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根据前一步求出的水下迎流面积A,求取海流载荷水平作用力F(单位:牛顿N):F=1/2ρCAV2。式中,C为流力系数;A为浮标水下迎流面积,单位m2;V为海流流速;ρ为海水密度,1025kg/m3。
根据中国船级社《海上移动平台入级规范2020》和《海洋平台强度分析》、《移动式平台设计》)等专业书籍,流力系数C,通常取与曳力系数CD同样的数值。对于圆形构件,可取CD=0.6~1.2,且取用的系数值均应不小于上述范围的下限值。本实验中取曳力系数值为1.2。
《海上移动平台入级规范2020》、《海洋平台强度分析》、《移动式平台设计》等规范和专业书籍中规定风压p(pa)按下式计算:p=0.613V2。式中,V为设计风速。海洋平台设计规范规定风速值不小于51.5m/s,浮标设计规范(《大型海洋环境监测浮标规范》和《大型海洋资料浮标标体建造标准规范》)中为75m/s,经综合考虑,风速取值为75m/s。
浮标的锚链通常采用有档锚链,根据《海洋资料浮标原理与工程》等专业书籍和规范,锚链长度一般为水深的3到5倍,即锚链长度L=(3~5)H。式中,浮标工作海域的深度H,将由系统随机给出,水深范围为水下20<H<100m。
风速变换和比较中,《海上移动平台入级规范2020》和《海洋平台强度分析》、《移动式平台设计》等专业书籍中,规定以平均海平面上10m高度为标准高度,其对应的风速称为设计风速,其它非标准高度的风速,可依据其沿高度的变化规律换算得到。
水线面(可近似看作水平面)以上部分为迎风部分。浮标水线面以上的迎风面积包括圆盘型浮标体水上迎风面积、桅筒迎风面积、上部仪器平台迎风面积等三部分组成。
根据选定的底板直径,确定浮标浸没水中的形状,并根据浮标结构在铅垂面的投影计算迎流面积。
在一定的海洋环境下,浮球数量太少,则无法保证潜标观测平台的水下姿态;浮球数量太多,则需要相应的增加海床基配重,会提高浮球和配重块等的经济成本,也会增加系统复杂度。
地基剪切破坏发展到邻近失稳时所能承受的极限荷载就称为地基的极限荷载,也就是地基的极限承载力。海底沉积物的性质、载荷大小和桩腿形状是决定该承载力的关键因素。一般来说,增大接触面积和入泥深度会增加承载力。
平台桩腿与海底沉积物相互作用表现为当桩腿插入到土层中,桩端附近的土体受到剧烈挤压而产生压缩变形,而且随着桩腿插入阻力的增加,土体颗粒发生移动,孔隙水受到冲剪挤压作用形成不均匀水头,产生急剧上升的超孔隙水压力,扰动土体结构,原状土的初始应力状态被破坏。当桩端土体所受的压力超过其抗剪强度时,土体会发生剧烈变形直至破坏,这种破坏和扰动随着桩腿的插入会连续向下传递,使桩周一定范围内的土体形成塑性区,从而实现桩腿的继续下入。这种极限破坏活动对粘性土产生塑性流动,对砂性土产生挤密侧移和向下推进,原来处于桩尖的土体被向下向外挤开。当海底土对桩腿的阻力等于与或超过桩腿载荷时,插入就会停止。插入过程中侧阻力会随着入泥深度的增加而有可能出现升降。
1)离底方式与时间
结构体的离底是一个非常复杂而涉及因素广泛的问题。随着结构体在底质中的浸没深度、离底上浮的方式、离底提升力的大小等因素的不同,离底的机理会发生实质性的变化。
从离底方式来说,有自力离底和辅助离底两种。辅助离底是指在离底的过程中采用了各种辅助手段已减少底质的吸附作用,而自力离底主要是指结构体在仅受向上的提升力的作用下的离底。
时间的因素也是吸附力研究中的一个重要影响因素。结构体坐底时间对吸附力的影响,体现在结构体与底质的结合方式上。提升过程中的时间因素实际上体现了提升力大小所造成的离底机理的不同。在提升力足够大时,随着提升力的不断增大,结构体即会离地上浮。这一过程中,提升力的大小取决于结构体的水下重量及底质-结构体系的破坏所需外力。如果提升力不足以立即使结构体离底,在一定的大于结构体水下重量的提升力作用下,结构体经过一定的时间之后总会离底的。
2)与底质的接触面积
坐底结构与底质的接触面积也是影响吸附力的因素,面积越大,吸附力越大。可通过开孔或其它方式减小接触,从而降低吸附力。
3)结构件底部形状
结构底部的形状也是影响吸附力的因素。外形对于结构体在提升过程中的吸附力会产生一定的影响,但影响效果与其它因素相比较小。
海底吸附力是将结构体从海底底质中拉起过程中表现出的一种力,由海底底质与结构体间的黏着力、结构体被提升过程中因水来不及进去而产生的负孔隙水压力,以及底质与结构体侧面所产生的侧摩阻力三部分组成。当结构体被拉出沉积物但未与沉积物的表面完全脱离时,吸附力仅由粘着力和负孔隙水压力二部分组成。一般来说,侧摩阻力在吸附力中所占的比例较小。
一方面防止平台在海底观测时过深陷入沉积物中,给成功回收带来一定的隐患;另一方面,平台在回收时会受到沉积物施加的吸附力,这些防沉板会增大吸附力,这种吸附力有时可达平台自身重量的5-6倍,将造成平台回收的困难。为了减小吸附力这种负作用力,同时兼顾防沉降作用,采用活动式防沉板,回收时防沉板脱落,从而减小吸附力的作用面积。
坐底观测平台主要通过搭载各类传感器,对海底及近海底边界层的物质交换和输运及生态系统进行观测,其能长期稳定和对环境干扰小地进行原位观测,其搭载的传感器所采集的数据通过光电缆能实时传输至岸基站和用户。