海上浮式渔业平台结构设计规范

ICS 65.150 CCS B 56 辽 DB21 宁 省 地 方 标 准 DB21/ T 3564—2022 海上浮式渔业平台结构设计规范 Specification for structural design of the offshore floating fishery platform 2022 - 01 - 30 发布 辽宁省市场监督管理局 2022 - 03 - 02 实施 发 布 DB21/T 3564—2022 前 言 本文件按照 GB/T 1.1—2020 《标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草原则》的规定起 草。 请注意本文件的某些内容有可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由辽宁省农业农村厅提出并归口管理。 本文件起草单位：大连理工大学、大连天正实业有限公司、大连海洋大学、大连水产规划设计研究院 有限公司。 本文件起草人：毕春伟、赵云鹏、刘圣聪、陈昌平、任效忠。 本文件发布实施后，任何单位和个人如有问题和意见建议，均可以通过来电和来函等方式进行反馈， 我们将及时答复并认真处理，根据实际情况依法进行评估及复审。 归口管理部门通讯地址：辽宁省农业农村厅（沈阳市和平区太原北街 2 号） ，联系电话：024-23447862。 文件起草单位通讯地址：大连理工大学（大连市甘井子区凌工路 2 号） ，联系电话：0411-84708526。 I DB21/T 3564—2022 海上浮式渔业平台结构设计规范 1 范围 本文件规定了海上浮式渔业平台的水文设计参数、荷载计算、平台结构设计、布局与锚泊设计、动力 分析和模型试验的技术要求。 本文件适用于沿海水域浮式渔业平台的结构设计。其他同类型平台的结构设计可参照执行。 2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件， 仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文 件。 GB/T 549 电焊锚链 GB/T 18673 渔用机织网片 GB/T 18674 渔用绳索通用技术条件 GB/T 40749-2021 海水重力式网箱设计技术规范 CB/T 3756 海上平台栏杆 JTS 145-2015 港口与航道水文规范 SC/T 4005 主要渔具制作 网片缝合与装配 SC/T 4067-2017 浮式金属框架网箱通用技术要求 SC/T 5022 超高分子量聚乙烯网片 经编型 3 术语和定义 GB/T 40749-2021 和 SC/T 4067-2017 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。 3.1 框架 frame 支撑渔业平台整体的构件，既能使渔业平台保持一定形状，又能作为平台进行养殖等相关操作。 注：改写SC/T 4067-2017, 3.2 2 DB21/T 3564—2022 3.2 浮架系统 floating system 由框架、浮筒、甲板和护栏组成，用于承重并使渔业平台漂浮于水面上的浮式框架结构。 注：改写GB/T 40749-2021, 3.2 3.3 网衣系统 netting system 由网片、网线、纲索和沉子组成，用于保持养殖空间的结构。 注：改写GB/T 40749-2021, 3.1 3.4 锚泊系统 mooring system 由锚碇、锚链、锚绳等组成，用于固定渔业平台位置的结构。 注：改写GB/T 40749-2021, 3.3 3.5 附属结构物 accessory structure 平台上为满足某些功能而增加的结构物。 