高清PDF《海洋平台与结构工程》高云 熊友明

本书介绍了各类海洋结构物（包括海洋平台、定位系统、海底管道及立管）的结构特性和
适用范围，阐述了风、浪、流、冰、地震等载荷的相关计算方法，重点介绍了与结构工程相关的力
学基础知识以及使用这些知识对海洋结构物进行静力学分析和动力学分析的各种方法。
本书可作为高等院校海洋油气工程类专业及相关专业的教材或参考书，也可供从事海洋
平台工程相关领域的科技人员学习和参考。

“海洋平台与结构工程”是海洋油气工程专业的核心课程，而目前关于这一方面的教材不
多，且普遍存在的问题是教材内容起点较高，本科生学习起来有一定难度。为此，我们编写了
这本起点较低、由浅人深、循序渐进的教材，旨在使广大海洋油气工程类专业本科生通过学习
本教材后能够对这门课程有一个全面和深入的理解，并为以后从事我国海洋油气工程领域相
关工作打下坚实的基础。
本书注重基本概念和方法的介绍，各章节内容逻辑性和连贯性较强，其主要内容如下：
第一章主要介绍了海洋平台的基本知识。由于本书所涉及的海洋平台是一个完整的海洋
平台系统，包括海洋平台、海洋平台定位系统、海底管道以及立管系统等，因此本书中将海洋平
台系统统称为海洋结构物。
第二章主要介绍了海洋环境载荷。这部分内容是后续内容的基础，也是海洋平台知识与
结构工程知识的过渡。对于前期开设了“海洋环境与载荷”这门课程的学校，这部分内容可以
不讲或者少讲；而对于前期没有开设该课程的学校，这部分内容可以作为后续知识的铺垫。
第三章~第七章主要介绍了结构工程。这部分内容包括结构工程的一些基础知识以及如
何利用这些知识对海洋结构物进行力学分析。海洋结构物力学分析包括静力学分析和动力学
分析。静力学分析又可细分为强度分析和稳定性分析。由于强度分析在本科生所学的材料力
学教材中介绍较多，本书不再涉及，而侧重于介绍海洋结构物的稳定性分析。动力学分析按海
洋结构物的自身特性又可细分为单自由度系统、多自由度系统以及连续系统的动力学分析。
鉴于疲劳分析通常作为动力学分析的最终目标，本书将其单独列为一章。

目
录
第一章海洋结构物概述1
第一节海洋结构物的发展历史……1
第二节海洋平台4
第三节浮式结构定位系统32
第四节海底管道以及立管系统……36
思考题49
第二章海洋结构物环境载荷50
第一节流体力学基础知识……
第二节风载荷以及流载荷……52
第三节地震载荷、冰载荷和波浪押击载荷……54
第四节波浪的确定性描述…57
第五节波浪的统计性描述…65
第六节波浪载荷72
思考题………83
第三章海洋结构物静力学分析……84
第一节静止流体的基本特性…84
第二节浮力以及稳定性…85
第三节压力积分法91
思考题…-.95
第四章海洋结构物单自由度系统动力学分析……97
第一节单自由度系统振动基础知识……97
第二节单自由度线性系统固有频率…………105
第三节单自由度非线性系统固有频率…-113
第四节单自由度系统响应函数116
思考题
第五章海洋结构物多自由度系统动力学分析……………120
第一节多自由度系统振动基础知识……………120
第二节多自由度系统运动方程求解…,132
第三节海洋结构物多自由度系统应用举例分析……140
思考题…148

第六章海洋结构物连续系统动力学分析…………149
第一节梁模型和索模型运动方程………150
第二节索模型动力响应…………160
第三节梁模型动力响应…………………163
思考题166
第七章海洋结构物疲劳分析……………………168
第一节疲劳分析基础知识…………168
第二节应力疲劳…173
第三节变幅载荷谱作用下的疲劳寿命………178
第四节随机载荷谱作用下的疲劳寿命………180
第五节海洋结构物疲劳寿命估算182
思考题…184
参考文献……186

