耸结构基本自振周期

这种动力作用就不容忽视。结构动风荷载应按下式计算

式中,——风振系数。一般可按照下表取值：

（4）风的升力计算

对于大面积的平面结构，如直升机平台甲板，风对其作用一方面引起风向的拖曳力，此外引起垂直于结构表面的作用力，称为升力。

风向

风的升力

风的升力示意图

特别当平台倾斜时，升力的作用影响移动式平台的稳性，甚至导致倾覆。升力的计算公式为：

式中，为升力系数；其余符号意义同前。在DNV规范中，给出了不同结构形状的升力系数，可供计算时使用。

在工程设计中：

（1）风的长周期变化一般是按静态处理

（2）风的短周期脉动效应按准动态处理（3）当风作用在高而细的柔性建筑物上时，需要考虑风的动力效应

风荷载流体的粘滞性引起流体运动惯性、结构物存在引起粘滞效应结构物与流体自由表面之间作用绕射效应结构物对入射波浪的散射作用阻力（或称为速度力、拖曳力附加质量效应质量力（或称为惯性力散射效应自由表面效应大尺度结构物波浪对海洋结构物的作用效应：（二）波浪荷载

波浪荷载是设计海洋平台的重要环境荷载之一。作用在结构上波浪力的大小除与结构所在海区的设计水深、结构形状和尺寸大小有关外，主要取决于根据平台设计标准所选取的波浪参数或海浪谱。设计波高的选取：

（1）P部分大波的波高HP：将波高按从大到小顺序排列，取最高的前P个波高计算其平均值，称为该P部分大波的波高，记作HP。美国、日本等国采用此法；习惯称H1/3为有义波高

（2）设计平台采用的设计波高应取服役海域某一重现期内波高的极值（3）设计波高取决于结构物所在海域的设计波浪情况和结构物的重要性，遵照规范要求应尽量做到既保证安全，有经济合理，综合考虑加以决定

1．波浪参数（1）设计波高根据平台所在位置及附近海域长期实测资料（要求不少于一年），推算不同重现期的设计波高。我国《海上移动平台入级与建造规范》规定的设计波高的选取方法：

－最大波高的可能值，根据波数选取－破碎临界波高，根据规范选取

渤海深水波高为：对应波数。其中为有义波高值波数计算公式：或，和分别为波长和波浪频率。

浅水设计波高为：

比值可由规范直接确定；－波高的平均值：（2）波浪周期

某一重现期的最大波高的可能值所对应的周期T，应采用使平台结构产生最大应力值的周期。周期T的范围为

一般波浪周期T均小于20s,而周期为时，已达到破碎极限。实际工程的计算方法是：采用不同的波浪周期，计算平台的应力，直至得到平台的最大应力。2.海浪谱从波浪实际观测中发现，海面的波动是一个随机的过程，波面高度随机变化，波动周期时长时短。工程中常用郎尤特-黑金斯（Longuet-Higgins）提出的海浪模型。这个模型是把海上一固定点的水面波动用多个随机余弦波的叠加来描述，其表达式为

式中－第n个余弦组成波的振幅，m；－第n个余弦组成波的圆频率，；－第n个余弦组成波的随机初相角，它是均匀分布于范围内的随机量。

如果把介于()范围内的各组成波的振幅平方之半叠加起来，并除以包含所有这些组成波的频率范围，所得的值将是一个函数，即

而相当于在单位频率间隔内海浪的平均能量,相当于能量密度相对于组成波频率的分布函数，这个函数称为谱。由于其实质是代表海浪的能量，所以称为能谱，又因为它是能量相对于频率的分布，因而也称为波浪频谱。

根据波浪谱，可以求出波浪的统计量。如果缺乏结构海区的实际海浪谱资料，可以采用下列两种海浪谱：（1）Pierson-Moskowitz(P-M)谱产生于1963年，对北大西洋充分发展的海浪统计的结果

