英语原文共 23 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
海上平台结构风荷载的动态效应——在规定和实际中的临界评价 S. Gomathinayagam(a), C.P. Vendhan(b), J. Shanmugasundaram(a)
(a)结构工程研究中心，马德拉斯，chennai-113，印度 ；(b)海洋工程中心，IIT马德拉斯，chennai-36，印度
摘要
过道，承台，筒仓，起重机，直升机垫结构，梯子，钻机支撑井架架结构、生活小区、工作棚，支撑框架（MSF），和船登陆处是海上平台结构的主要组成部分。这些平台结构是为正常运转的和极端的风，浪，以及它们的冲击载荷而设计的。本文对结构上关于风载荷状况的已发表的文献，极端风载荷在柔性和固定平台上的风洞试验，以及海上平台的全面测量结果进行了综述。本文还对考虑了可能由于风激励引起的典型井架和斜臂动态灵敏度的振动模态进行了研究。由于现场实测数据不足，海上平台上面用来采集风与结构响应特性稀缺数据的检测仪表装置的必要性也就显得格外突出。
关键词：动力效应；风荷载；平台结构；近海结构；规定和实践
- 介绍
随着石油和天然气需求量的增加，世界各地相继建造了大量的海上结构物，这些海上结构是为随机风和波浪荷载而设计的。在全球水平上的海洋固定结构设计中，侧向风荷载占总侧向荷载的10%，至于在柔性和浮动平台上则是25%。设计动态风荷载在复杂形状平台结构中的实用估算是一项复杂的的过程。然而，由于受到极端风载荷的影响，构成本地组件的主要负载之一such as flare-outs, silos, cranes, heli-pad structures, ladders, rig-supporting structures, living quarters, worksheds and claddings, are significantly more than that of normal wind.，如承台，筒仓，起重机，合力垫结构、梯子、平台支撑结构、生活小区、工作棚和包层等所受到的风载荷显著高于正常风。由于极端风引起的甲板部件的许多故障已经在损坏调查中报告[ 1 ]。本文综述了风对海洋平台结构在四个多学科领域的动态影响的研究成果，即（a）海上风环境， (b) Fixed and floating platforms in wind-wave environmen（b）在波浪环境中的固定和浮动平台， (c) Offshore deck models in wind tunnel, and (d) Offshore deck structures in natural wind fleld.（c）在海上平台风洞模型和（d）在自然风场海上平台结构。
2．海上结构风荷载
从海上平台的损坏调查[ 1 ]中，已经清楚地看到，对甲板结构，如承台，甲板管道网、储存筒仓和其他类似的工艺和生产设备的损坏，可能会造成由于漏油而引起的环境恶化的巨大风险。因此，整体来看，，在设计中甲板构件需要仔细考虑甲板上的整体侧向荷载大于正常值的问题，以足够抵抗主要由风引起的侧向荷载。尽管存在测量的实际问题，但是在正常和极端风气候条件下的海上风场模型和它们在实际规则中的使用仍然在深入研究中。与固定平台相比柔性平台和浮动系统具有较低的的 frequencies compared to flxed platforms, are more vulnerable to dynamic effects of wind.频率，因此更容易受到风的动力作用。在文献[2]中，Kareem对近海应用湍流谱进行了评述。进一步来说，由于定向效应，平台结构的风载荷和平台支撑体系（固定/标准）之间的相位关系可能会降低总的横向载荷以及总荷载在甲板结构和成分上会有相当大的增加。Kareem很好地解释了这些原因，并总结如下：
2.1飓风/飓风期间的动态风效应
（i）在正常的风力下，在导架管方面，风荷载的促进作用只有总横向载荷的10%，而在检验方面大概有25%，而这些载荷在飓风中将会在导架管和检验方面分别增加到20%和40-50%。
（ii）在气旋中，由于水分含量过多和水分子微分子的存在，空气密度变高，除了风速比正常情况高外，还导致风引起的动压[0.5rho;aV(t)* V(t)]变高。