第一章海洋结构物概述
随着人类对能源需求的日益增加，逐渐枯竭的陆地资源已不能满足人类活动需求。因此，对海洋资源的开发以及利用是人类共同面临的问题。据统计，世界石油资源储量大约为10000×10t,可开采量约3000×10t,其中海底储量为1300×10t;世界天然气储量约为(255-280)×102m3,其中海洋储量达140×102m3。因此，我们必须加大对海洋油气资源的开发。
海洋结构物是勘探与开发海洋油气过程中必不可少的设备，它包括各式各样的海洋平台、海洋平台定位系统、海底管道以及立管系统。本章对不同类型海洋结构物的特性以及发展状况进行简要介绍。

第一节海洋结构物的发展历史
最早用于海洋油气开采的结构物可以追溯到19世纪。1887年，一个木制的结构物出现在太平洋南加州的萨默兰港湾(Southern California,Summerlands),随后出现了越来越多的木制海洋结构物被用于海洋油气的开采，如1911年出现在美国陆易斯安那州的喀多湖(CaddoLake,Louisiana)以及1927年出现在委内瑞拉的马拉开波湾(Maracaibo Lake,Venezuela)的结构物。由于木制材料本身的局限性，在海洋生物的作用下其使用寿命大幅下降。因此，人们逐渐使用混凝土结构以及钢结构来替代木制海洋结构物。
通常认为世界上最早的海洋平台于1947年出现在墨西哥湾(Gulf of Mexico),当时的工作水深约为6m。自从第一个海洋平台成功安装后，越来越多的海洋平台（固定式海洋平台、顺应式海洋平台以及浮式平台)出现在浅海、深海以及极深海区域。截至1975年，海洋平台的工作水深可达到144m。仅20世纪90年代就有5艘固定式平台出现在水深超过300m的海域，最深的固定式海洋平台为1991年安装在美国墨西哥湾的Bullwinkle油田，工作水深达412m。固定式海洋平台可工作水深的发展历史如图1-1所示。
尽管大多数固定平台都是钢结构导管架平台，但是在某些海域由于其海洋环境非常恶劣，出现了另一种新型平台，即混凝土平台。20世纪80年代到90年代，在北海区域、巴西、加拿大以及菲律宾沿海区域出现了很多混凝土平台。其中，1996年安装在北海区域的Tol采气平台是目前世界上最高的混凝土平台。平台全高369m,建造花费了245000m3混凝土。混凝土平台不同于其他固定式平台，它可通过自身的重量非常稳定地坐在海床上，如Tol平台在自身的重力作用下可嵌入海床深度达36m。

随着人类对海洋油气的开采，浅水海域的油气资源逐渐变少，人们不得不把油气开发投向工作水深更深、环境更为恶劣的深海水域。但无论是导管架平台还是混凝土重力式平台，平台自身的重量均随着水深的增加而上升。图1-2表示北海以及墨西哥湾海域导管架平台的重量与水深的关系。从图中可以看出，导管架平台的重量随着工作水深的增加而呈急剧上升趋势。平台越重，所需消耗的材料（钢材或混凝土）则越多，造价成本越高。平台工作水深每增加100~200m,平台的成本则要增加到原成本的3~6倍。

为了满足越来越深的深水油气开发需求，人类逐渐尝试采用新的海洋平台。为此，出现了另一种新式平台一顺应塔式平台(compliant platform)。塔式平台的上部结构可以随着风和波浪的作用而发生一定程度的运动，四周通过锚链系统固定。如1998年安装在墨西哥湾区域的2个顺应式平台，分别处于502m以及535m水深的Balapate平台以及Petronius平台。截至1995年，全世界约30%的原油来源于海洋，其中3%的原油来自于超过300m的深水区域，未来石油开采的发展趋势将逐步向大于300m的深海以及大于1500m的极深海发展。

投稿会员：芳华