02海洋工程环境学第四章风载荷.ppt

海洋工程环境学风载荷,风,定常,脉动,上层建筑,弯矩,振动,断裂,疲劳,海洋结构物与环境因素的相互作用,海洋环境,风载荷是海洋工程结构设计的重要控制载荷,抗风设计是结构安全的重要保证，风对海浪、海流产生重要影响。风的运动：风是大气中空气的运动，空气从气压高处流向气压低处，即在气压梯度力的作用下产生运动。风的形成：地球表面存在温度差异，大气空气的气压差使气流发生流动而形成风，加上地球的自转运动就形成风带。风载荷：随机性，通常用风速谱描述。细长、高耸结构可能发生动力放大效应。风速成分由10min长周期和几秒钟的短周期脉动风组成，因此工程上平均风速-静力作用；脉动风-动力作用。,风的特性,风向和风力强度,风力是个矢量，风速和风向两方面；风速：气流前进的速度；风向：风的来向，用16个方位表示(北,东北偏北,东北,东北偏东,东)。风玫瑰图,风向和风力强度,2009-2010年度渤海辽东湾三个海域的风速、风向监测结果,JZ20-2、9-3、25-1S海域风速、风向变化,风向总是随季节和时日发生着改变，对结构物受力有着不同的影响，用风玫瑰图来描述方向特性。风的玫瑰图又称为风向频率图或风况图，表示风在各个方向的强弱和出现的次数。基于玫瑰图可以确定常风向（统计中风速出现频率最多的风向），强风（出现最大风速的方向）风力强度：风的作用强度，用风级表示，按风速大小进行分级；通常采用10m高处的风速大小表示。风力等级从无风到超强台风，共有18级。,蒲氏风级(Beaufort Wind Scale)：从风与风帆的对应关系提出,表示风对结构物的影响程度.后来采用10m高处的风速大小表示。,0 17级：风速0.0 60m/s(距地面10米处),7,蒲氏风级与风速的换算公式:其中V 是风速（m/s）,F是风级,0.2 海洋环境因素分析,风速影响因素：气压梯度力、地转偏向力，离心力和摩擦力的综合作用。大气压强：大气在重力作用下产生的对地面的大气压力。（1）地球各处的大气压力不同，形成大气压强场（气压场）（2）定义：单位面积上从某高度到大气上界的垂直空气柱的重量，1Pa=1N/m2（3）一个标准大气压：温度为0度时，位于纬度45的海平面的气压，该值为1013.25hPa，或760mm汞柱。（4）气压影响因素：纬度、温度、高度等。,大气压强和大气运动,气压梯度力1、地表各处的大气压力分布不均匀，产生气压梯度力，推动大气水平流动。2、气压梯度力表示为：G=-p/，方向与等压线垂直，由压力高处指向压力低处。3、大气大尺度运动就是垂向近似满足静力平衡，做水平方向运动。4、气压梯度力是推动大气运动的主要作用力。5、相邻区域的气压值相差很大时，气压图上的等压线表现密集，气压梯度陡，因而产生强风。,大气压强和大气运动,地转偏向力（科氏力，Coriolis Force）研究海水或者大气的大规模运动时，必须考虑地球自转效应，或称为科氏效应。由于地球绕轴自转，在赤道处的地面便具有约464m/s自西向东的线速度，向两极方向随纬度的增高逐渐减小，在纬度30处约为402m/s，60处约为232m/s，两极为零。假定有一物体从赤道沿经圈向高纬（向南或者向北）运动，由于其在赤道具有的较大自西向东的线速度，因此，地面上的观察者会看到，它的运动轨道不断向东偏移。在从高纬向赤道方向运动的过程中，由于其保持在高纬处的较小的自西向东的线速度，因此其运动轨道不断地偏向西。,3,0.2 海洋环境因素分析,地转偏向力1、其作用效果与大气运动尺度成正比，在地球表面上做自由运动的物体会发生运动方向偏离，但不改变其大小。2、科氏力f=2mvsin，是地球自转角速度，V是任一方向的速度，在北半球指向运动的右方，南半球指向左方。