考虑波纹板承载的导管架平台生活楼结构设计
发布时间：2018-09-04
摘要：为有效降低导管架平台上部组块重量，针对导管架平台120人生活楼结构，提出生活楼外壁取消斜撑、直接采用波纹板进行承载的结构设计方案.针对生活楼局部框架波纹板模型，探讨SACS模拟波纹板结构的方法和波纹板网格划分密度，在此基础上，采用SACS建立生活楼整体结构的有限元模型，对88种载荷组合工况进行计算，引入强度增强系数和刚度增强系数，深入分析对比波纹板与斜撑对生活楼结构的强度和刚度贡献.结果表明，波纹板对结构的刚度贡献大于斜撑，对大部分杆件的强度贡献亦大于斜撑，因此在考虑波纹板承载的基础上，生活楼外壁取消斜撑的结构设计方案是可行的.
关键词：生活楼;波纹板;SACS;强度增强系数;刚度增强系数
生活楼作为海洋平台的重要组成部分，其作用是为平台工作人员提供生活、工作及休闲娱乐的场所[1].生活楼结构主要分为3种类型：复合墙型、板架型、桁架型[2].复合墙型生活楼重量最轻，但其内部填充材料强度较弱，不适于恶劣的海上环境.板架型生活楼多用于自升式及半潜式等移动式平台，而桁架型是目前导管架平台生活楼最常见的形式，其主体结构一般采用高腹板H型钢，立柱采用圆管或H型钢，外壁采用斜撑及波纹板的组合形式[3].近期多个大型导管架平台设计表明，这种结构不仅用钢量大，造成成本增加，而且斜撑的布置会极大程度地限制生活楼外壁的开窗位置，影响上部人员的工作环境和舒适性[4].
王胜等[1]提出将移动式平台采用的板架型生活楼结构用于导管架平台，设计了板架式生活楼的底层强力板架，实现生活楼板架结构与平台上部组块的有效连接.宋杰等[5]针对控制海上生活楼结构重量的问题，对生活楼外壁材料进行改良，在满足规范要求的前提下合理降低生活楼重量.上述工作虽然可能在一定程度上降低生活楼结构的重量，但并未考虑波纹板承载，因此，减重效果有限.
波纹板是一种经冷加工成型的压型板，其沿波纹和垂直于波纹方向的力学性质具有明显差异，是一种各向异性板[6]，相对于普通平板具有良好的力学特性.郭彦林等[7]研究了波纹腹板在纯压和纯弯作用下的力学特性，证实了其具有良好的抗面外弯曲能力;对于波纹钢板墙，近年来国内外学者通过实验验证了其具有较大的抗弯刚度和抗压刚度，屈曲性能较优[8-9];Farzampour等[10]研究表明，波纹钢板剪力墙具有较高的抗塑性变形能力;陶旭[11]基于ANSYS从板格层面验证了导管架平台生活楼常用波纹板具有类似的力学性能;在此基础之上，李润野[12]采用ANSYS建立导管架平台整体生活楼结构，对比分析了不同生活楼模型在自重、地震加速度等垂向载荷以及侧向风载荷作用下的生活楼变形和应力;考虑波纹板非线性效应，国内外学者就波纹板的极限承载能力进行进一步的实验和数值分析，对波纹板极限承载能力的分析方法给出一定指导意义[13-14].
本文基于前人对波纹板力学性质的研究，首次提出取消生活楼斜撑、充分利用波纹板对结构提供有效支撑的设计方案.以导管架平台120人生活楼为例，采用SACS建立该生活楼的三维有限元模型，通过计算，对比波纹板和斜撑对生活楼刚度和强度的贡献，证实了生活楼取消斜撑结构设计方案的可行性和合理性，研究成果为生活楼结构设计和重量优化提供了可行的方案和技术支持.
1基于SACS的波纹板模拟
SACS软件在加强筋选项卡中提供了波纹板的功能，在Precede操作页面中定义波纹板的各参数如图1所示，其中：A表示波纹板高度;B表示波纹板宽度;C表示波纹板跨距;D表示波纹板厚度.
