朱本瑞，韓文秀，孫振平，李潤野，黃錫玲，楊樹耕

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實驗室，天津 300072；2. 中海石油(中國)有限公司上海分公司，上海 200335)

生活樓作為海洋平臺的重要組成部分，其作用是為平臺工作人員提供生活、工作及休閑娛樂的場所[1].生活樓結(jié)構(gòu)主要分為 3種類型：復(fù)合墻型、板架型、桁架型[2].復(fù)合墻型生活樓重量最輕，但其內(nèi)部填充材料強(qiáng)度較弱，不適于惡劣的海上環(huán)境.板架型生活樓多用于自升式及半潛式等移動式平臺，而桁架型是目前導(dǎo)管架平臺生活樓最常見的形式，其主體結(jié)構(gòu)一般采用高腹板 H型鋼，立柱采用圓管或 H型鋼，外壁采用斜撐及波紋板的組合形式[3].近期多個大型導(dǎo)管架平臺設(shè)計表明，這種結(jié)構(gòu)不僅用鋼量大，造成成本增加，而且斜撐的布置會極大程度地限制生活樓外壁的開窗位置，影響上部人員的工作環(huán)境和舒適性[4].

王勝等[1]提出將移動式平臺采用的板架型生活樓結(jié)構(gòu)用于導(dǎo)管架平臺，設(shè)計了板架式生活樓的底層強(qiáng)力板架，實現(xiàn)生活樓板架結(jié)構(gòu)與平臺上部組塊的有效連接.宋杰等[5]針對控制海上生活樓結(jié)構(gòu)重量的問題，對生活樓外壁材料進(jìn)行改良，在滿足規(guī)范要求的前提下合理降低生活樓重量.上述工作雖然可能在一定程度上降低生活樓結(jié)構(gòu)的重量，但并未考慮波紋板承載，因此，減重效果有限.

波紋板是一種經(jīng)冷加工成型的壓型板，其沿波紋和垂直于波紋方向的力學(xué)性質(zhì)具有明顯差異，是一種各向異性板[6]，相對于普通平板具有良好的力學(xué)特性.郭彥林等[7]研究了波紋腹板在純壓和純彎作用下的力學(xué)特性，證實了其具有良好的抗面外彎曲能力；對于波紋鋼板墻，近年來國內(nèi)外學(xué)者通過實驗驗證了其具有較大的抗彎剛度和抗壓剛度，屈曲性能較優(yōu)[8-9]；Farzampour等[10]研究表明，波紋鋼板剪力墻具有較高的抗塑性變形能力；陶旭[11]基于ANSYS從板格層面驗證了導(dǎo)管架平臺生活樓常用波紋板具有類似的力學(xué)性能；在此基礎(chǔ)之上，李潤野[12]采用 ANSYS建立導(dǎo)管架平臺整體生活樓結(jié)構(gòu)，對比分析了不同生活樓模型在自重、地震加速度等垂向載荷以及側(cè)向風(fēng)載荷作用下的生活樓變形和應(yīng)力；考慮波紋板非線性效應(yīng)，國內(nèi)外學(xué)者就波紋板的極限承載能力進(jìn)行進(jìn)一步的實驗和數(shù)值分析，對波紋板極限承載能力的分析方法給出一定指導(dǎo)意義[13-14].

本文基于前人對波紋板力學(xué)性質(zhì)的研究，首次提出取消生活樓斜撐、充分利用波紋板對結(jié)構(gòu)提供有效支撐的設(shè)計方案.以導(dǎo)管架平臺 120人生活樓為例，采用SACS建立該生活樓的三維有限元模型，通過計算，對比波紋板和斜撐對生活樓剛度和強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，證實了生活樓取消斜撐結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的可行性和合理性，研究成果為生活樓結(jié)構(gòu)設(shè)計和重量優(yōu)化提供了可行的方案和技術(shù)支持.

1 基于SACS的波紋板模擬

SACS軟件在加強(qiáng)筋選項卡中提供了波紋板的功能，在 Precede操作頁面中定義波紋板的各參數(shù)如圖1所示，其中：A表示波紋板高度；B表示波紋板寬度；C表示波紋板跨距；D表示波紋板厚度.