式中，a－菲利普经验常数，a＝0.0081；g－重力加速度，,－海面以上19.5m处的风速。（2）Bretschneider谱

适用于风的作用范围相对小的水域，其表达式为

式中，；；－有义波高，－有效波周期。根据海浪谱，可求出一系列波的波高及波浪周期。3.小尺度孤立桩柱上的波浪力计算对于构件直径与波长之比小于或等于0.2时的构件，称为小尺度构件。（1）垂直小尺度构件上的波浪力

波浪垂直于小尺度构件

单位长度上的波浪力，可采用莫里森（Morison）公式计算。根据Morison公式，单位长度上的波浪力为：

式中，拖曳力为

其中；－海水密度；－拖曳力系数，由试验确定，如试验资料不足时，圆形构件；－水质点的速度水平分量；－构件构件运动速度水平分量。

单位长度的惯性力为

=附连水惯性力+构件排开水的惯性力

－单位长度构件体积；－附连水质量系数

－惯性力系数，由试验确定，在试验资料不足时，圆形构件取；

－水质点速度水平分量；

－水质点加速度水平分量。

水平波浪力由两个部分组成，一是波浪水质点运动的水平速度引起的拖曳力;另一是波浪水质点运动的水平加速度引起的惯性力。

当进行桩基平台结构静力分析时，、可取为水质点的水平速度与水平加速度。同时因构件直径远小于设计波浪的波长，可认为构件的存在对波浪运动无显著影响，此时，、可取在桩柱中心垂线位置上的波浪水质点水平速度与水平加速度值。

作用于垂直桩柱上的总水平波浪力F可由下式计算

式中－静水面以上波动水面高度

（2）倾斜圆柱形构件上的波浪力

倾斜圆柱形构件如下图所示：

圆柱形倾斜构件

构件轴线与z轴夹角为，平面上投影与x轴夹角为。倾斜构件上波浪力仍按照莫里森公式计算，但是需要将莫里森公式写成矢量形式，即在空间坐标系下确定出垂直构件轴线方向的流体质点速度和加速度。将莫里森公式写成矢量形式，则可得到深度为y处单位长度波浪力的一般表达式

式中与是水质点速度与加速度的法向矢量（垂直于构件轴线），为水质点速度法向矢量的模。在三维坐标系下，法向矢量可表示为

得到倾斜构件波浪力计算的莫里森公式为4、波浪理论与有关公式

在确定了流体质点速度和加速度的情况下，波浪力很容易由莫里森公式计算。所以确定流体质点速度和加速度是关键问题。计算波浪力时，应根据设计波高H、周期T和水深d选用适当的波浪理论。根据水深波长比（d/L）、波高水深比（H/d）可提出常用的波浪理论适用范围。（1）当、时，采用线性波理论，适用于波幅较小情况；（2）当、时采用有限振幅波理论（司托克斯波理论）；适用于波高较大情况，由于该理论没有涉及水深的影响，不适合于浅水情况。（3）当时（浅水），采用椭圆余弦波理论，此时，由于水浅，水深影响水的流动，所以必须考虑水深求流速和加速度。米哈特（Mehaute）1976年给出了不同波浪理论的适用范围，如下图：

波浪理论的适用范围海面位移波浪理论波浪运动微幅波理论斯托克斯波理论假定波高与水深相比无限小孤立波理论波浪理论椭圆余弦波理论线性理论用有限个简单的、频率成比例的余弦波逼近单一周期的有限振幅波非线性理论适用于浅水波用来解释近岸极浅水域的波浪现象用于浅海平台设计群桩最大波浪荷载各个桩的波浪力与波浪相位角有关，所以对桩群应根据不同的波剖面位置来确定作用于其上的最大总波浪荷载。（1）桩排垂直于波行进方向：由于均位于相同的波浪相位上，故最大波浪荷载是单桩最大波浪力与桩数的乘积；

