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土木工程概论 第 9 章 海洋工程结构 本章内容 9.1 海洋工程结构设计 9.2 海洋结构实例 9.3 海洋平台结构分析 9.4 环境荷载 海洋工程结构 海洋工程结构 当今世界面临着人口、资源和环境三大问 题。随着世界人口的增长和陆地资源因加速开 采而日渐枯竭，海洋资源的开发、海洋环境的 保护与利用已成为世界各国普遍关注的问题。 海洋工程是一个相对较新的工程领域，能 适应非常恶劣海上环境的近海工程结构物，如 海洋平台，以满足人类不断勘察与开发新的食 物资源、能源和矿物资源的需要。 海洋工程结构 海洋平台是在海洋上进行作业的场所。海 洋石油钻探与生产所需的平台，主要分钻井平 台和生产平台两大类。在钻井平台上设钻井设 备，在生产平台上设采油设备。平台与海底有 立管相通。平台是进行海上钻井与采油作业的 一种海洋工程结构。海洋平台一般都高出海面， 能够防止波浪的冲击。型式有三边形、四边形 或多边形。上下两层甲板或单层甲板面供安装、 储存钻井或采油设备用 9.1 海洋工程结构设计 海洋工程结构的设计是一个很复杂的过程，要考 虑不同的地质条件，海洋工程结构往往建造在一个地 方，安装在另一海域。 9.1 海洋工程结构设计 结构设计的主要步骤 〔 1 〕确定设计要求 〔 2 〕评估环境和外力条件 〔 3 〕提出初步设计方案和主要安装方法 〔 4 〕评估工程经济，建造及施工安装关键技术，根底条 件等，并确定最后设计方案。 〔 5 〕结构及构件详细设计以承受工作荷载和环境荷载 〔 6 〕最后，评估设计，以确保可以承受工作荷载和环境 荷载 9.2 海洋结构实例 导管架式平台 导管架型平台在软土地基上应用较多的一种桩基平台。 导管架型平台是先在陆上用钢管焊成一个锥台型空间框架，然后 驳运或者浮运至海上现场，就位后将钢桩从导管内打入海底，再在顶部 安装甲板而成。 这种施工方式，使工作量减少。平台设于导管架的顶部，高于作 业区的波高，具体高度须视当地的海况而定，一般大约高出 4-5m ，这样 可防止波浪的冲击。桩基式平台的整体结构刚性大，适用于各种土质， 是目前最主要的固定式平台。但其尺度、重量随水深增加而急骤增加， 所以在深水中的经济性较差。 9.2.1 导管架式平台 9.2.1 导管架式平台 9.2.2 重力式平台 9.2.2 重力式平台 重力式平台 是与桩基平台不同的另一种型式的平台。 它不需要用插入海底的桩去承担垂直荷载和水平荷载， 完全依靠本身的质量直接稳定在海底。根据建造材料的 不同，又分为混凝土重力式平台和钢重力式平台两大类。 第一步：在干坞内建造底座的下半局部， 如图〔 a 〕 第二步：在干坞内建造至预定高度后，注 入海水和海平面一致如图〔 b 〕 第三步：把底座拖至岸边比较深的、隐蔽 较好的施工水域，在海面上锚泊，采 用滑动施工法建造底座上部，如图〔 c 〕 第四步：用滑动施工法继续浇注立柱，如 图〔 d 〕 第五步：用拖轮把结构物拖至深水海域， 以便安装甲板，见图〔 e 〕。 第六步：向底座注入压载水，使结构物下 沉到海水没至立柱上部左右，再安装 甲板，见图〔 f 〕。 第七步：在甲板上安装各种模块，见图 〔 g 〕 第八步：排出压载水，使结构物上浮，用 拖轮拖至预定地点，见图〔 h 〕 第九步：平台位置确定后，注入压载水， 边下沉边调节，使之准确安装在海底， 见图〔 m 〕 9.2.2 重力式平台 混凝土平台的优缺点 ①优点 a. 节省钢材。 b. 经济效果好。 c. 海上现场安装的工作量小。 d. 海上安装工艺比钢结构简单些。不需要在海底打桩。 e. 甲板负荷大，在立柱中钻井平安可靠。 f. 防海水腐蚀、防火、防爆性能都好。 g. 维修工作量小，费用低，使用寿命长。 h. 从理论上讲，可重复利用。 9.2.2 重力式平台 ②缺点 a. 对地基的要求高。根底设计的好坏，常成为重力式平 台成败的关键。 b. 结构分析比较复杂。 c. 制造工艺复杂。 d. 岸边需有较深的、隐蔽条件较好的施工场地和水域。 e. 拖航时阻力大。 f. 冰区工作性能差。 g. 重复利用的难度较大。 9.2.3 深水海洋平台 牵索塔式平台 牵索塔式平台是一瘦长的桁架结构，其下端依靠重力基座坐落于海底或是 依靠支柱加以支撑，其上端支承作业甲板。桁架的四周用钢索、重块、锚链 和锚所组成的锚泊系统加以牵紧，使它能保持直立状态。由于这种平台是由 锚泊系统牵紧的，它在小风浪时仅发生微幅摆动；风浪大时，由于桁架结构 摆动幅度大，会把重块拉得离开海底，从而要吸收掉风浪的一局部能量，因 此平台仍可维持在许可范围内摆动。这种平台结构简单，构件尺寸小，故所 受到的风、浪、流的作用力也小。这种平台能适用于 300 ～ 600m 水深的海域。 但假设水