圖1 波紋板各參數(shù)Fig.1 Parameters of corrugated panel

利用上述功能，在 SACS中定義波紋板各尺寸，建立導(dǎo)管架平臺生活樓局部框架波紋板模型，其長為5.76,m，高為3.5,m.為對比不同網(wǎng)格劃分密度對波紋板計算結(jié)果的影響，建立4種不同網(wǎng)格密度的框架波紋板模型，如圖2所示.其中模型a不對波紋板進(jìn)行劃分；模型b水平方向?qū)⒉y板劃分為4段，豎直方向劃分為 2段，波紋板網(wǎng)格尺度為 1.44,m×1.75,m；模型c水平方向?qū)⒉y板劃分為9段，豎直方向劃分為 5段，網(wǎng)格尺度約為 0.64,m×0.70,m，水平方向近似等于波紋板一個波形的長度；模型 d網(wǎng)格最為精確，水平方向?qū)⒉y板劃分為 55段，豎直方向劃分為35段，網(wǎng)格尺度約為0.10,m×0.10,m.

圖2 不同網(wǎng)格劃分密度的框架波紋板模型Fig.2 Models of corrugated frame panel with different mesh sizes

在SACS中定義2種工況，其中工況1為沿波紋的均布加載，工況 2為沿波紋的三角形載荷，2種工況的總載荷均為48,kN.分別提取4種模型在2種工況下的最大等效應(yīng)力和最大位移，并以模型d的計算結(jié)果為基準(zhǔn)，分別計算4種模型在2種工況下的最大等效應(yīng)力差值和最大位移差值，結(jié)果如表1所示.

由表1的計算結(jié)果可知，模型a和模型b的波紋板網(wǎng)格劃分較稀疏，便于建模，但計算結(jié)果誤差較大.模型 d為基準(zhǔn)模型，其網(wǎng)格密度最精確，但建模工作量較大.模型c計算得到的等效應(yīng)力和位移與基準(zhǔn)模型最接近，即采用模型c的網(wǎng)格尺寸已具有足夠的精度且可在一定程度上提高建模效率.綜合考慮工程建模的可操作性與計算效率精度，推薦采用模型c，即采用近似一個波紋長度的正方形網(wǎng)格尺寸對波 紋板進(jìn)行模擬.

表1 不同網(wǎng)格SACS模型的結(jié)果對比Tab.1 Comparison results for SACS models with different mesh sizes

2 生活樓結(jié)構(gòu)整體有限元模型

某導(dǎo)管架平臺生活樓層高 3.5,m，共計 5層，帶有直升機(jī)飛機(jī)甲板，其主尺度參數(shù)為：L=31,m，B=11.5,m，H=17.5,m.生活樓結(jié)構(gòu)由主梁、立柱、垂向撐桿、斜撐和甲板板組成，生活樓四周外壁及內(nèi)部各房間隔板為波紋板結(jié)構(gòu)，其中靠近平臺主體結(jié)構(gòu)一側(cè)的外壁為防爆波紋板，其余為普通波紋板.生活樓俯視示意圖及有限元模型如圖3所示.

圖3 生活樓結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of living quarter

為論證本文提出的生活樓取消斜撐的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，建立該生活樓的 3種有限元模型：模型 1為框架波紋板模型，該模型采用上述推薦波紋板網(wǎng)格劃分尺寸建立了波紋板圍壁，未建立垂向斜撐.模型2為框架斜撐模型，該模型建立了垂向斜撐，未建立波紋板圍壁，是目前導(dǎo)管架平臺生活樓結(jié)構(gòu)常用分析方法.模型 3為框架無斜撐模型，是一個虛擬模型，作為對照，該模型的垂向斜撐和波紋板圍壁均未建立.以生活樓L1排為例，3種結(jié)構(gòu)有限元模型局部示意如圖4所示.

圖4 生活樓L1有限元模型Fig.4 Finite element model of living quarter at L1

3 計算結(jié)果及波紋板斜撐的影響分析

根據(jù)文獻(xiàn)[15]，對 3種生活樓模型進(jìn)行在位工況下的對比分析，結(jié)構(gòu)載荷包括自重、活載荷、設(shè)備載荷、風(fēng)載荷和直升機(jī)載荷，其中直升機(jī)重量為 10.8,t，其降落載荷根據(jù)《DNV Rules for Classification of Ships：Part 6》[16]進(jìn)行確定.考慮最不利組合工況及相應(yīng)的組合系數(shù)，共計得到 88種載荷組合工況.提取 3種模型在各組合工況下的最大變形并對 3種模型各類桿件和模型1的波紋板進(jìn)行強(qiáng)度分析.