桩排垂直于波行进方向桩列平行于波行进方向（2）平行于波行进方向的桩列：由于各桩所对应波浪的相位不同，此时最大波浪荷载应考虑为同一时刻各桩所受波浪力的叠加。（3）群桩效应：由于群桩按排或列布置，在平台设计中，应考虑群桩的掩护作用和相互干扰作用。作用在一个构件上的波浪力，将受到与之靠近的另一个构件尾流场的影响。前面构件尾流的旋涡可能激发后面构件的动态响应，使其波浪力增加，这即是群桩效应。

当时，应该考虑群桩效应。

根据模型试验和现场观测，群桩的掩护和干扰作用主要和桩距I和桩径D之比有关。一般认为当时，桩的掩护作用和干扰作用可不予考虑；当时，应将波浪荷载乘以群桩系数。其值应尽量由实验确定，或者查阅有关资料。

6.海生物附着对波浪力的影响海洋桩基平台在使用期间，桩上会附着各类海生物，这样会增大桩柱的阻力系数值，增大波浪拖曳力。据国外资料提供的数据，在海生物附着显著的海域，波浪拖曳力增大20～40%；同时由于海生物附着，加大了桩柱的直径，也必然加大了波浪惯性力。为此，规范中规定：在海生物附着范围内，莫里森公式中惯性力项的桩径Ｄ应按实际直径计算，并将波浪拖曳力乘以相应系数，其值可根据海生物附着程度的不同确定。7.大尺度构件上的波浪力大尺度构件指人工岛、半潜式平台等，其直径或者尺度与波长的比值远远大于0.2，这类构件称为大尺度构件。对于小尺度构件，在构件的宽度范围内，圆柱的存在仅仅影响圆柱周围局部流畅流场，对波浪的反射作用不明显，因此可以忽略构件对于流场的影响。但是当尺寸加大时，结构的尺度相对于波长不在是小量，此时，结构对波浪流场的反射和散射作用不可忽略。所以必须考虑结构存在引起的波浪的绕射作用。考虑波浪的线性绕射计算波浪荷载，已经提出了多种方法，主要有：格林函数法；奇点分布法、源汇分布法。（三）海流荷载

作为平台荷载考虑的海流包括潮流和余流。

潮流：由于天体运动产生的引潮力而造成的潮汐现象，因潮汐涨落产生的周期性海水水平流动。

余流：水文、气象等因素引起的海水流动，即非潮流部分的海流。1.漂流：由大范围的信风作用引起的定常海流2.梯度流：海面上空大气压力分布不均匀或海水密度分布不均匀会引起海水等压面倾斜，从而产生沿等压线流动的海流3.海底回流：在近岸海区，由于波浪破碎引起的海流

风海流是余流的主要组成部分。海流：指由于潮的作用、风的拖曳等原因引起的比较稳定的水流运动。这种潮流或漂流往往会改变波浪形态，影响作用在结构上的波浪力。1.海流速度海流包括潮海流和风海流，需要分别计算潮海流和风海流,而后迭加得到总的海流流速。

潮海流：流速随水深而变化，实测资料不足时，可近似的取：潮海流按相对水深的1/7次方变化。总海流流速近似计算公式为：

式中－设计泥面以上高度处的海流速度，

－水面的潮流速度，

－设计泥面以上的垂直距离，

－水深，

设计海流流速应采用平台使用期间可能出现的最大流速。其值可根据现场实测资料整理分析后确定。风海流：主要是由风引起的，特别是近海风海流流向基本与风向一致，因此可利用其与风速的关系，估算出最大可能风海流流速值。

式中－10分钟最大风速，；

－系数，一般，渤海采用0.025，我国南海和东海可取0.04~0.08。2.海流力当只考虑海流作用时，圆形构件单位长度的海流荷载可按莫里森公式的拖曳力分量计算，即

式中—海流拖曳力系数，与波浪力的相同—海水密度—设计海流流速—单位长度构件垂直于海流方向的投影面积当考虑波浪与海流同时作用时，通常认为莫里森公式仍可适用，其计算公式为：