3.6 浮式渔业平台 floating fishery platform 由浮架系统、网衣系统、锚泊系统和附属结构物构成，依靠浮架系统的浮力和网衣系统下部沉子的重 力张紧网衣，保持箱体形状，并通过锚泊系统固定在作业海域的，具有涉渔活动功能的平台。 注：改写GB/T 40749-2021, 3.4 4 水文设计参数 4.1 参数选取原则 设计参数包括海面风、波浪、海流及潮位，重现期不宜小于 50 年，并应考虑海面风、波浪、海流同时 出现的情况。 4.2 设计风速 应选取目标海区范围内可能出现的最大风速值，计算方法应按JTS 145-2015中第7.1条的规定执行；设 计风速不应小于25.8 m/s。 3 DB21/T 3564—2022 4.3 设计波浪 应包括设计波高及相应的波浪周期，计算方法应按JTS 145-2015中第6章的规定执行。 4.4 设计流速 应选取目标海区范围内可能出现的最大流速值，计算方法应按JTS 145-2015中第11章的规定执行。 4.5 设计潮位 应包括设计高水位、设计低水位、极端高水位和极端低水位，统计和计算方法应满足下列要求： ——设计高水位应采用高潮累计频率10%的潮位或历时累积频率1%的潮位； ——设计低水位应采用低潮累积频率90%的潮位或历时累积频率98%的潮位； ——极端高水位应采用重现期为50年的年极值高水位； ——极端低水位应采用重现期为50年的年极值低水位。 5 荷载计算 5.1 原则 平台荷载包括永久荷载和环境荷载，其中，永久荷载包括重力和浮力，环境荷载包括风载荷、波浪载 荷和海流载荷，必要时还应考虑海冰载荷；计算时应考虑结构特征、构件形状和尺寸，以及环境荷载强度、 组合形式和入射角度，对平台结构所受荷载进行矢量叠加。 5.2 永久荷载 5.2.1 重力 应包括浮架系统、网衣系统、锚泊系统、附属结构物、人员等的重力，应按式（1）计算，并应确定甲 板上最大的设计均布载荷和集中载荷： W =W1  W2  W3  W4  W5 …………………………………………（1） 式中： W——重力，单位为牛（N）； W1——浮架系统重力，单位为牛（N）； W2——网衣系统重力，单位为牛（N）； W3——锚泊系统重力，单位为牛（N）； W4——附属结构物重力，单位为牛（N）； W5——最大数量人员的重力，单位为牛（N）。 4 DB21/T 3564—2022 5.2.2 浮力 应包括浮架系统、网衣系统等所能提供的浮力，应按式（2）计算，且不小于重力的1.5倍： F =F1  F2 …………………………………………（2） 式中： F——浮力，单位为牛（N）； F1——浮架系统浮力，单位为牛（N）； F2——网衣系统浮力，单位为牛（N）。 5.3 环境荷载 5.3.1 风载荷 作用于浮架系统和附属结构物构件上的风载荷应按式（3）计算，其中受风构件的形状系数宜按表 1 选取，也可由风洞试验确定： FF  0.613CS AF uF2 …………………………………………（3） 式中： FF ——作用于构件上的风载荷，单位为牛（N）； CS ——受风构件的形状系数； AF ——受风构件在垂直于风向上的投影面积，单位为平方米（m2） ； uF ——设计风速，单位为米每秒（m/s）。 表 1 受风构件的形状系数 CS 构件形状 形状系数 CS 球形 0.4 圆柱形 0.5 大的平面 1.0 （如甲板室、甲板表面等） 甲板室群或类似结构物 1.1 浮架系统的梁和桁架 1.3 小部件 1.4 独立结构（如独立的梁等） 1.5 5.3.2 波浪载荷 5.3.2.1 小尺度构件上的波浪载荷 5 DB21/T 3564—2022 作用在浮架系统和网衣系统单位长度小尺度构件（截面特征尺度与波长之比≤0.2）上的波浪载荷，包 括水阻力和惯性力，应按式（4）计算，浮架系统和网衣系统中多为圆形构件，水阻力系数宜取 1.2，惯性 力系数宜取 2.0，其他截面构件的水阻力系数和惯性力系数应参照规范选取或由物理模型试验确定： Fw  FD  FI  1 wCd Aw  