海洋工程環(huán)境學第四章風載荷(文件)
【正文】 結(jié)構(gòu)物上的風載荷 受風與風力臂計算算例 見表格 結(jié)構(gòu)物上的風載荷計算 ?風在運動過程中受到結(jié)構(gòu)物的阻擋會產(chǎn)生 順風力 ， 橫向力 和 扭力矩 。 同理 ,將風壓分解為平均風壓和脈動風壓： w w m w dP P P??結(jié)構(gòu)物上的風載荷計算 平均風壓和脈動風壓可以近似得到： 212wm D mwd D m dPvP v v??????定義風振系數(shù) β，使結(jié)構(gòu)在總風力作用下的響應等價于在等效靜風力 β*Pwm作用下的響應，這樣就將脈動風引起的 動載荷轉(zhuǎn)化為等效靜載荷 來考慮。 ? ，其中， V是垂直于構(gòu)件軸線的風速； D是圓柱直徑，St是構(gòu)件剖面形狀與雷諾數(shù)的函數(shù)。 ?對于方形或其它截面， St=。 。 ?當結(jié)構(gòu)的自振頻率與旋渦的發(fā)放頻率接近時，共振現(xiàn)象發(fā)生。 當 ≤Re ＜ 時， St=~。 ?當 300≤Re ＜ 時，紊流旋渦 亞臨界階段 ?當 ≤Re ＜ 時，旋渦脫落 過度階段，隨著阻力系數(shù)的急劇減小和逐漸增大，分為臨界和超臨界狀態(tài) ?當 ≤Re 時，紊流旋渦恢復周期性泄放 跨臨界階段 ?以上幾個階段，需對結(jié)構(gòu)物進行分析校核。 F 順風力 橫向力 扭力矩 結(jié)構(gòu)物上的風載荷計算 風在 單位高度上 的順風力、橫向力和扭力矩分別表示為： 2222121212DDLLMMFBFBFB? ? ?? ? ?? ? ????其中，公式最前面的系數(shù)分別是阻力系數(shù)、橫向力系數(shù)和扭矩系數(shù)； B是結(jié)構(gòu)參考尺（ m2）； p是空氣密度； v是風速，對于常規(guī)結(jié)構(gòu)，風對結(jié)構(gòu)的作用以 順風力為主 。 作用在結(jié)構(gòu)物上的風載荷 海洋工程類設計與建造規(guī)范風載荷計算公式 移動式平臺規(guī)范： CCS規(guī)范要求 固定式平臺規(guī)范： API規(guī)范： LR規(guī)范： PSCCF sh ????0ZF K K A P? ? ? ?212 sF u A C???2wsF K A V C? ? ?Kw = ? 作用在結(jié)構(gòu)物上的風載荷 規(guī)范規(guī)定風壓計算公式： PSCCF sh ???? VP ?構(gòu)件上的風力 F計算公式： S：受風構(gòu)件的正投影面積 Ch：暴露在風中的構(gòu)件的高度系數(shù)，其值可根據(jù)構(gòu)件幾何心距離設計水面的高度查表得到。 風力分為與風速方向一致的拖曳力 FD和垂直于風向的升力 FL 221212DDLLF C V SF C V S????CD：阻力系數(shù) CL：升力系數(shù) V FD FL 作用在結(jié)構(gòu)物上的風載荷 不同形式結(jié)構(gòu)上的風力 1. 鉆塔和起重設備 小直徑桿件組成：流態(tài)由雷諾數(shù)決定，阻力項為主要成分，可能發(fā)生漩渦釋放。 臺風風速計算 ?臺風的最大風速一般用經(jīng)驗公式給出： ?我國對東海和南海分別建立的臺風海上最大風速經(jīng)驗公式： ?日本學者高橋建立的臺風最大風速計算公式： ?實際上，臺風風速應由臺風場內(nèi)的梯度風速與臺風中心移動速度兩者進行矢量合成計算得到。 ?海面風速與梯度風的轉(zhuǎn)換關系 ?其中， 海面風速計算 0 .8 6 8s g rVV?2 2 2s i n s i ngrRpV R Rn? ? ? ? ??? ? ? ??2 2 2s i n s i ngrRpV R Rn? ? ? ? ??? ? ??低壓中心 高壓中心 ?臺風是熱帶海域的大規(guī)模低壓氣旋 ,風速大、范圍廣，實測資料的獲得很困難，臺風風速主要由臺風氣壓場計算得到。 算例 — 確定最大風速 年份 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 風速 m/s 年份 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 風速 m/s (1)將風速資料樣本按遞減次序排列并計算各項經(jīng)驗頻率 . 算例 — 確定最大風速 mi 年最大風速 Xi (m/s) 經(jīng)驗頻率 P=mi / N x 100% (Xi)^2 1 2 3 4 5 … … …… …… Σ 788 24177 風速平均值 : 算例 — 確定最大風速 2611 7 8 8 3 0 . 3 1 m / s2 6 2 6iiVV ?? ? ??風速均方差 : 26 22211 2 4 1 7 7 3 0 . 3 1 1 1 . 1 8 92 6 2 6xi i VV? ?? ? ? ? ??(2)因為重現(xiàn)期 TR=50年 ,對應的經(jīng)驗頻率值 P=2%,結(jié)合樣本容量N=26年 ,查表 (極值 I型概率分布 λ PN),得到 λPN = 進一步得到 ,50年一遇最大風速值為： 3 0 . 3 1 3 . 0 7 4 1 1 . 1 8 9 6 4 . 7m / sP N xVV ??? ? ? ? ? ?若考慮 100年一遇的最大風速值 ? 備注： P=1%， N=26時， λPN = ?對于海洋工程 ,各國船級社給出了不同的設計要求： DNV給出設計風速是重現(xiàn)期 100年，時距為 1min的平均風速； 我國 海上移動平臺 設計規(guī)范要求：自存狀態(tài) — ,正常作業(yè) — 36m/s 我國 固定式平臺 設計規(guī)定：海上 10m高，重現(xiàn)期 50年，時距1min（局部構(gòu)件的計算）和 10min的平均最大風速（整體結(jié)構(gòu)計算） 設計風速 ?根據(jù)自由大氣中大氣的大尺度水平運動近似于地轉(zhuǎn)平衡或梯度平衡
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