什么是海洋平台稳性?

[拼音]：haiyang pingtai wenxing

[外文]：stability of offshore platform

海洋平台在拖航、下沉或使用过程中抗倾覆和抗滑移的能力。主要包括漂浮稳性和坐底稳性。

平台受到外力和风、浪的作用而倾斜，当外力消除以后平台复位的能力。根据平台在拖航和使用过程中是否有破仓，漂浮稳性又分为整体稳性和破仓稳性。根据平台产生的倾角大小不同，其整体稳性的计算分为小倾角稳性计算（即初稳性计算）和大倾角稳性计算。这种计算与浮心、稳心、初稳心、稳心半径、复原力矩有关。

浮体排水体的形心，是浮性的主要参数。浮性是在规定的荷载下平台漂浮在水面的能力。浮体在水中所受到的静水压力的竖向分量称为浮力(P)，浮力的大小与浮体排水的重量相等。当浮体的重力与浮力大小相等、方向相反且作用于同一竖向线上时，浮体能平衡地漂浮在静水面上。此时浮体相对于静水面的位置称为浮态。浮态分为四种：

（1）正浮状态（图1a）。浮体的纵轴x 和横轴r 都平行于水面；这种浮态只用一个参数T（吃水）表示。

（2）横倾状态（图1b）。纵轴x平行于水平面，横轴r 与水平面成角度θ（称横倾角）浮心C 位置因水下体积变化而移动；这种浮态要用T 和θ两个参数表示。

（3）纵倾状态（图1c）。横轴r 平行于水面，纵轴x与水平面成角度嗘（称纵倾角），这种浮态要用T 和嗘 两个参数表示。

（4）一般状态（图1d）。横轴和纵轴都不平行于水平面，这种浮态要用T、θ和嗘三个参数表示。

作用于浮心C嗞和作用于与C嗞无穷接近的浮心C嗞+d嗞的两浮力作用线交点，称为与浮心C嗞相对应浮态下的稳心M嗞(图2)。C0为相应于浮体正浮于水线W0L0时的浮心。 C嗞为相应于浮体倾斜而浮于水线W嗞L嗞时的浮心。 C嗞+d嗞为相应于浮体再作微量倾斜而浮于线W嗞+d嗞L嗞+d嗞时的浮心；M嗞为稳心。

正浮态稳心。初横稳心是浮体自正浮态位置横倾一无穷小角度dθ时的稳心。其竖坐标zM＝z庩+Ix/V0，式中z庩为正浮态的浮心竖坐标；Ix为正浮态水线面面积对纵轴的惯性矩。V0为正浮状态排水体积。初纵稳心是浮体自初始正浮态位置纵倾一无穷小角度d嗘时的稳心。其竖坐标zM＝z庩+IFy/V0，式中IFy为正浮态水线面面积对过其面积形心且与横轴平行的轴的惯性矩。

稳心与浮心之间的距离。初横稳心到浮心之间的距离称为初横稳心半径Y＝Ix/V0；初纵稳心到浮心之间的距离称为初纵稳心半径r＝Ix/V0。

平台在外力作用下倾斜一个微小角度时，浮心自纵向中间剖面移向入水一弦，而其重心位置通常保持不变。于是大小相等方向相反的重力D和浮力D作用线产生偏离，形成力偶，当力偶促使浮体回复到原平衡位置时，此力偶称为复原力矩。当力偶促使平台进一步倾斜时，则称它为负复原力矩。

当浮体的倾角小于10°～15°时用小倾角稳性计算。通常假定浮心曲线（浮心轨迹）是以初稳心为圆心，初稳心半径r为半径的一段圆弧。因此在各种倾角下浮力作用都通过一固定稳心。此时复原力矩Mh＝D(r-δ)sin dθ≈D(r-δ)dθ，式中D为浮力；δ在正浮态的重心G到浮心C0的距离;r-δ＝h为稳心高度，它表示初稳心在重心之上的高度(当初稳心在重心之下时h为负值)。理论上，当初稳心高度的最小值h


小于零时浮体为不稳定，当h


大于零时浮体是稳定的。但因海上自然条件十分复杂，同时理论计算中必然有很多不确定因素无法准确决定。所以设计时往往要求浮体的最小初稳心高度大于某一数值。如半潜式平台h