3、科氏力在大小上与物体运动的速度成正比，并随纬度发生变化。4、北半球，在科氏力的作用下，北风变成东北风；南风变成西南风。,大气压强和大气运动,大气压强和大气运动,北半球 南半球,大气压强和大气运动,地转偏向力,对风的影响：1、风在北半球向右转，在南半球向左转。此效应在极地处最明显，在赤道处则消失。2、如果没有地球的旋转，风将会从极地高压吹向赤道低压地区。3、科里奥利效应在极地最显著，向赤道方向逐渐减弱直到消失在赤道处。这就是为什么台风只能形成在5纬度以上的地区，而通常不能形成于赤道附近。,地转偏向力,对风的影响：1、风在北半球向右转，在南半球向左转。此效应在极地处最明显，在赤道处则消失。2、如果没有地球的旋转，风将会从极地高压吹向赤道低压地区。3、科里奥利效应在极地最显著，向赤道方向逐渐减弱直到消失在赤道处。这就是为什么台风只能形成在5纬度以上的地区，而通常不能形成于赤道附近。,地转偏向力,对其它物体的影响：1、影响任何一个环绕地表的远距离运动。例如，在一战期间，德军用他们引以自豪的射程为113千米的大炮轰击巴黎时，懊恼地发现炮弹总是向右偏离目标。2、对于近距离的运动，科里奥利力影响极小。从场地一边把篮球抛到另一边的运动员，考虑科里奥利力的影响而需要调整自己投球的偏移量为1.3厘米。当你拔掉盥洗池的橡皮塞时，会发现有时水流并不是逆时针旋转流走的，因为科里奥利力几乎没有足够的时间来影响水这样短距离的运动。,地转偏向力,价值应用：定位风暴19世纪比利时气象学家白贝罗应用科里奥利效应找出一条规律，发现最近的风暴：在北半球，当你背风而立，风暴在你的左侧；在南半球，则在你的右侧。,地转偏向力,有关生活：水漩涡的形成当向桶中注水时，水从注水点向四周流动，北半球在地转偏向力的作用下右偏，漩涡呈逆时针方向旋转。南半球则呈顺时针方向旋转。,地转偏向力,有关生活：2.车辆和行人靠右行A图为靠左行，北半球车辆在地转偏向力的作用下右偏，都偏向道路中间，更容易与对面过来的车辆相撞，发生车祸的频率会更高。B图为靠右行，北半球车辆在地转偏向力的作用下右偏，都偏向路边，路边是司机开车注意力的集中点，司机会不断调整方向来保证行车安全。,地转偏向力,有关生活：3.跑道上逆时针跑行人们总喜欢沿逆时针方向。A逆时针方向跑，地转偏向力向外，身体倾斜产生一个向内的向心力，二力方向相反，更易平衡，过弯道不易跌倒。B顺时针方向跑，地转偏向力和身体倾斜产生一个向内的向心力方向相同，不易平衡，过弯道处易跌倒。人类的发源地都在北半球，人们长期受地转偏向力的影响形成了这一习惯，所以哪怕到了南半球，人们还是习惯于这样的行为。,地转偏向力,有关生活：3.机械设备顺时针旋转电扇、电机、柴油机、水轮机等都是顺时针旋转。在北半球顺时针旋转，地转偏向力指向轴心，由于向心作用，使机械设备更耐用、更牢固。而逆时针旋转时地转偏向力指向外，由于离心运动，机械设备易损坏，使用寿命缩短。,地转偏向力,有关生活：4.其它台风北半球都是逆时针旋转，南半球顺时针旋转。河流的右岸总是被冲刷的，而左岸经常有沙石堆积。火车在行走时，右轨磨损得总是比左轨要厉害一点。,自由大气运动离地面1-1.5km高度以上的大气可以看成理想大气，不考虑湍流摩擦力作用，运动可看作是自由大气运动。在水平气压梯度力+科氏力的作用下，大气运动形成地转风，若附加弯曲运动的离心力就形成梯度风。（1）地转风：大气运动的水平梯度力与科氏力达到平衡状态时形成的稳定空气水平运动。,大气压强和大气运动,其中，空气密度，地球自转角速度，是所处纬度，是以纬距表示的相临等压线间的垂直距离，是对应的两等压线间的气压差。,注意：地转风近似在赤道不成立，因为该处的科氏参数为零。