基于试验特定风剖面修正到任意风剖面的海洋平台风荷载预报方法

技术领域

本发明涉及海洋平台结构风洞试验数据修正方法，尤其涉及一种基于试验特定风剖面修正到任意风剖面的海洋平台风荷载预报方法，主要根据特定风剖面海洋平台风洞测力试验结果，修正预报任意风剖面下海洋平台风荷载。

背景技术

风荷载是海洋平台结构的重要荷载，特别是对于浮式海洋平台结构，对其稳性影响很大，采用可靠的风洞试验确定风荷载将为合理的平台结构设计提供可靠保障。为了模拟实际工程中的梯度风，海洋工程领域常采用NPD(Norwegian Petroleum Directorate，NPD)风剖面，由于该风剖面与参考高度的基本风速有关，也即是参考高度处的基本风速不同，则其风剖面不同，也即是不同的海洋平台结构风洞试验需要的风剖面都不一样，这就给风洞试验带来了更多的工作量，不能利用建筑结构已经模拟好的四类场地的风剖面模型，而需要通过尖劈、粗糙元、格栅重新调试布置模拟风剖面，而这个工作量是无法估计的，特别是参考高度处的基本风速很大(极端风速)时，其模拟难度很大，如果能利用风洞实验室已经模拟成熟的建筑结构风剖面模拟完成试验，通过修正的方法获得给定基本风速下风剖面模型的预报风荷载系数，从而预报平台结构在设计风速下的风荷载，这将大大减少风洞试验的工作量，提高工作效率。

发明内容

本发明的目的就是解决上述背景技术中的不足，利用风洞实验室已经模拟成熟的风剖面模型进行海洋平台结构风洞试验，在获得风荷载预报系数的基础考虑海洋平台结构风洞试验目标风剖面对风荷载系数进行修正，获得海洋平台结构风洞试验目标风剖面对应条件下的风荷载系数，根据该系数结合设计目标风速预报海洋平台结构设计荷载，为海洋平台结构设计提供合理的风荷载。

本发明解决上述问题的技术方案为：

一种基于试验特定风剖面修正到任意风剖面的海洋平台风荷载预报方法，具体步骤包括：

步骤1：确定设计风速U₀

根据甲方委托任务书确定海洋平台结构的设计风速U₀，该设计风速是确定平台结构设计荷载和确定NPD风剖面的关键参数。

步骤2：确定目标风剖面模型

根据确定的设计风速U₀和NPD风剖面模型，可以确定设计风速U₀对应NPD风剖面模型的模型参数，根据该NPD风剖面模型与风洞实验室已经模拟成熟的四类场地风剖面模型接近程度，选择最接近的一个风洞实验室已经模拟成熟的风剖面模型作为进行海洋平台结构风洞试验的目标风剖面。

步骤3：测试、验证目标风剖面模型

在风洞实验室模型试验段进行尖劈、粗糙元、格栅布置，布置完成之后进行风剖面测试，验证测试结果与目标风剖面模型的合理性，误差在要求的误差范围内，则风剖面模型模拟完成；若误差不在误差范围内，则重新布置尖劈、粗糙元、格栅，重复步骤3。所述的误差范围为工程结构常用的误差范围：0-5％。

步骤4：确定海洋平台结构风洞试验试验风速

在目标风剖面模型的测试、验证完成之后，安装海洋平台结构模型；安装完成之后进行海洋平台结构模型变风速测力试验；根据变风速测力试验结果计算结构体型系数与风速(或雷诺数)的变化曲线；并根据该曲线判断流场进入紊流状态的临界风速(或临界雷诺数)，根据流场进入紊流状态雷诺数相似准则自动满足的原则，因此试验风速只要大于临界风速雷诺数相似准则自动满足，则可根据临界风速确定试验风速。

所述的临界风速(或临界雷诺数)判断原则是根据结构体型系数与风速(或雷诺数)的变化曲线，当第一组相邻的前一风速对应结构体型系数与后一风速对应结构体型系数的变化小于5％时，认为结构体系系数基本不随风速(或雷诺数)变化，则该组第一个风速为临界风速(或临界雷诺数)。