（iii）类似于陆上结构的小丘和山谷地形影响，高波会造成海上平台的风速加快。
（iv）紊流风荷载（图1）影响平台结构荷载和设计。
（v）在平台上增加动力（图1）。
(vi)在直升机甲板或平台类似提升面上增加起升力。
（vii）承台，储罐和格子结构上的湍流风（即使在对陆上结构进行全面测量的情况下，在气旋风的载荷作用下的复杂性还不清楚）。
（viii）甲板结构的爆破荷载。
（ix）在平台下由波峰和波谷造成的流风引起了起升力和阻力的逆转。
（x） 在甲板以及其他平台上一个结构的湍流尾迹。
（xi）非定常湍流风在起重机臂架和悬臂梁产生扭转载荷。
（xii）包层碎片，停泊的平台结构上的船只的影响
3..海上风环境
涉及结构载荷的因素有风速，方向和地形特点/波场，正因为意识到海洋结构上的飓风/热带气旋扥毁灭性影响，所以许多研究主要集中在极端风特性的评估上。这些研究论文覆盖了的飓风风模型的调查[ 3-6,12-14,21 ]，在各种海况下风廓线沿高度的研究[4,7,8,14 ]、设计荷载规范[15,16]，风流和浪流的联合测量[17-19]，以及风浪联合概率描述[ 20 ]。在这个灰色地带的问题还没有得到完全解决是与风传感器的连续和可操作性以及无噪声信号的获取实际困难有关。在1970 S，要想在准确测量紊流的情况下，获得良好取样率的困难一直是其中的问题之一 1970 s [1 [ 10 ]，即使有卫星数据用于数值海面风预报，模型模拟和预测精度的改进也受到计算机速度的限制[ 11 ]。表1列出了个人研究贡献的简要回顾。
4．风浪环境下的固定平台和浮动平台
数据的缺乏，没有在为近海石油开采的复杂海洋结构中设计障碍，这些在各种固定和浮动/柔性海上平台的研究中清晰可见。对阵风的海上结构的动态分析的需要早在三年前就已经意识到了[22], 简单双质量模型[ 22 ]和实践守则[ 29 ]的使用为更安全的设计铺平了道路，导架管的[ 22-26,34-36 ]结构分析，张力腿平台（TLP）[ 31,32,37,40,41,45,48 ]，[ 27,29,30,34,47半潜船桅杆结构]，[ 38 ]，铰接塔[ 28 ]，自升式钻井平台[ 44 ] [ 33 ]和停泊的船只进行了在时间域和频率域的风，波适当的加载。甲板结构如井架[ 34,43]，展示台[ 42 ]和其他甲板结构[ 36,39,46 ]的风阵响应也用测量或模拟数据进行了调查。从柔性结构的结果来看，它也已经在更高的模式下建立了足够的风激励数据。除了晶格结构风洞模拟的困难外，最近的计算流体动力学（CFD）研究[ 47 ]提出了研究晶格绕流的解析模型的实际问题。这一事实和卡里姆[1,2]的结果解释了根据全面测试和分析进一步改进现有设计规定的必要性。表2提供了这方面的历史发展和公布结果的比较。
5.风洞中的海洋平台模型
为了获得在复杂平台甲板上的气动导纳函数或力，在许多拥有格子和复合结构的甲板的比例模型中进行了试验[49-67]。虽然对于整个甲板，大多数实验是针对于量化的平均阻力和升力系数，但在了解各模块对风荷载引起的整体侧向荷载的作用方面已经有了显着的研究。平均负载系数[ 49,54,55,61 ]、动态效应[53,66],和使用的幂定律已经被用来研究导架管 [49], 张力腿平台[53,58,62,66], 拉线塔[57，60], 半潜式平台[51，54-56], 自升式钻井平台[59,64] 和船只[ 50 ]。对一般甲板[ 57 ]形态和直升机甲板最佳[ 52,65 ]的位置和雷诺兹数的影响也进行了研究。haldo [ 65 ]通过海洋井架模型化研究了复杂的雷诺兹数（Re）的影响并说明阻力系数大的差异是可能的，对于通过对低雷诺数下格构塔的测试，这就需要非常仔细的解释了。他还认为，湍流强度变化晶格结构的阻力有明显的影响。在Simiu [68] 已编译的风力系数的实验结果中，即格子结构以及板梁的阻力系数和升力系数已经成为许多当代设计程序的主要数据来源之一。对基于风洞模型试验，利用codal的保守性要求对Boonstra [30]全尺寸测得的力远远大于风洞力所预测的力的结论一直存在争议，对风洞试验结果与全尺寸风洞试验结果进行比较，则需要进行更多的研究。表3列出了有关风洞模型和现场试验结果解释困难的简要资料。
6．天然风场中的海洋平台结构