左图中，为来流速度。当在流体分离点产生旋涡时，流体旋涡逆时针旋转速度为，对于管道上侧，流体质点速度变小为，下侧流体质点速度增加为，速度小的一侧，压力大，速度增大一侧，压力减小，两侧出现压力差，该压力岔即为升力。3、卡门旋涡-涡激升力流体沿垂直于圆形构件轴线匀速流动时，在构件周围会出现卡门旋涡。旋涡泄放时将产生一可变升力。该力的变动频率接近时，会引起共振。进行平台结构设计时，一定要避免这一现象发生。下图为涡激升力：涡激升力图

圆柱体的漩涡泻放，主要取决于两个因素：一是雷诺数Re，一是海流速度分布。Re可由下式给出

式中，－垂直于构件轴线的海流速度－圆柱体直径－海水运动粘滞系数对于海水漩涡的释放频率：

称为斯特劳霍尔数（Strouhalnumber）。应该避免漩涡的释放频率与结构固有振动频率接近或重合，防止产生涡激共振。

左图中，V-设计海流流速；V1-潮流流速；Vw-风生流流速；Vs-风暴涌流速；-风生流的参考水深；-静水水深；z-水质点静水水面以下的垂直距离。4.波-流联合作用荷载流速的处理波浪和海流共存，使海流流速增加，计算时应该将波浪水质点速度与海流水质点速度矢量叠加。叠加方法如下图所示：

波浪水质点速度与海流水质点速度矢量叠加图（四）冰荷载

在冰情严重的海域建造固定平台，冰荷载是不容忽视的环境荷载，往往比波浪荷载还要大，成为平台设计中的控制荷载。因此有冰情的海域，应根据长期实测资料分析确定冰的厚度、强度和冰对平台撞击速度等。

1、冰荷载作用的主要类型流冰对平台的冲击作用平台损坏的主要原因巨大的冰原包围平台产生的挤压力

流冰期间冰块对平台的摩擦作用海冰对其周围的平台产生的附加重力和附加浮力。（气温下降海冰结为一体，加之水位的涨落）

CCS规定平台设计需考虑的冰荷载在潮流和风作用下的大面积冰原呈整体移动挤压结构。若结构强度足够,则冰原将被切入或破断而移动,荷载呈周期性变化，结构发生振动。1969年春，中国渤海出现的特大冰封即以这种形式将一座固定平台推倒。

冰对结构的作用是一个复杂的现象，影响因素较多。根据冰的特性和其与平台的相互作用，主要应考虑下列两种冰荷载：（1）当整个海面处于冰层覆盖，平台被冰原包围时，在海流和风作用下，大面积冰原呈整体移动挤压平台。如果平台有足够的强度，则冰原将被桩柱切入或割裂。这种冰荷载呈周期性变化，并伴随着平台振动而产生。（2）流冰期间，自由漂流的流冰冲击平台产生冲击力。根据实际观察，冰对平台作用主要是这两种。特别是第一种形式，在大面积冰原整体移动挤压平台过程中，冰原破碎的瞬间，作用在平台桩柱上的冰压力最大。工程上关心的是最大水平冰压力。根据冰的受压强度极限，可求出冰被压碎时的极限冰压力，以此作为设计冰压力。影响冰压力的主要因素：

（1）海冰的特性

（2）结构物的形式

（3）海洋环境条件

2、冰荷载（1）结冰海域内，在风和流作用下，大面积冰原挤压垂直孤立桩柱所产生的冰荷载可按下式计算

式中－桩柱形状系数－局部挤压系数－桩柱与冰层的接触系数－冰样试样的极限抗压强度：渤海及黄海北部沿海取1.44MPab－桩柱宽度（或直径），mh－冰层计算厚度，m；应根据实测资料分析确定