步骤5：进行海洋平台结构模型风荷载测力试验

根据步骤4确定的试验风速对海洋平台结构模型进行吹风测力试验，根据试验要求完成所有工况对应的测力试验，为所有工况的对应风荷载预报系数确定提供基础。

步骤6：计算风荷载预报系数

根据风荷载计算模型，得到结构模型风力计算公式：

其中，ρ为空气密度；C_S为结构体型系数；A_i为距离地面高度为z_i处的结构模型迎风面积；V(z_i)为距离地面高度为z_i处风速，根据试验风速和式(1)计算，n为结构模型沿高度分层数量；i为结构的分层序号。

距离地面高度为z_i处风速V(z_i)可根据选择的目标风剖面计算，也即是：

其中：V(z)为任意高度Z米处的风速，单位为m/s；V₀为标准高10米处的基本风速，单位为m/s；α为地面粗糙度指数，其大小与地面粗糙度类别有关。

结合式(1)和式(2)，则可得结构模型风力计算公式：

把式(3)结构模型的荷载转换到结构原型，可得结构原型风力计算公式

其中，γ为模型比尺。

根据式(4)可知风洞物理模型试验测定的风力F_c反应了空气额密度ρ、结构体型特征C_s、结构的受风面积结构的风剖面特性(目标风剖面)，因此根据式(4)可定义结构原型的风力预报系数：

其中，F_c为试验测得风力，V₀为风载荷试验时海平面上10m(对应模型0.067m)高处试验风速。

同理可确定力矩的预报系数：

其中：M_c为试验测得风力矩。

结构原型风荷载预报公式为：

其中，F_y为根据U₀预报的风力，M_y根据U₀预报的风力矩，U₀为海平面上10m高处平均风速。

步骤7：确定风荷载预报系数的修正系数

根据步骤6的推导可知，风荷载预报系数反应的是建筑结构指数律风剖面特性，而不是海洋平台结构NPD风剖面的特性，因此需要进行修正。将反应建筑结构指数律风剖面特性的荷载预报系数修正到反应NPD风剖面特性的荷载预报系数。

对于海洋平台结构，风剖面模型为NPD模型，也即是海面上z(m)处相应时均风速U(z):

其中，U₀为海平面上10米处的时均风速。

结合式(1)和式(8)，基于NPD风剖面则可得到海平面上10m(对应模型0.067m)高处试验风速为V₀的结构模型风力计算公式：

根据式(3)可得结构体型系数：

当F_z为结构模型的测量风力时，则结构体型系数C_s是能计算确定，也即是：

由于结构体型系数是结构本身固有特性，不随结构所在风场的风剖面改变，因此将式(11)带入式(9)整理可得：

根据式(12)的推导过程可知其计算的结构模型风力反应了空气额密度ρ、结构体型特征C_s、结构的受风面积结构的风剖面特性(NPD风剖面，而不是指数律风剖面)，在指数律风剖面中测得结构风力之后其是可以计算确定的。因此将式(5)中的F_c换为F_n，则确定风力预报系数反应了NPD风剖面特性而不是指数律风剖面特性，则其计算公式为：

令风力预报系数的修正系数为：

同理可得风力矩预报系数的修正系数为：：

根据式(2)和式(5)则考虑修正的风力预报系数

C_Fn＝C_Fc(V₀,U₀)C_F>

同理可得考虑修正的风力矩预报系数为：

C_Mn＝C_Mc(V₀,U₀)C_M>

步骤8：海洋平台结构设计风荷载预报

根据预报风荷载系数修正系数的计算方法对预报荷载系数进行修正，在此基础根据设计风速对设计荷载计算预报。

所述风荷载预报公式为：

其中，F为根据U₁₀预报的风力，M根据U₁₀预报的风力矩，U₁₀为海平面上10m高处平均风速。

本发明的有益效果为：直接基于风洞实验室模拟成熟的风剖面模型进行海洋平台结构风洞试验，在此基础对其预报荷载系数进行修正，获得海洋平台结构设计风速对应的NPD风剖面下的预报荷载系数，进而进行设计风荷载预报，不需要进行海洋平台结构设计风速对应的NPD风剖面的调试和模拟，大大提高了试验效率。