因为没有充分的测量数据，海洋平台结构的设计是复杂的。现场实测数据与为风[17,18]，自升式钻井平台 [ 44 ]，半潜水平台[ 47]以及张力腿平台[48]的结构响应开发的分析程序相比较。Spidoe和brathaug [ 32 ]对照了在自然风条件下一个简化的基于结构的阻抗及气动导纳函数的理论模型的铰接式装载平台全面实验数据，并就半潜船的全面结果，与文献[30,56]作比较。测量仪表平台的一些细节已经在表1-3中给出，并且，表4给出了全面试验研究的具体测量。
7．甲板结构和平台的动力特性
井架在任何海洋平台上的位置取决于功能要求，通常有防滑底座，油井的作业通常在极端的风况下暂停。在大风中，井架/倾斜格构式吊杆将会得到由作用于平台结构的波浪、风和电流触发的基础激励，此外，高频率的阵风荷载激发了部分固定/损伤的自由晶格结构，虽然屏蔽、干扰和基础柔性可以降低极端风荷载对井架的严重程度，但局部风速、起升效应以及平台较高频率的共振可能会增加结构的动应力。在极端的风力条件下，我们将有很高的应力范围，这意味着较低的失效周期，这就要求我们在甲板部件的设计和细节方面需要额外的谨慎。为了得出与风荷载的频率内容有关的典型结构频率的推论，这里考虑了几个例子。图2-5提出了井架和斜臂的固有频率和模态.。这些例子的结构数据已经从Vickery [60]给出的风洞的模型数据中得到了衡量。同时关于安装在松软的泥土和半潜水的表面上的Bombay High 导管架的数据也被提出来了。
7.1.codal规定在海上/陆上风荷载和响应
即使是在陆上对与地形相关有效风参数测量，目前在世界各地还远远不够，尽管陆上测量比海上风测量相对便宜和可靠。在近海结构设计中，印度海岸线也在遵循国际标准，如API系列。然而，合理使用区域风数据对一个好的设计来说是合适的，在表5中对保持这方面的API（美国石油学会）和BIS（印度标准局）codal规定作了简要对比。API-RP-2A [ 15 ]提出了整体平台设计受到风，浪等有关力的面向设计的简单技术。正确认识张力腿平台风敏感性增加，API-RP-2T [16] 生动地描述不同时间尺度的风的作用和作为整体的组件和系统的设计。图8给出了在海洋设计中使用的激发源谱[ 8 ]。
8．结论
由不同作者对不同结构的海洋平台结构的动力风效应进行了研究，以了解可能潜在的缺失环节，并对未考虑到的领域进行新的研究。在正常的风力条件下设计风谱激励频率似乎在高频状态有相当大的能量，在极端风条件下，高频状态可能在设计结构频率范围内进一步扩展。[ 70 ]。审查显示，只有很少的研究人员研究了海洋平台设计中单个模块对整体风荷载的作用。典型平台的固有频率和固定/部分固定井架/吊杆频率和模态的数值结果说明了在极值风和波浪作用下，构件模态和平台模态响应的可能性，这通常被认为是两个在谱尾附近的较高频率区具有相当大能量的独立的随机过程。具有接近于极端风激频率的倾斜吊杆的模态不仅增加了平台扭转载荷的风险，而且也给下甲板结构带来了冲击载荷的潜在危险。很明显，由于油面光滑，甲板上有火灾危险，爆臂失灵会造成广泛的损坏。在设计甲板上的部件时，动态的影响必须通过进行更详细的全面测量和运用现有的平台和分析负载和响应数据进行更详细的了解。我们可以拿从常规检查和维护中测量得到的结果与现有的设计实践相比较，可以开发出与合理的设计更加一致的分析模型。
致谢
在这里我衷心感谢国家电监会主任，T.V.S.R. Appa Rao博士对本篇论文的指导，鼓励和认可。
参考文献
[1] A. Kareem, C.E. Smith, Performance of offshore platforms in Hurricane Andrew, Proceedings of the seminar on Hurricanes of 1992 held in December 1993, Miami, Florida, USA, 1993, pp. C3 I-1-10.
[2] A. Kareem, Wind induced response analys
全文共22799字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[10682]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