為定量從結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度 2個方面對波紋板和斜撐對生活樓框架結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行綜合對比分析，本文提出剛度增強(qiáng)系數(shù)η和強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)ε,這 2個指標(biāo)，計算公式分別為

式中：ηij表示模型 i的第 j個工況下的剛度增強(qiáng)系數(shù)；U3,j表示模型3的第j各工況下節(jié)點(diǎn)最大變形值；Uij表示模型 i的同種工況下節(jié)點(diǎn)最大變形值；εik表示模型i的第k種構(gòu)件的強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)；UC3k為模型3第k種構(gòu)件最大強(qiáng)度UC值；UCik為模型i的同種構(gòu)件最大強(qiáng)度 UC值.ηij值和 εik值能夠直觀地描述波紋板或斜撐對生活樓框架結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度的貢獻(xiàn)度，其數(shù)值在 0～1之間，越接近于 1說明其貢獻(xiàn)度越大，反之則越小.

3.1 結(jié)構(gòu)變形及剛度增強(qiáng)系數(shù)

提取各組合工況下3種模型的最大變形值，如圖5所示.

圖5 生活樓最大變形值Fig.5 Maximum deformation of living quarter

由圖5可知，模型1和模型2變形隨工況變化規(guī)律基本相同，而參照模型 3僅為剛度較弱的框架結(jié)構(gòu)，且不同方向其結(jié)構(gòu)的剛度差異并不明顯，因此變化規(guī)律有所差別.對比三者最大變形數(shù)值可知，模型3的變形值明顯較大，最大值為7.51,cm，而模型1和模型 2變形值較小，最大值分別為 4.36,cm和5.24,cm，其均值約為模型3的1/3，顯然，這是波紋板與斜撐結(jié)構(gòu)能夠提供良好的剛度造成的，相比較而言，模型 1的變形最小，說明波紋板較斜撐具有更好的剛度.

進(jìn)一步計算各組合工況下模型 1和模型 2的剛度增強(qiáng)系數(shù)，結(jié)果如圖6所示.

圖6 剛度增強(qiáng)系數(shù)Fig.6 Stiffness enhancement coefficient

由圖6可知，模型1和模型2的剛度增強(qiáng)系數(shù)平均值在0.5左右，且模型1的剛度增強(qiáng)系數(shù)在各工況下均大于模型2的剛度增強(qiáng)函數(shù)，說明生活樓取消斜撐模型具有更高的剛度.分析圖6中模型1和模型2的剛度增強(qiáng)系數(shù)隨工況的變化規(guī)律可知，兩模型最小剛度增強(qiáng)系數(shù)均出現(xiàn)在工況 17、26、35、44、53、62、71和工況 80，一方面，這些工況均為操作工況，直升機(jī)載荷位于直升機(jī)甲板懸伸處最外邊緣，此時直升機(jī)載荷遠(yuǎn)離生活樓重心，增加了生活樓結(jié)構(gòu)所受彎矩，使其處于較危險的狀態(tài)；另一方面，在這些工況下兩模型的剛度增強(qiáng)系數(shù)差值較其他工況更大，說明生活樓在較危險工況下，波紋板在剛度上的優(yōu)勢更明顯.

3.2 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)

同理，對 3種模型桿件強(qiáng)度 UC值進(jìn)行校核，提取生活樓在位工況下所有桿件的最大UC值，如表2所示.

表2 桿件最大UC值Tab.2 Maximum UC of members

由表 2可知，模型 1所有桿件強(qiáng)度 UC均小于1，在整個結(jié)構(gòu)的15類構(gòu)件中，僅對于C8和H4這2類構(gòu)件強(qiáng)度 UC值相對模型 2有所增加，而剩余的13類構(gòu)件強(qiáng)度UC均小于模型2，說明生活樓取消斜撐后不僅能夠滿足強(qiáng)度設(shè)計要求，且能夠一定程度上改善傳統(tǒng)生活樓結(jié)構(gòu)的承載狀態(tài).由模型 3的結(jié)果可知，其結(jié)構(gòu)已有多數(shù)構(gòu)件強(qiáng)度UC值大于1.0，顯然不滿足規(guī)范的設(shè)計要求，這也從反面證實了波紋板在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度貢獻(xiàn)上能夠發(fā)揮非常有效的作用.