在实测资料不足时，渤海和黄海北部沿海地区可取：辽东湾h=1m；渤海湾h=0.8m；莱州湾h=0.7m；

式中主要参数应尽量通过长期观测，经分析确定。若无实测资料，圆截面桩柱的m值可取为0.9，取为2.5，取为0.45。渤海及黄海北部沿海的冰荷载可按下面经验公式计算

－桩柱宽度（或直径），m；-冰厚(m)。（2）流冰对桩柱冲击的冰荷载可按下式计算

式中－桩柱形状系数－局部挤压系数－冰样试样的极限抗压强度：渤海及黄海北部沿海取1.44MPabj－桩柱宽度（或直径），mh－冰层计算厚度，m；应根据实测资料分析确定对于三角形端部桩柱，冰块被桩柱切入一定深度x时的最大冰压力为：3、群桩上的冰荷载计算群桩上冰荷载时，应考虑群桩的遮蔽作用。即当冰原挤向平台时，第一排桩直接受到未曾破碎冰层的挤压；而当冰原被第一排桩压碎后挤向第二排桩时，冰荷载由于第一排桩的遮蔽受阻减小。在以往的平台设计中，常采用折减系数方法处理，其折减系数取为：第二排桩0.75；第三排桩0.5；第四排桩0.25。这样选取的折减系数是否恰当尚有待进一步现场实测和研究。如按这样的折减系数计算，则4排桩固定平台所承受的总冰荷载为单排桩冰荷载的2.5倍。为提高平台的防冰能力和减小冰荷载，设计中应尽量采用破冰、防冰和能较好的吸收冰冲击能量的结构形式。特别应指出的是在冰凌作用的高程范围内不应设置撑杆，同时应注意合理布置平台方位，使平台抗倾覆能力强的方向与冰原移动方向一致。冰荷载是重冰海域海洋工程结构物设计的控制荷载.随着海洋工程开发活动的规模化发展，海冰与结构物相互作用的问题日益突出，建立合理的冰荷载计算模型，研究锥面冰荷载对桩腿的安全作用，对于抗冰结构的设计非常必要。在工程设计中，冰荷载是指冰力时程曲线的峰值荷载，其大小主要取决于冰排的破坏强度，而破坏强度的大小与冰排的破坏形式密切相关。由于冰排的抗弯强度小于挤压强度，借助冰锥结构能使得冰排以弯曲模式破坏，从而有效的减小作用在锥体上的冰力荷载。故锥体抗冰结构凭借有效地减小冰荷载这一优势，成为目前冰区海洋工程的优选结构形式。

（五）地震荷载1.近海平台抗震验算的原则和要求（1）应对设计烈度为7度、8度、9度的地震荷载进行计算；对高于9度的地震荷载应进行专门研究（2）地震荷载计算中的设计烈度一般采用所在海域的基本烈度（3）对次生灾害严重或特别重要的平台，可按基本烈度提高1度作为设计烈度

2.地震动水压力计算(1)地震在振动过程中对建筑物产生的惯性力包括地震惯性力、地震动水压力、地震动土压力。（2）地震动水压力p是建筑物与周围水体的相互作用而产生的作用力，是指静水压力以外的附加水压力,按下式计算：

第二节计算状态确定及甲板荷载1.计算状态（1）正常作业工况

静荷载：所有结构、消耗品及设备等重量以及作业荷载。

环境荷载：最大风、浪、海流要素荷载及海床反力等，还要考虑环境荷载的组合。（2）迁移工况

静荷载：所有结构、消耗品及设备等重量以及浮力。

环境荷载：①油田内迁移：风速不小于36m/s，波浪与海流流速按照最不利情况组合。②远洋迁移：风速不小于51.5m/s，波浪与海流流速按照最不利情况组合。

应该考虑平台倾斜和运动加速度以及拖缆力的影响。（3）升降工况

静荷载：所有平台主体结构重量、压载重量及设备等重量。

环境荷载：取手册中允许平台升降时的最大风、浪、海流要素及荷载。（4）自存工况

静荷载：所有平台主体结构重量、压载重量及设备等重量。

环境荷载：取手册中规定的平台自存时的最大风暴条件。2.甲板荷载甲板荷载估算取值为：船员舱室和走道4500N/m2作业区域（包括露天甲板）9000N/m2杂务储存区13000N/m2直升机甲板2000N/m2。