应大于0.15米，欧洲北海油田的混凝土重力式平台要求h


大于0.1米。虽然稳心高度愈高则复原力矩愈大，因而平台的初稳性愈大，但也不宜太高，否则遇到风浪时浮体将剧烈摇摆。如果h


小于规定的数值则认为该浮体的初稳性不够，必须采取措施，如在浮体上加载以降低其重心或采用辅助浮筒等临时措施以加大水线面处的惯性矩等。

浮体在外海拖运或工作时，由于受风、浪等自然环境外力的作用。倾斜角可能大于10°～15°(图3)。此时仅用小倾角计算将出现较大的误差，必须进行大倾角的稳性计算。计算时一般仅按其静稳性考虑。即假定外力是逐渐加到浮体上，浮体缓慢倾斜，其角速度为零，并通过平台在各种荷载情况下倾角与复原力矩和风侧力矩的关系──平台静稳性曲线来研究。其绘制方法：从平台的正浮位置(θ＝0°)开始，到平台完全倾覆(θ＝90°)为止，等分成若干个倾角位置，如每隔10°为一个位置分别计算出各倾斜位置的倾覆力矩和复原力矩，将各点用线连接，即构成平台的静稳性曲线(图4)。其复原力矩Mh＝D[rcosθ+(z-zC)sinθ-δsinθ]，式中 z和r 分别是平台倾斜后浮心的竖坐标和横坐标，


。 平台的倾覆力矩对于不同种类的平台所考虑的因素是不同的。对于混凝土重力式平台，其倾覆力矩主要考虑在拖航时由风力作用产生的风侧力矩。对于半潜式平台，在整个使用期间都是作为浮体漂浮在水面上，因此计算倾覆力矩时除了考虑风力外还要考虑到直升机升降时对平台本体引起的倾覆力矩。绘制静稳性曲线时，应考虑自由液面的影响加以修正。验算时，要求平台在浸水点或第二交点之内的复原力矩曲线下的面积比倾覆力矩曲线下相应的面积大30～40％，即面积A+B≥(1.3～1.4)(B+C)，且复原力矩消失角(复原力矩等于零时的倾斜角值)大于 36°。半潜式平台除了进行静稳性计算外，还要考虑动稳性，其动稳性往往由风洞试验的结果来确定。

平台在一仓或数仓进水后保持不沉不翻的能力。其计算方法有两种：

（1）增加重量法，把进入破仓内的水看成是增加的荷载；

（2）损失浮力法，破仓后的进水区域的浮力已经损失，损失的浮力借增加吃水来补偿。其复原力矩、横倾及纵倾角度都可以根据初稳心公式得到。以上两种计算方法的结果是相同的。

平台坐落到地基上以后的稳性。对于混凝土重力式平台它包括抗滑移稳性和抗倾覆稳性，对于桩基平台主要是桩的抗拔力。

当地基的剪切应力超过土壤的抗剪强度时，平台可能沿地基土壤的某一个面发生滑移破坏。平台抵抗这种滑移破坏的能力称为抗滑移稳性。目前通常按照美国石油协会(API)的规范和挪威船级社(DNV)的规范计算混凝土重力式平台的抗滑移稳性。

作用于平台上的水平力产生倾覆力矩，而基底以上的竖向合力则产生抗倾覆力矩。当倾覆力矩大于抗倾覆力矩时，结构便发生倾覆而倒塌。

在一般情况下，结构的抗倾覆力矩很大，基础承载力或滑移的破坏往往在倾覆之前先发生，故倾覆破坏通常不是控制性的。但对于水平力很大而竖向力和基底尺寸比较小的结构，则必须验算其抗倾覆稳性。一般要求抗倾覆安全系数（抗倾覆力矩与倾覆力矩之比值）不小于2。

桩基平台在受到外荷载作用时，某些桩中可能出现较大的拔力。为了保证桩基平台的稳性，拔力应小于桩的容许抗拔力。确定桩的容许抗拔力的可靠办法是在工程现场进行拔桩试验。当进行拔桩试验有困难时，可采用经验公式进行估算，即容许抗拔力等于桩身周围总的摩擦力除以安全系数。

参考书目

DnV，Rules for the Desiɡn Construction andInspection of Offshore Structures， DnV HeadOffice，Hovik，Norway，1980.