由式(2)計算所有桿件的強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)，結(jié)果如圖7所示.

由圖7可知，波紋板和垂向斜撐對生活樓各構(gòu)件均有強(qiáng)度貢獻(xiàn)，強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)平均在 0.5左右.總體而言，波紋板的強(qiáng)度貢獻(xiàn)相對于斜撐的強(qiáng)度貢獻(xiàn)更大，尤其是對于次要構(gòu)件 C4、C9和 H1，其強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)與斜撐的強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)差值大于0.25，這說明波紋板對結(jié)構(gòu)次要構(gòu)件的強(qiáng)度貢獻(xiàn)更加明顯；而構(gòu)件C8和 H4，波紋板的強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)有所降低，為分析并說明其中原因，提取最危險工況下模型1和模型2所有桿件的應(yīng)力分布，如圖8所示.

圖7 強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)Fig.7 Strength enhancement coefficient

圖8 桿件應(yīng)力分布示意Fig.8 Stress distribution diagram of members in living quarter

由圖8可知，兩種模型應(yīng)力分布狀態(tài)存在明顯差異，這是由于其結(jié)構(gòu)形式不同，改變了載荷傳遞路徑，其中，模型 2應(yīng)力主要集中于垂向斜撐上，說明垂向斜撐為主要傳力構(gòu)件；模型1應(yīng)力主要集中于生活樓底層主立柱根部，說明取消斜撐后，主立柱成為主要傳力構(gòu)件.由此可知，正是由于這一傳遞路徑的變化，使得模型 1的 4個主立柱根部(C8)以及與主立柱相連的底層甲板主梁(H4)的 UC值較模型 2有所增加，即該區(qū)域會出現(xiàn)較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，生活樓取消斜撐時，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該區(qū)域的構(gòu)件.

進(jìn)一步分析生活樓取消斜撐后的波紋板強(qiáng)度，計算模型1四周側(cè)壁波紋板所有工況下的最大強(qiáng)度UC值，結(jié)果均小于 1，說明生活樓取消斜撐后其側(cè)壁波紋板結(jié)構(gòu)亦滿足強(qiáng)度要求.

提取最大UC值所在工況下波紋板應(yīng)力分布圖，結(jié)果如圖9所示.

圖9 波紋板應(yīng)力分布Fig.9 Stress distribution of corrugated panels in living quarter

由圖9可知，波紋板應(yīng)力分布具有明顯的區(qū)域特性，僅在L3和 L1波紋板與主立柱根部相連位置的應(yīng)力水平較高，存在較為明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，而遠(yuǎn)離該區(qū)域的應(yīng)力水平明顯下降，大部分波紋板應(yīng)力水平均在 40,MPa以下.其原因同上，由傳力路徑改變而致，在此不再贅述.

4 結(jié) 論

本文綜合對比分析了波紋板和垂向斜撐對導(dǎo)管架平臺生活樓結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度貢獻(xiàn)，得出結(jié)論如下：

(1) 提出生活樓取消斜撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，該方案不僅能滿足規(guī)范設(shè)計要求，而且波紋板對生活樓框架有著比斜撐更優(yōu)的剛度和強(qiáng)度貢獻(xiàn)，且對于危險工況而言，其貢獻(xiàn)度更加明顯，從結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度和波紋板強(qiáng)度3方面驗證了生活樓取消斜撐的可行性.

(2) 生活樓取消斜撐后，考慮波紋板承載，在采用SACS建立波紋板結(jié)構(gòu)時，本文推薦采用近似一個波紋長度的正方形網(wǎng)格尺寸對波紋板進(jìn)行模擬，以滿足工程計算效率和建模精度.(3) 結(jié)構(gòu)取消斜撐后，生活樓靠波紋板與主立柱和甲板梁聯(lián)合承載，高應(yīng)力區(qū)域轉(zhuǎn)變?yōu)樯顦堑讓又髁⒅?，且該位置處波紋板應(yīng)力水平亦較高，是生活樓采用取消斜撐設(shè)計時應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域.

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