u  x'  u  x'  wV  CM u '  Cm x ''  ……………………（4） 2 式中： Fw ——单位长度构件上的波浪载荷，单位为牛每米（N/m） ； FD ——单位长度构件上的水阻力，单位为牛每米（N/m）； FI ——单位长度构件上的惯性力，单位为牛每米（N/m）； ρw ——海水密度，单位为千克每立方米（kg/m3） ； Aw ——单位长度构件在垂直于矢量（u-x’）方向上的投影面积，单位为平方米每米（m2/m） ； Cd ——水阻力系数； Cm ——附加质量系数； CM ——惯性力系数，CM=Cm+1； V——单位长度构件的体积，单位为立方米每米（m3/m）； U ——垂直于构件轴线的水质点速度分量，依据适用的波浪理论由设计波高及相应的波浪周期计算得 到，单位为米每秒（m/s） ； u’ ——垂直于构件轴线的水质点加速度分量，单位为米每二次方秒（m/s2） ； x’ ——垂直于构件轴线的单位长度构件速度分量，单位为米每秒（m/s）； x’’ ——垂直于构件轴线的单位长度构件加速度分量，单位为米每二次方秒（m/s2）。 5.3.2.2 大尺度构件上的波浪载荷 作用在浮架系统大尺度构件上的波浪载荷，应采用绕射理论对作用在物体湿表面上的整个动水压力进 行积分计算。描述流场的速度势函数应满足拉普拉斯方程，并满足物体表面、自由表面、海底及无穷远处 的边界条件。总速度势由入射势、绕射势和辐射势组成。 5.3.3 海流载荷 作用在浮架系统和网衣系统构件上的海流载荷应按式 （5） 计算， 浮架系统和网衣系统中多为圆形构件， 水阻力系数宜取 1.2，其他截面构件的水阻力系数应参照规范选取或由物理模型试验确定： Fc  式中： 6 1 Cd  wuc2 Ac ………………………………………………（5） 2 DB21/T 3564—2022 Fc—— 作用于单位长度构件上的海流力，单位为牛每米（N/m） ； Ac —— 单位长度构件在垂直于海流方向上的投影面积，单位为平方米每米（m2/m） ； uc —— 设计流速，单位为米每秒（m/s） 。 5.3.4 海冰载荷 对于有海冰的海域，还应考虑作用在浮架系统上的海冰载荷，包括海冰引起的结构重力、浮力、风载 荷、海浪载荷、海流载荷的变化，以及在海面风、波浪、海流驱动下运动的冰块对结构物的冲击、摩擦作 用。 6 平台结构设计 6.1 型式选择 依据平台功能和船舶靠泊需求，型式可选用圆形或矩形（图 1）；圆形平台的周长宜在 40 m~120 m 范 围内，矩形平台的边长宜在 10 m~40 m 范围内。 （a）圆形渔业平台 （b）矩形渔业平台 图 1 渔业平台型式 6.2 结构设计 6.2.1 浮架系统 6.2.1.1 框架 应依据荷载计算结果，进行框架设计；材料宜通过检验认证，规格尺寸应满足功能需求和强度需求。 6.2.1.2 甲板 甲板强度应能满足平台承载要求；甲板高度应保证平台上接纳人员达到最大容量时，不会发生甲板上 浪。 7 DB21/T 3564—2022 6.2.1.3 护栏 平台边缘及人员通道均应设置安全防护栏杆，护栏高度不应低于 1 米，设计应考虑到人员滑倒后滑入 海中的风险；护栏的设计可参照 CB/T 3756 的要求。 6.2.2 网衣系统 网片缝合与装配应符合 SC/T 4005 的规定；网衣的水平尺寸应与网箱框架尺寸相匹配，最大高度应符 合 GB/T 40749-2021 的规定。 6.2.3 锚泊系统 6.2.3.1 锚链 锚链的强度应满足锚泊强度要求，型式和规格应符合 GB/T 549 的规定；锚链长度应保证在设计高水 位时仍有足够的拖曳长度，在设计低水位时不会造成锚绳与海底摩擦。 6.2.3.2 锚绳 锚绳的强度应满足锚泊强度要求，材料和规格应符合 GB/T 18674 的规定；单根锚绳的长度应保证锚 绳与锚链的总长度不小于水深的 3 倍。 