第三节荷载组合荷载组合的原则：（1）根据设计环境条件，对实际有可能出现的各种荷载，应按最不利情况进行组合（2）对同一结构的不同设计项目或不同阶段，应按其各自可能出现的最不利荷载情况分别进行组合（3）受水位影响的荷载和设计项目，在进行荷载组合时，必须把水位作为一个组合条件来考虑

最基本的、起控制作用的荷载组合：（1）设计的工作环境条件与平台上的固定荷载和相应的最大活荷载组合（2）设计的工作环境条件与平台上的固定荷载和相应的最小活荷载组合（3）设计的极端环境条件与平台上的固定荷载和相应的最大活荷载组（4）设计的极端环境条件与平台上的固定荷载和相应的最小活荷载组合128

第三章导管架平台总体设计

第一节设计参数第二节导管架平台的构成及分类第三节平台的方位、结构型式及主要尺寸设计第四节平台上的主要设备第五节平台上设备的布置第六节平台的总体规划与布置导管架平台总体设计本章主要内容导管架平台总体设计定义：按一般的设计准则、法规和标准处理平台上部设施和设备的工艺布置与支承结构选型的总体问题总体布置的目的：寻求平台总体的最优设计方案平台总体设计第一章绪论Chapter1introduction工艺布置是支承结构规划布置的依据；支承结构选型必须满足工艺布置的要求

平台总体设计过程：反复进行工艺布置与结构选型的过程平台使用参数施工参数海洋环境参数海底地质参数第一节设计参数平台的用途、工艺要求施工手段、满足施工要求的自然环境条件工作环境参数、极端环境参数工程地质参数、适宜的持力层

（1）使用年限（2）平台设置的位置及该位置的水深（3）是否有人居住，若有人居住，居住人数、人员上下平台方法及紧急状态的撤离方法（4）平台工艺布置要求及处理方法（5）供应船的尺度、停靠方式，直升飞机的型号及直升飞机停泊场的布置，起重设备能力及数量（6）油（气）井的数目、间距（7）保证工作人员和设备的安全、防止污染、减少振动及防火的措施

一、平台使用参数

（1）要求预制场地有足够的工作面积（2）供水供电方便、充足，能正常进行构件制造（3）要求路上交通有铁路公路相通，水路有码头通航，能够保证大量材料运进和大型构件运出（4）要求有足够的工作船和起重机具进行运输安装（5）平台制造厂技术水平能满足平台制造要求（6）要求从制造场地到平台服役海域的航线有足够的航行水深

二、施工参数

（1）海洋环境：a.风、波浪、潮汐、海流、海冰、地震、海啸b.风、雨、雪、雾、霜、温度、湿度c.地基土壤、腐蚀性海水、海生物附着、盐度（2）环境参数包括工作环境参数、极端环境参数（3）工作环境参数：平台在施工和使用期间经常出现的环境参数，以保证平台能正常施工和生产作业为标准（4）极端环境参数：平台在使用年限内，极少出现的恶劣环境参数，作为保证平台生存标准。所选用的荷载重现期均不小于50年

三、海洋环境参数

（1）平台设计前需进行地质调查：a.现场海底地貌情况b.浅地层剖面c.地球物理测量结果d.周围土层的分类、年代、成因类型、状态、分布规律e.软硬岩土层的接触关系、接触面的坡度和坡向

（2）了解本海域不良工程地质现象：海沟、古河道、断层、海底冲刷情况（3）分析场地工程地质参数，判定不良地质现象对平台安装的影响（4）确定适宜的持力层

四、海底地质参数第二节导管架平台的构成及分类导管架平台支承结构导管架钢管桩板上部设施与设备甲板梁滑道梁桁架立柱设备甲板结构

导管架平台是由腿柱和纵横杆系构成的空间构架。

纵向和横向连接杆构成的支撑可传递水平荷载，保证结构的整体稳定。

1、导管架腿柱（导管）水平撑杆斜撑杆桩导管架的主要作用1.