利用上述功能，在SACS中定义波纹板各尺寸，建立导管架平台生活楼局部框架波纹板模型，其长为5.76,m，高为3.5,m.为对比不同网格划分密度对波纹板计算结果的影响，建立4种不同网格密度的框架波纹板模型，如图2所示.其中模型a不对波纹板进行划分;模型b水平方向将波纹板划分为4段，竖直方向划分为2段，波纹板网格尺度为1.44,m×1.75,m;模型c水平方向将波纹板划分为9段，竖直方向划分为5段，网格尺度约为0.64,m×0.70,m，水平方向近似等于波纹板一个波形的长度;模型d网格最为精确，水平方向将波纹板划分为55段，竖直方向划分为35段，网格尺度约为0.10,m×0.10,m.
在SACS中定义2种工况，其中工况1为沿波纹的均布加载，工况2为沿波纹的三角形载荷，2种工况的总载荷均为48,kN.分别提取4种模型在2种工况下的最大等效应力和最大位移，并以模型d的计算结果为基准，分别计算4种模型在2种工况下的最大等效应力差值和最大位移差值，结果如表1所示.
由表1的计算结果可知，模型a和模型b的波纹板网格划分较稀疏，便于建模，但计算结果误差较大.模型d为基准模型，其网格密度最精确，但建模工作量较大.模型c计算得到的等效应力和位移与基准模型最接近，即采用模型c的网格尺寸已具有足够的精度且可在一定程度上提高建模效率.综合考虑工程建模的可操作性与计算效率精度，推荐采用模型c，即采用近似一个波纹长度的正方形网格尺寸对波纹板进行模拟.
2生活楼结构整体有限元模型某导管架平台生活楼层高3.5,m，共计5层，带有直升机飞机甲板，其主尺度参数为：L=31,m，B=11.5,m，H=17.5,m.生活楼结构由主梁、立柱、垂向撑杆、斜撑和甲板板组成，生活楼四周外壁及内部各房间隔板为波纹板结构，其中靠近平台主体结构一侧的外壁为防爆波纹板，其余为普通波纹板.
为论证本文提出的生活楼取消斜撑的新型结构设计方案，建立该生活楼的3种有限元模型：模型1为框架波纹板模型，该模型采用上述推荐波纹板网格划分尺寸建立了波纹板围壁，未建立垂向斜撑.模型纹板进行模拟
2为框架斜撑模型，该模型建立了垂向斜撑，未建立波纹板围壁，是目前导管架平台生活楼结构常用分析方法.模型3为框架无斜撑模型，是一个虚拟模型，作为对照，该模型的垂向斜撑和波纹板围壁均未建立.
3计算结果及波纹板斜撑的影响分析
根据文献[15]，对3种生活楼模型进行在位工况下的对比分析，结构载荷包括自重、活载荷、设备载荷、风载荷和直升机载荷，其中直升机重量为10.8,t，其降落载荷根据《DNVRulesforClassificationofShips：Part6》[16]进行确定.考虑最不利组合工况及相应的组合系数，共计得到88种载荷组合工况.提取3种模型在各组合工况下的最大变形并对3种模型各类杆件和模型1的波纹板进行强度分析.
4结论
本文综合对比分析了波纹板和垂向斜撑对导管架平台生活楼结构的强度和刚度贡献，得出结论如下：
(1)提出生活楼取消斜撑的结构设计方案，该方案不仅能满足规范设计要求，而且波纹板对生活楼框架有着比斜撑更优的刚度和强度贡献，且对于危险工况而言，其贡献度更加明显，从结构刚度、强度和波纹板强度3方面验证了生活楼取消斜撑的可行性.
(2)生活楼取消斜撑后，考虑波纹板承载，在采用SACS建立波纹板结构时，本文推荐采用近似一个波纹长度的正方形网格尺寸对波纹板进行模拟，以满足工程计算效率和建模精度.
(3)结构取消斜撑后，生活楼靠波纹板与主立柱和甲板梁联合承载，高应力区域转变为生活楼底层主立柱根部，且该位置处波纹板应力水平亦较高，是生活楼采用取消斜撑设计时应重点关注的区域.