6.2.3.3 锚碇 锚碇应能提供足够的水平抗拉力和垂向抗拔力，形式和规格应根据目标海区的底质类型和荷载分析结 果确定，常用形式有铁锚、重力块和锚桩等。 6.2.4 附属结构物 平台上附属结构物尺寸的设计应满足其功能需求，材料和规格应保证具有足够的强度。 6.3 强度分析 6.3.1 浮架系统及附属结构物 浮架系统及附属结构物强度分析应考虑下列内容： ——浮架系统及附属结构物荷载计算应按第 5 章确定； ——应按最不利的荷载和荷载组合确定构件的设计强度； ——强度分析应包括整体结构强度分析、局部结构强度分析和疲劳分析，宜采用有限元法； ——除强度要求外，应避免平台发生过大的变形和振动，确保平台正常作业以及人员安全。 8 DB21/T 3564—2022 6.3.2 网衣系统 网衣系统结构分析应考虑下列内容： ——网衣系统荷载计算应按第 5 章确定； ——强度分析宜采用集中质量法、有限元法等方法； ——强度分析应考虑网衣的材料特性、编制工艺、几何尺寸以及生物污损的影响； ——除强度要求外，应考虑网衣变形，确保渔业平台的养殖容积满足生产需求。 6.3.3 锚泊系统 锚泊系统结构分析应考虑下列内容： ——锚泊系统荷载计算应按第 5 章确定； ——强度分析宜采用动力分析，包括物理模型试验和数值模拟方法； ——强度分析应包括锚绳、锚链、锚碇等结构在水中的强度； ——强度分析应考虑完整工况和破损工况，即锚泊系统中任一锚绳失效后的工况。 6.4 强度校核 6.4.1 浮架系统及附属结构物 6.4.1.1 屈服强度 结构屈曲强度分析应按式（6）确定其许用应力值，对于结构构件轴向或弯曲应力，安全系数宜取1.25； 对于构件剪切应力，安全系数宜取1.88： [σ]= σs/S…………………………………………（6） 式中： [σ]——构件许用应力，单位为兆帕（MPa）； σs——构件屈服强度，单位为兆帕（MPa）； S ——构件屈服强度安全系数。 6.4.1.2 屈曲强度 对于平台结构中承压、承剪构件应按式（7）确定其许用临界屈曲应力值，构件屈曲强度安全系数宜取 1.25： [σcr]= σcr/Sbu …………………………………………（7） 式中： 9 DB21/T 3564—2022 [σcr]——构件许用临界屈曲应力，单位为兆帕（MPa）； σcr——构件临界屈曲强度，单位为兆帕（MPa）； Sbu ——构件临界屈曲强度安全系数。 6.4.1.3 疲劳强度 对于框架结构上承受交变荷载的区域，还应校核其疲劳强度；海上浮式渔业平台设计使用年限宜取为 20年。 6.4.2 网衣系统 经荷载计算和验证，应对网衣系统结构进行强度校核，包括网线、纲绳在浸湿状态下的强度分析，网 线的分析结果应符合GB/T 18673或SC/T 5022的要求，纲绳断裂强力应符合GB/T 18674的要求。 6.4.3 锚泊系统 锚绳的极限承载力值应按式（8）确定，以完整工况作为设计工况时，安全系数宜取2.47；以破损工况 作为设计工况时，安全系数宜取1.73： [σm]= σm/Sm…………………………………………（8） 式中： [σm]——锚绳极限承载力，单位为兆帕（MPa）； σm——锚绳断裂强力，单位为兆帕（MPa）； Sm ——锚绳断裂强力安全系数。 6.5 优化设计 依据结构强度校核结果，对不满足强度要求或强度冗余度过高的结构构件进行重新设计。 7 布局与锚泊设计 7.1 布局原则 应根据海区条件、地形地貌和功能需求布局，宜遵循以下原则： ——对于风浪较大的海域，宜采用单台布局的形式； ——对于风浪较小的海域，宜采用多台布局的形式； ——对于海底地形平坦的海域，宜采用多台布局的形式； ——对于海底起伏较大的海域，宜采用单台布局的形式； 10 DB21/T 3564—2022 ——对于具有常浪向或常流向资料的海域，宜采用顺浪或顺流的布局形式。 7.2 锚泊设计 7.2.1 单台布局锚泊形式 单台渔业平台尺寸较小时宜采用四点锚泊的形式，尺寸较大时宜采用八点锚泊的形式，布局形式见图 2。