,大气压强和大气运动,地转风,（2）梯度风：实际的自由大气运动存在弯曲的气压系统，等压线存在弯曲，此时的气流在作曲线运动时产生离心力，这种水平气压梯度力、科氏力和离心力三者平衡运动下的空气水平运动就是梯度风。,大气压强和大气运动,其中，空气密度，地球自转角速度，是所处纬度，是以纬距表示的相临等压线间的垂直距离，是对应的两等压线间的气压差，是曲率半径,在北半球，梯度风围绕高压中心作顺时针方向的旋转运动，绕低压中心作逆时针方向做旋转运动。,低压中心,高压中心,梯度风,大气环流：是地球上最大规模的风系，它的形成是由于高低纬间的大气存在温度差异而产生的流动。季风：是大规模盛行风向随冬、夏季节发生显著交替转换的风系，其一般发生在沿海及其附近地区。冬季的海洋为低压热源，大陆为高压冷源，导致地面大规模的盛行风从大陆吹向海洋。在冬季，我国盛行西北季风和东北季风，气候干冷，少雨。大陆现象，冬夏季节差异，时空尺度大。热带气旋：是发生在热带海域洋面上的低压气旋性旋涡，北半球沿着逆时针方向旋转。台风：又称飓风、热带风暴、热带气旋海陆风：由海陆间温差引起的海陆向气流交替流向的小规模风系，其与季风有差异，局地现象，昼夜差异。,3,大气运动模式,3,0.2 海洋环境因素分析,3,0.2 海洋环境因素分析,3,0.2 海洋环境因素分析,大规模风系：纬度30东信风；纬度3060偏西风；纬度60 90极地东风。中规模风系：季风,台风 小规模风系：海陆风，山谷风，龙卷风,3,风,大气运动模式,中规模风系：,大范围地区的盛行风随季节而有显著改变的现象，称为季风。季风在冬季由大陆吹向海洋，在夏季由海洋吹向大陆。随着风向的转变，天气和气候的特点也跟着发生变化。季风的形成与多种因素有关，其中最主要的是由于海陆间的热力差异。在夏季，大陆上气温比同纬度的海洋上气温高，大陆上气压比海洋上气压低，气压梯度由海洋指向大陆，所以气流分布是从海洋流向大陆的，形成夏季风；冬季则相反，气流分布是由大陆流向海洋，形成冬季风。,0.2 海洋环境因素分析,世界上季风区域分布甚广而东亚是世界最著名的季风区。因此季风也是中国海洋气候的主要特征。由于大陆和海洋热容量的不同，冬季在严寒的亚洲内陆形成高气压带，温暖的海洋形成低压区，所以冬季盛行偏北风。而夏季正好相反，高温的大陆内部形成低压区，凉爽的海洋上形成高压区，故盛行南风。,0.2 海洋环境因素分析,冬季是我国季风最强的季节。冬季风起源地蒙古高原的偏北气流，其频率高，风力强劲。寒潮是巨大的高压冷气团南侵，造成急剧降温，且伴有霜冻、大风现象的天气过程。主要集中于11月至次年2月。寒潮有效稳定的路径，它们主要发源于北极，途经西伯利亚，并在那里得到加强，然后进入我国。夏季的季风，其气流来源，一是太平洋热带高压海洋气团，二是印度赤道海洋气团。前者主要控制东海，后者主要影响南海。,0.2 海洋环境因素分析,热带气旋在我国又称台风，在美洲通常称飓风。它是发生在热带海洋上的具有很大破坏性的低压涡旋。影响我国海域的台风发源地主要有两个区域：一个在菲律宾以东、关岛以西洋面；另一个在南海中部海域。全球每年平均大约有80个热带气旋发生，其中半数以上可以发展成台风，台风集中发生在西北太平洋、孟加拉湾、东北太平洋、西北大西洋、阿拉伯海、南印度洋、西南太平洋和澳大利亚西北海域等8个地区。西太平洋是全球热带气旋发生最多的地区，约占全球总数的三分之一。热带气旋的多发地带集中在510纬度带内，而南北半球纬度5以内几乎没有热带气旋发生。,0.2 海洋环境因素分析,0.2 海洋环境因素分析,按世界气象组织的标准可划分为四类：热带低压(中心最大风速10.817.1米秒，相当于67级风)热带风暴(中心最大风速17.224.4米秒，相当于89级风)强热带风暴(中心最大风速24.532.6米秒，相当于10一11级风)台风(中心最大风速32.7米秒以上，相当于12级风以上)。