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1、第2章 海洋环境荷载,2.1 结构上的流体荷载2.2 结构上的波浪荷载2.3 海冰荷载2.4 地震荷载,2.1 结构上的流体荷载,2.1.1 经典非粘性流体,1、惯性力系数,其中：,惯性力系数,表2.1 惯性系数的理论值,2、附加质量系数,其中：,附加质量系数,附加质量系数与惯性系数的关系：,2.1.2 粘性流体,1、拖曳力(drag force),粘性流体条件下：,工程应用取：,当 时，取,其中：,形状阻力(form drag),摩擦阻力(friction drag),那么,或,其中：,拖曳力系数(drag coefficient),表2.2 Transcritical Re vs.ks/D
2、,表2.3 拖曳力系数,2、升力(lift force),其中：,升力系数(lift coefficient),3、振荡的阻力和升力(oscillating drag and lift),涡漩泄放(vortex shedding),其中：,斯特罗哈数(Strouhal number),涡泄频率(vortex shedding frequency),其中：,振荡阻力系数,振荡升力系数,1、Kc数(Keulegan-Carpenter number),其中：,振荡流速的幅值,振荡流周期,2.1.3 振荡流,设：,则：,其中：,振荡流幅值,对于简谐振荡流,2、振荡流的顺流向力,Hydrodynami
3、c mass force,Froude-Krylov force,式中：,附加质量,圆柱体体积,计算附加质量,速度势函数,速度分量,伯努利方程,圆柱体表面速度：,伯努利方程可表示为：,忽略常数项得圆柱体表面压力：,其合力为：,由此可得：,则：,或,圆柱体附加质量,对于任意截面形状的物体,表2.4 不同截面形状柱体附加质量系数,计算Froude-Krylov力,其中：,圆柱体表面积,单位长度柱体上的Froude-Krylov力,3、Morison公式,令,则：,或,当圆柱体运动时,4、拖曳力与惯性力,当Kc 较小时,影响CD和CM的因素,Morison公式与实验值的吻合度,5、振荡流的升力,或,
4、6、浪流叠加,设：,其中：,稳定流的流速,2.1.4 风与流,杆件结构阻力系数修正,其中：,杆件迎风向的投影面积之和；,结构迎风向的投影面积。,风速u计算,式中：,海面上10m高度处的风速；,海平面上的高度。,流速u计算,式中：,水深；,水面下的距离；,海平面的潮汐流流速；,海平面的风海流流速。,则：,2.2 结构上的波浪荷载,2.2.1 弹性圆柱体,式中：,例2.1 设CD=0,式中：,系统运动方程,或,设CD 0,则：,2.2.2 绕射力,1、波浪荷载,拖曳力流动分离（速度）；FFD（D/H 0.1）,惯性力压力梯度（加速度）；FFI（0.5 D/H 1.0）,绕射力散射（大直径）；D/L
5、 0.2,2、绕射力的特点无分离,由简谐波理论,代入,得：,则：,将,代入得：,3、绕射力的计算,连续性条件,海底边界条件,自由表面边界条件,物体表面边界条件,入射波势函数,或,第一类Bessel函数,式中：,代入得：,散射波势函数,式中：,第一类Hankel函数,第二类Bessel函数,系数，由边界 条件确定,即：,由此可得：,由,得：,由,得：,代入,得单位圆柱体上的绕射力,式中：,绕射力的性质,由入射波水质点的水平速度,得：,将绕射力写成,与惯性力 比较,得：,与Froude-Krylov力的关系,式中：,令,则：,Hogben&Standing建议：,式中：,圆柱体高,2.2.3 波浪
6、砰击,刚性圆柱体上的砰击力,其中：,弹性圆柱体上的砰击力,其中：,2.3 海冰荷载,2.3.1 海冰的力学性质,1、压缩强度(无约束),式中：,盐水体积,盐度,温度,垂直加载,水平加载,式中：,应变速率；,2、压缩强度(有约束),垂直加载,水平加载,3、拉伸强度,垂直加载,水平加载,4、弯曲强度,5、弹性模量,静态测量(0.3GPa10GPa),动态测量(6GPa10GPa),式中：,总空隙率,纯冰声速模量,v的确定值(180220),6、泊松比,动态泊松比,有效泊松比,式中：,应力变化速率,单位应力变化速率(1kPa/s),应力变化速度缓慢时的有效泊松比,式中：,有效弹性模量,零空隙率弹性模
7、量,2.3.2 立柱上的静冰力,式中：,有效冰压力,立柱宽度,冰的厚度,经验(Korzhavin)公式,式中：,压入系数；冰宽15D时，I=2.5,接触系数；0.4 k 0.7,形状系数；平面m=1.0,圆柱面m=0.9,冰运动速度,参考速度；1m/s,冰的无约束压应力,一般形式,则：,修正的经验(Michel-Toussaint)公式,韧性区：,式中：,韧性区最大压应力,冰的应变速率；,k=1.0(完全接触)；k=0.6(连续破碎或不完全接触),过渡区：,式中：,k=0.25,脆性区：,式中：,I=3,k=0.3,脆性区破碎强度,2.3.3 冰的动力作用,1、波动的动冰力(0.515Hz),式中：,h 冰厚,冰的质量密度,圆柱体半径,冰的平均破碎压力,浮冰半径,浮冰速度,2、冰的冲击荷载,式中：,最大嵌入深度,冰的质量,2.4 地震荷载,纵波,横波,表2.5 典型土的地震波周期,表2.6 裂度与地震加速度峰值,
