海洋工程中高架平台风荷载计算方法研究
海洋工程中高架平台风荷载计算方法研究
海洋已成为世界濒海国家的战略性基地，海洋开发亦逐渐向深水区域发展。作为海洋资源开发的重要手段，海上高架平台的应用日益广泛，因而研究其在外荷载作用下的结构响应具有重要意义。
外荷载包括波浪、风、海冰等自然荷载，由于高架平台底部离水面较高，波浪荷载对其影响不大，而风荷载，特别是强风荷载的作用对结构的安全和稳定起决定性的作用。
平台风荷载的计算方法主要有经验公式估算、风洞试验测量和数值模拟计算。
- 谭美等以自升式钻井平台为研究对象，比较了各风荷载计算方法的差异，论证了土木工程计算方法的参考价值。
- 蔡文山以风洞试验数据为依据，分析了数值模拟和经验公式方法的有效性，结果表明2种方法都有较好的计算精度。
- 曹明强等以数值计算和模型试验相结合的方法对深水半潜平台风荷载和流荷载进行分析，验证了平台风荷载计算中模块法的正确性。
- 倪歆韵等采用数值模拟方法研究了船体所承受的风荷载和流荷载，验证了数值计算方法的可靠性。
- 林一等分别通过CFD(computationalfluiddynamics)数值模拟和风洞试验得到某自升式平台所受的风荷载，结果表明数值模拟计算结果小于ABS的MODU规范，计算结果与风洞试验相近，为平台的设计提供了支撑。
虽然风洞试验可以得到较为可靠的风荷载，但其成本高、周期长，在实际工程中应用代价大。数值模拟可以得到较为正确的风荷载，但其对于计算机的硬件和软件要求都较高，计算时间相对也较长。通过随机理论可以研究海洋结构物的安全性，而经验公式相比前3种方法更适于在实际工程中应用。
风荷载估算基本方法规范计算方法
根据《港口工程荷载规范》(以下简称《规范》)中的风荷载计算规定，作用在港口工程结构上的风荷载标准值为
式中：Wk为风荷载标准值(kPa)；μs为结构体型系数；μz为风压随高度的变化系数；W0为基本风压(kPa)。
沿海海面和海岛上的基本风压，宜按临近陆上基本风压乘以表1中的海上风压增大系数K采用。
体型系数按照国家标准《建筑结构荷载规范》执行。
表1海上风压增大系数
风压随高度不同而变化，以离地面或平均水面10m高处为基准，风压高度变化系数μz应根据地面粗糙度类别而定。在海面上，粗糙度取最小值，风压随高度变化系数取相应高度处的最大值。离水面5m处的μz|z=5=1.17，离水面10m处的μz|z=10=1.38。
通用风阻力计算方法
通用的风阻力计算公式为
式中：F为风阻力(N)；Cd为阻力系数；S为平台沿风向的投影面积；ρ为空气密度；v′为构件某一高度处的来流风速。
由于受到地面摩擦的影响，在梯度风高度以下，风速随着高度的减小而减小。国内采用指数规律表示风速沿高度的变化，
式中，v为地面以上10m高度处的风速；α为地面粗糙度指数。因此，式(1)可以写为
计算结果及对比
高架平台的俯视图和坐标如图1所示。桩腿的高度Hleg=6.0m，坐标原点取在左下方桩腿根部，z轴垂直向上。
根据《规范》，可得风荷载(kN)
由于高架平台离海岸距离远大于100km，因此K=1.2。文献规定，方箱形建筑物的体型系数迎风面取μs=0.8，背风面取μs=-0.5。因此，对于此高架平台的集装箱活动房来讲，总的体型系数应取μs=1.3。
对于风压高度变化系数μz，可以按照2种方法取值：一是平台与活动房分别按照中心高度取，然后线性插值得μz平|z=6.2=1.2204，μz活|z=7.619=1.28；二是按照它们的平均高度取，然后按照它们的投影面积与中心高度加权平均，然后线性插值。因此，在沿y轴方向投影，得μz|z=7.31659=1.2673。在这里μz按第2种方法取值。同时对于横风作用下通用风阻力计算公式中的Z也按照第2种方法取值，Z=7.31659，地面粗糙度指数α=0.12。
根据文献，以风速30m/s时为计算依据，集装箱活动房横向风阻系数Cd=1.73，升力系数Cl=0.26。但在《规范》中，未涉及建筑物升力相关规定。比较式(2)(3)，可得