,台风表现为强烈的气旋性环流，低层有强烈的流入，高层有强烈的流出，并有极强烈的上升运动。地面是气旋式辐合流场，气流从四周以螺旋曲线的形式流向台风中心区。台风天气表现为大风、暴雨、狂浪和风暴潮。,0.2 海洋环境因素分析,0.2 海洋环境因素分析,0.2 海洋环境因素分析,北半球逆时针运动的热带气旋,0.2 海洋环境因素分析,0.2 海洋环境因素分析,0.2 海洋环境因素分析,0.2 海洋环境因素分析,0.2 海洋环境因素分析,风速计算包括：最大风速样本的取值不同时距风速的修正不同高度风速的换算最大风速重现期的统计分析,风速计算与风速资料统计,风速垂向变化规律：风速与其近地面的距离成正比，越近风速越小；规定以10m高度的风速为标准高度，其他高度应换算得到，不同地貌环境对风速的摩擦作用不同，采用摩擦参数表达。摩擦层内的风速表达：近地表小于100m高度的风速符合对数公式规律,风速计算与风速资料统计,地面粗糙度,近地表高于100m高度的风速符合指数公式规律：,其中，为距地面高度z的风速与地面基准高度为10米的风速之比，m 取决于地面形状。对于平坦地面和海面 m=1/7,对于近岸区域 m=2/7.API规范中建议取 m=0.125,风速计算与风速资料统计,平均风速与时距修正：平均风速的大小与计算所用的时距密切相关，采用不同的时距得到的平均风速不同。时距越长，小风速成分亦多，大风速的显著性降低，平均风速降低；不同时距的平均风速需要修正，一般以10min时距为标准时距，其他换算成为10min时距,风速计算与风速资料统计,挪威船级社DNV规范中给出平均风速计算公式：,风速计算与风速资料统计,其中，海面高度z处时距为t的平均风速；GF是阵风系数，为时间t内最大风速与小时风速之比值，在t=1min时，GF=1.27；t=10min时，GF=1.06；是海面10米高处时距1小时的平均风速；系数为0.10.5。,算例：分别求海面高度10m、100m处时距为1min、10min的平均风速。,最大风速样本及其重现期：最大风速样本：一般取年最大风速作为风速样本（海洋工程）重现期：设计结构时依据重现期来确定风速设计值一般收集资料为几年-十几年，而结构使用寿命在几十年-上百年，因此设计风速的长期分布研究重现期TR是指该设计风速平均每隔TR年将出现一次,(即概率问题),重现期越长,设计标准就越高,成本也越高.在我国,一般结构重现期取30年,重要/特殊的结构取100年,海洋工程结构取50年或100年.,风速计算与风速资料统计,设计风速计算(一般要求资料不小于15年)：将N个年最大风速从大到小排列,计算累积出现次数m,以及与N的比值,累积出现的概率P=m/N100%;计算并绘出各个风速值对应的多年经验累积频率曲线;利用长期理论分布函数来描述最大风速样本的变化规律,再根据重现期计算其设计风速.一般采用极值型概率分布函数,风速计算与风速资料统计,设计风速计算(一般要求资料不小于15年)：风速资料的数学期望等于各年最大风速的数学平均值:均方差:经变换可得设计风速的计算公式为:其中,是与样本个数N及经验频率P有关的参数,可查表.第m项递减变量的经验频率计算公式为P=m/(N+1),且P=1/TRP反映出不超过设计风速xd的概率.,风速计算与风速资料统计,某海区收集有26年的10m高10min时距年最大风速资料，现需按50年重现期的设计风速要求确定该海域50年一遇最大风速值。