当锚泊系统不满足强度要求时，应适当增加锚绳数量。 （a）单台圆形平台四点锚泊示意 （b）单台矩形平台四点锚泊示意 （c）单台圆形平台八点锚泊示意 （d）单台矩形平台八点锚泊示意 图 2 单台渔业平台布局形式 7.2.2 多台布局锚泊形式 两台渔业平台组合布局，平台尺寸较小时宜采用四点锚泊的形式，尺寸较大时宜采用十二点锚泊的形 式，布局形式见图 3；两台以上渔业平台组合布局的锚泊形式可参照执行；当锚泊系统不满足强度要求时， 应适当增加锚绳数量；在满足系泊力的前提下，相邻两根锚绳可共用一个锚碇。 11 DB21/T 3564—2022 （a）两台圆形平台四点锚泊示意 （c）两台圆形平台十二点锚泊示意 （b）两台矩形平台四点锚泊示意 （d）两台矩形平台十二点锚泊示意 图 3 两台渔业平台布局形式 7.2.3 多台布局连接设计 多台组合布局的渔业平台除满足单个平台结构设计的要求之外，还应考虑下列内容： ——多个渔业平台宜采用顺浪或顺流的布局形式； ——平台之间的连接形式宜设置为柔性连接； ——确定可能出现的最危险情况下平台间的拉力，设计连接缆绳或锚链； ——确定可能出现的最危险情况下平台间的碰撞力， 设计护舷等防撞设施， 分析碰撞区域的局部强度； ——易碰撞区域的结构设计应具有一定的冗余度，保证即使结构局部碰撞损坏也不会导致主体结构失 效或者失稳。 8 动力分析和模型试验 8.1 水动力指标 平台的水动力指标应包含下列内容： ——运动响应，包括纵荡、垂荡、纵摇，必要时还应测量横荡、横摇、艏摇； ——网衣变形，包括运动、变形、体积保持率； 12 DB21/T 3564—2022 ——系泊力，包括锚绳力、锚链力以及锚碇受力； ——多台组合布局时应考虑相邻平台间的连接力，包括拉力和压力。 8.2 动力特性 平台的动力特性应包含下列内容： ——动力参数，包括模态、固有周期和阻尼系数； ——加速度响应，包括线加速度、角加速度； ——水弹性响应，包括稳定性分析、变形响应； ——结构强度，包括浮架系统的应力、应变，网线张力，锚绳张力。 8.3 分析方法 8.3.1 集中质量法 该方法适用于分析渔业平台的刚性浮架系统、柔性网衣系统和锚泊系统，数值模型的建立应包含下列 内容： ——将结构离散为一系列的、由无质量的弹簧连接的集中质量点； ——通过求解各集中质量点的运动微分方程，可以获得各个质量点的位移，最终获得结构的运动和变 形； ——集中质量点的运动微分方程根据牛顿第二定律构建，利用龙格库塔法求解，可通过计算机语言编 程实现。 8.3.2 有限元法 该方法适用于分析渔业平台的刚性、半刚性或柔性的浮架系统以及柔性的网衣系统和锚泊系统，数值 模型的建立应包含下列内容： ——以管单元为基本单元，建立渔业平台结构几何模型； ——采用有限元方法对结构表面网格单元所受动水压力进行计算，从而模拟海面风、波浪、海流作用 下结构所受的应力、应变与动力响应； ——有限元模型的动力学方程可采用 Newton-Raphson 迭代法求解，以计算结构的瞬态动力响应。 8.3.3 边界元法 该方法适用于分析渔业平台的刚性大尺度构件，数值模型的建立应包含下列内容： ——建立求解波浪作用下结构绕射问题的边界元模型； 13 DB21/T 3564—2022 ——采用结构边界的网格离散相应的边界积分方程； ——描述流场的速度势函数应满足拉普拉斯方程； ——采用边界元法对作用在物体湿表面上的整个动水压力进行积分计算。 8.4 试验设计原则 物理模型试验设计应同时满足弗劳德相似和斯特劳哈尔相似，以保证模型和原型之间正确的相似关系， 渔业平台的模型和原型的相似条件应包含下列内容： ——几何相似，即模型和原型虽然大小不同，但其形状完全相似； ——运动相似，即模型和原型在流体中运动时，其对应点处在任意瞬间的同类物理量如流体的速度、 加速度等都有相同的比例； ——动力相似，即流体作用于模型和原型上的各种力相互成比例。 14