桩基施工时，作为打桩定位和打桩导向，并使各单桩有机地连为一体2.

安装上部设施与设备时，可在上面架设临时施工平台，保证施工安全和加快施工进度3.

作为支撑结构的一部分可以增加结构的抗倾覆能力的刚度，提高结构整体稳定性4.

可作为大量附属设施的支撑2.钢管桩钢管桩导管架海床

群桩基础把平台固定于海床，可承受各种使用荷载和海洋环境荷载。3.甲板结构板梁桁架（立柱）

甲板结构：为海上油气田开发和其它海洋开发提供足够的使用空间，用来布置各种设施和设备。4.设施和设备模块陆地制作模块海上甲板结构

现代平台设计通常按照起重机的允许最大吊装能力和工艺流程要求，将上部设施与设备分成很多模块。按工艺流程组装模块

导管架平台井口平台生产处理平台泵站与压缩机平台生活平台火炬平台集油（气）平台注入平台综合平台其他种类平台导管架平台的特点1.

平台的支承结构是以圆钢管为主要构件的钢结构，结构受力状态较好2.

桩打的准而直，故结构适用于水深、浪高、风大的海域3.

打桩作业简单，且导管架可保证平台结构的整体稳定性4.

分模块作业使得结构既安全又经济5.

平台设计、制造和安装技术成熟，结构的适用性强有利于抵抗海洋环境荷载作用便于工作船停靠满足平台上部设施与设备工艺布置要求第三节平台的方位、结构型式及主要尺寸设计使支撑结构抗倾覆能力强的方向与流向一致火炬塔在下风向，生活区在上风向一、平台的方位设计平台的方位：在标明正北方向的平面图上，平台主轴与正北方向的夹角。它通常取决于主导风向、波向、流向、海冰方向及平台使用要求。把靠船装置布置在支撑结构与流向相平行的一侧选择平台方位的原则：导管架三腿柱导管架四腿柱导管架八腿柱导管架主要用于井口平台、火炬平台、机械设施支承平台主要用于井口平台、生活平台、压缩机平台、油（气）生产平台、钻井平台主要用于综合平台平台支承结构型式的选择即导管架结构型式和桩基布置型式的选择。其它导管架6、9、12、16、24腿柱导管架平台目前世界上导管架趋势是向少腿柱发展，大多数为4腿柱和8腿柱导管架平台。二、平台支承结构的型式设计撑杆的布置K型撑杆X型撑杆撑杆受压，易失稳撑杆有效长度短，可采用细长杆件，减少导管架总重量导管架腿柱和支承腿柱的撑杆共同构成导管架空间框架结构。荷载作用下，一根受拉，可防止另一根受压撑杆失稳焊接节点多，焊接工作量大撑杆有效长度大，导管架总重量大焊接节点少，焊接工作量小，费用低设计者的经验、导管架运送方式、施工技术决定撑杆布置型式。一般在深水海域和地震海域多采用X型撑杆。桩基布置型式1.

桩基的布置和桩数决定导管架型式2.

边桩：均匀布置在导管架底部四周的桩3.

裙桩：布置在导管架四个角柱周围的桩桩基的布置边桩布置裙桩布置平台上部竖向荷载显著大于水平荷载引起的倾覆力矩对地基的作用适用于水平荷载对地基引起的倾覆力矩占地基总负载较大比例的情况裙桩可承受更大倾覆力矩；导管架需采用较粗支撑北海应用较多上部竖向荷载较直接通过腿柱传到基础，导