,算例确定最大风速,(1)将风速资料样本按递减次序排列并计算各项经验频率.,算例确定最大风速,风速平均值:,算例确定最大风速,风速均方差:,(2)因为重现期TR=50年,对应的经验频率值P=2%,结合样本容量N=26年,查表(极值I型概率分布PN),得到PN=3.074进一步得到,50年一遇最大风速值为：,若考虑100年一遇的最大风速值?备注：P=1%，N=26时，PN=3.711,对于海洋工程,各国船级社给出了不同的设计要求：1、DNV给出设计风速是重现期100年，时距为1min的平均风速；2、我国海上移动平台设计规范要求：自存状态51.5m/s,正常作业36m/s3、我国固定式平台设计规定：海上10m高，重现期50年，时距1min（局部构件的计算）和10min的平均最大风速（整体结构计算）,设计风速,根据自由大气中大气的大尺度水平运动近似于地转平衡或梯度平衡下的运动，由海面大气压强分布计算自由大气中的地转风风速或梯度风风速，再换算到海面处风速。1、海陆风速换算,海面风速计算,2、由地转风速计算海面风速：由可靠的海平面气压场计算地转风，再换算出海面风速。地转风Vg是由大气中的水平气压梯度力与科氏力处于平衡状态下的空气水平。海面风速与地转风速之间的经验计算公式：其中，为海水温度与大气温度之差，当气温大于水温，取负值也可查风速查算图，获取风速,海面风速计算,3、由梯度风速计算海面风速：一般情况处于水平气压梯度力、科氏力与等速曲线运动离心力三者平衡下的空气水平运动就是梯度风。海面风速与梯度风的转换关系其中，,海面风速计算,低压中心,高压中心,台风是热带海域的大规模低压气旋,风速大、范围广，实测资料的获得很困难，台风风速主要由台风气压场计算得到。台风气压场的等压线分布近似表现为圆形对称，是以台风眼为中心的闭合圆，可建立简化的台风气压场模式。代表性的计算公式：美国的Meyers公式、日本的Fuji-ta公式。台风风速采用气压分布间接计算得到，距离台风中心处的风速按中心低压的梯度风公式计算。,台风风速计算,台风的最大风速一般用经验公式给出：我国对东海和南海分别建立的台风海上最大风速经验公式：日本学者高桥建立的台风最大风速计算公式：实际上，台风风速应由台风场内的梯度风速与台风中心移动速度两者进行矢量合成计算得到。,台风最大风速计算,作用在结构物上的风载荷,风对结构物的作用力：,（1）长周期成分10min以上；（2）短周期成分几秒钟；（3）风载荷以平均值而脉动变化动力特性（4）平均风静力性质静力理论（5）脉动风动力性质动力理论,3.1 作用在结构物上的风载荷,风压计算,根据伯努利方程，空气中某静止点的压力P0和运动点的压力P的关系为：,式中V为风速。则基本风压公式为,如果取标准大气压，气温为15时干空气密度为1.2255kg/m3,作用在结构物上的风载荷,基本风压：,平均风压力下的风载荷一般表达式：其中，C是气流作用力系数，A是垂直风向上的投影面积,风速越大，对结构物的作用压力越大，风速与风压之间存在关系为：若g=9.8m/s2，空气重度=12.01N/m3，则上式可写为：,作用在结构物上的风载荷,由于风引起的力：,风力分为与风速方向一致的拖曳力FD和垂直于风向的升力FL,V,FD,FL,拖曳力FD是迎风面受到的风阻力；横向力FL是 由于物体后部的空气绕流产生分离，产生不对称的旋涡，产生的左右不对称流场引起空气流动方向垂直的横向力。,作用在结构物上的风载荷,由于风引起的力：,工程中阻力系数和升力系数由模型实验或数值模拟得到。,风力分为与风速方向一致的拖曳力FD和垂直于风向的升力FL,CD：阻力系数CL：升力系数,V,FD,FL,3.1 作用在结构物上的风载荷,不同形式结构上的风力 钻塔和起重设备-小直径杆件组成：流态由雷诺数决定，阻力项为主要成分，可能发生漩涡释放。