考虑2种方法之间的不同，所以式(4)为约等于号。取K=1.2，μs=1.3，μz=1.2673，ρ=1.225kg/m3，Z=7.31659，α=0.12，可得Cd=2.1744。在正常范围之内，说明式(2)(3)都是可用的。
下面分别用2种方法计算某海上高架平台所受风荷载，并进行对比和分析。
风荷载(阻力)和升力
在横风(沿y轴方向)情况下，高架平台和集装箱活动房沿风向的投影面积S=18.77m2，2种方法计算所得的风荷载(阻力)与风速的关系如图2所示。
从图2中可以看出，风阻力随着风速的增大而非线性地增大；在风速小于10m/s时，应用《规范》和应用通用方法计算得到的风阻力结果十分吻合；但随着风速的增加，运用《规范》较运用通用方法计算得到的风阻力结果偏大，且这种偏差越来越大。
利用式(2)，将阻力系数换成升力系数，即
平台在垂向的投影面积为S=42m2，Z=6m，可得风向沿y轴方向时，平台受到的升力Fl如图3所示。
从图3中可以看出，随着风速的逐渐增大，高架平台所受到的升力非线性增大。因此，在风速较大时必须考虑升力的影响。
力矩
风荷载的倾覆力矩对平台安全性至关重要，其计算公式为
在平台范围内，假设风压沿高程(垂向)不变，可得
式中：df为平台单位面积受到的风荷载；h1，h2为平台上、下边缘的高度；Cf为风速和平台迎风宽度B的函数。
用《规范》计算，可得
而应用通用风阻力计算公式，可得
桩腿的高度取Hleg=6.0m，则平台力矩计算中h∈[6.0，6.4]，集装箱活动房力矩计算中，h∈[6.4，8.838]。风向沿y向时，Z=7.31659，对于平台，B=10m，对于集装箱活动房，B=6.058m，计算结果如图4所示。
式(6)可变形为
式(9)表明，在风压沿高程不变时，平台所受到的力矩为风荷载F与平台几何重心高度hG的乘积。比较图2和图4，可知计算无误。
平台不发生倾覆时的锚链力估算
为防止平台发生倾覆，必须有足够的锚链力以抵御台风的作用。高架平台因桩腿所受的浮力可以忽略不计，考虑风引起的升力、平台自重和锚链力的作用，在不引起平台倾覆的情况下，应满足如下关系式
即锚链力力矩Tm与重力力矩TG之和大于风阻力力矩Td与升力力矩Tl之和。
式(10)变形可得
由于纵向(沿x方向)桩腿之间的距离Dleg大于横向(沿y方向)桩腿之间的距离，同时纵风对高架平台的风阻力、升力和力矩远小于横风向对其的作用，因此纵风对高架平台的作用远小于横风，在此仅需要考虑横风对高架平台的作用。桩腿之间的横向距离为Dleg=3.5m，风作用下的倾覆力矩Td可由式(7)(8)计算得出。
由于《规范》中风荷载计算未考虑升力的影响，所以平台所受到的升力可由式(5)计算得出(前面都已有计算结果)。平台的重量取Gp=70kN，集装箱活动房的重量取Gh=15kN，得横向倾覆力矩随风速的变化如图5所示。
假设锚链系在高架平台的弦边，高度为桩腿长度Lleg与平台高度Hp的和，即Hm=Hleg+Hp，锚定点与靠近锚定点桩腿的距离为Lm。锚链与水平面的夹角满足
倾覆力矩作用点与锚链线(近似为直线)的垂直距离为
锚链力提供的力矩应满足
以风速为50m/s(相当于14级飓风)时的倾覆力矩为计算依据，可得需提供的最小锚链力Tm随投锚距离Lm的关系如图6所示。
当投锚距离为12m时，所需的锚链力达到最小值。
当取投锚距离Lm为10，15，20m时，最小锚链力与投锚距离的关系如表2所示。
表2最小锚链力与投锚距离的关系
从图6和表2可以看出，虽然2种计算方法的结果存在差异，但两者的趋势是一致的，均为最小锚链力随着投锚距离的增加先急剧减小，再缓慢上升。
结语
通用计算方法的结果表明，在风速较低时升力较小，随着风速的增加升力的大小将不可忽略。然而，《规范》中并未考虑升力的影响。因此，风速较高时，必须综合应用这2种方法对海上高架平台所受的风荷载进行计算，才能使结果偏于安全。同时，平台不发生倾覆时所需的最小锚链力与随投锚距离的增加先急剧减小，然后缓慢增加，即存在一个极小值点。