附图说明

图1为本发明方法的实现流程图；

图2为风剖面模型。

具体实施方式：

以下参照附图和算例对本发明进行详细描述。

本发明基于设计风速对应的目标NPD风剖面模型和实验室成熟模拟的建筑结构四类场地风剖面模型选择试验用的成熟模拟风剖面模型；根据流场进入紊流状态一定范围内结构广义体系系数基本不随雷诺数或风速变化确定试验风速，在此基础进行风洞试验并计算风荷载预报系数；为了将试验用的成熟模拟风剖面模型的结果修正到设计风速对应的目标NPD风剖面模型对应的结果，根据目标风剖面下结构整体体型系数与试验选定风剖面下结构整体体型系数一致的原则确定预报风荷载系数修正并建立其修正系数计算方法，在基础得了到基于试验特定风剖面修正到任意风剖面的海洋平台风荷载预报方法。具体如下：

本发明采用算例不是真实的海洋平台结构，也不涉及具体试验，主要采用理论计算的方法获得试验结果，但其基本原理是一致的，其主要目的是说明本发明的具体实施过程和计算结果的合理性，由于不涉及具体试验，但还按实际试验来描述其过程。算例基本参数：结构尺寸高宽为60m*24m，设计风速为10米高十分钟平均风速45m/s，结构体型系数为1.5，模型比尺1:150。步骤1：设计风速U₀的确定

根据本算例的描述，可知结构的设计风速为10米高十分钟平均风速45m/s。

步骤2：目标风剖面模型的确定

对于海洋平台结构，风剖面模型为NPD模型，具体计算模型见式(8)。根据本算例的设计风速，可确定其模型参数，其模型曲线见图1。

建筑结构风剖面模型为指数律风剖面，具体计算模型见式(2)。对于建筑结构分为A、B、C、D四类场地，α相应取值分布为0.12、0.15、0.22、0.3，相应模型曲线见图1。对于建筑结构这A、B、C、D四类场地对应风剖面模型是固定的，为了提高试验效率和精度，建筑结构风洞实验室对这四类场地对应的风剖面模型都已经模拟和调试成功，并且具有很好的精度。

建筑结构第j类风剖面模型与NPD模型之间的累积误差：

其中i为风剖面沿高度分割的高度序号。根据最小的累积误差选择风洞实验用的风剖面模型。

根据计算结果选α＝0.12对应的指数剖面模型。也即是目标风剖面为：

步骤3：测试、验证目标风剖面模型

由于本算例是数值算例，可假设模拟的风剖面完全符合目标风剖面。对于实际工程结构的物理模型试验，这里则需要根据尖劈、粗糙元、格栅布置调试，测试相应风剖面风速，直到满足要求的误差要求。

步骤4：确定海洋平台结构风洞试验试验风速

由于没有进行真实试验，假设结构模型的临界风速为20m/s，根据试验风速的确定原则可假设试验风速为海平面上10m(对应模型0.067m)高处参考风速为25m/s。

步骤5：进行海洋平台结构模型风荷载测力试验

根据确定的试验风速对海洋平台结构模型进行吹风测力试验，根据试验要求完成所有工况对应的测力试验。由于没有实际进行试验，其测力结果根据风力计算公式计算：

其中，ρ为空气密度，C_S为结构体型系数，A_i为距离地面高度为z_i处的结构模型迎风面积；V(z_i)为距离地面高度为z_i处风速，根据试验风速和式(2)计算，n为结构模型沿高度分层数量，本例处为10。本例计算结果见表1。

步骤6：计算风荷载预报系数

根据式(5)和式(6)可计算结构原型的风荷载预报系数，其计算结果见表1。

步骤7：计算风荷载预报系数的修正系数

根据式(13)和式(14)可计算结构原型的风荷载预报系数的修正系数，其计算结果见表1。

步骤8：海洋平台结构设计风荷载预报

根据设计风速、风荷载预报系数和风荷载预报系数的修正系数，结合式(15)(16)和式(17)，可计算海洋平台结构的设计风荷载，其计算结果见表1。

表1结构设计风荷载预报

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。