驾驶室，居住舱-大尺度矩形表面：气流发生分离，产生漩涡和尾流。采用迎风平面的阻力系数计算风力。直升机平台-大型平面：产生升力，漩涡引起结构颤动。,3.1 作用在结构物上的风载荷,海洋工程类设计与建造规范风载荷计算公式,1、移动式平台规范：CCS规范要求2、固定式平台规范：3、API规范：4、LR规范：,Kw=?,3.1 作用在结构物上的风载荷,规范规定风压计算公式：,构件上的风力F计算公式：,S：受风构件的正投影面积Ch：暴露在风中的构件的高度系数，其值可根据构件几何心距离设计水面的高度查表得到。Cs：暴露在风中的构件的形状系数，根据构件形状查表取得或根据风洞实验得到。如球形的取0.4,CCS风载荷计算法,3.1 作用在结构物上的风载荷,风载荷计算高度影响系数Ch,3.1 作用在结构物上的风载荷,风载荷计算高度影响系数Ch,3.1 作用在结构物上的风载荷,受风与风力臂计算算例见表格,结构物上的风载荷计算,风在运动过程中受到结构物的阻挡会产生顺风力，横向力和扭力矩;实测风速包含平均风速和脉动风速两项。,结构物上的风载荷计算,风在单位高度上的顺风力、横向力和扭力矩分别表示为：,其中，公式最前面的系数分别是阻力系数、横向力系数和扭矩系数；B是结构参考尺（m2）；p是空气密度；v是风速，对于常规结构，风对结构的作用以顺风力为主。,结构物上的风载荷计算,以下讨论以顺风向为主，实测风速可表示为：,其中，平均风速周期通常在10min以上，远大于结构的自振周期，因此这部分风速用其均值来表示，对结构的作用相当于静力作用；脉动风速周期在几秒左右，引起结构的动力响应。,同理,将风压分解为平均风压和脉动风压：,结构物上的风载荷计算,平均风压和脉动风压可以近似得到：,定义风振系数，使结构在总风力作用下的响应等价于在等效静风力*Pwm作用下的响应，这样就将脉动风引起的动载荷转化为等效静载荷来考虑。,3.1 作用在结构物上的风载荷,结构的高度大于其宽度的5倍以上，自振周期长于0.5s，结构对动力效应比较敏感，需要考虑风载荷动力效应，可在计算中考虑加入风振系数：,风振系数:查表得到，是结构自振周期的函数,脉动风压的动力效应,3.1 作用在结构物上的风载荷,涡激振动（Vortex-Induced Vibration：VIV）,结构物的后部产生尾流和涡流,出现流线分离现象.周围的流态和旋涡的形成与泻放的变化过程与流场的雷诺数有关,出现无流动分离到流动分离、层流到湍流的变化；雷诺数Re是表征流体流动情况的无量纲数。当300Re 时，紊流旋涡-亚临界阶段当 Re 时，旋涡脱落-过度阶段，随着阻力系数的急剧减小和逐渐增大，分为临界和超临界状态当 Re 时，紊流旋涡恢复周期性泄放-跨临界阶段以上几个阶段，需对结构物进行分析校核。,3.1 作用在结构物上的风载荷,3.1 作用在结构物上的风载荷,涡激振动中的几个关键因素,旋涡的发放频率f：用斯特劳哈尔数St表示。，其中，V是垂直于构件轴线的风速；D是圆柱直径，St是构件剖面形状与雷诺数的函数。雷诺数Re=VD/，其中是空气运动粘滞系数,1.45e-5 m2/s对于圆形截面，当300Re 时,St=0.2;当 Re 时，St=0.20.3;当 Re 时,St=0.3。对于方形或其它截面，St=0.15。,3.1 作用在结构物上的风载荷,3.1 作用在结构物上的风载荷,3.1 作用在结构物上的风载荷,涡激振动的危害与抑制,主要影响因素：横向力随尾涡的交替发放而周期性的改变大小与方向，动态效应强于沿流向的拖曳力，对结构产生重要影响。当结构的自振频率与旋涡的发放频率接近时，共振现象发生。工程上主要的抑制措施：1、对构件刚性加固，增大尺度提高刚度；2、改变构件后的尾流场，破坏旋涡的规律性泄放。,