海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)的承重詳細(xì)設(shè)計(jì)

摘 要：本文主要論述海上石油鉆井平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)在承重狀態(tài)下的詳細(xì)設(shè)計(jì)，以實(shí)際項(xiàng)目為例，介紹承重設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程以及相關(guān)軟件的應(yīng)用方法，目的在于提高設(shè)計(jì)人員的工作效率、減少錯(cuò)誤的發(fā)生。包括如下幾個(gè)部分：一、工況概述和初步設(shè)計(jì)；二、型材選用和結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算；三、節(jié)點(diǎn)分析和加強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：承重；有限元；UC值；節(jié)點(diǎn)

1 工況概述和初步設(shè)計(jì)

海上石油鉆井平臺(tái)是以鋼結(jié)構(gòu)為主體的多專(zhuān)業(yè)協(xié)同工作的采油平臺(tái)，鋼結(jié)構(gòu)作為承受所有荷載的載體，力學(xué)計(jì)算就成為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。本文以平臺(tái)改造項(xiàng)目為例，論述承重狀態(tài)下的詳細(xì)設(shè)計(jì)的基本方法和工作思路。

1.1 工況概述：平臺(tái)改造項(xiàng)目的目的是為了在平臺(tái)上增加一臺(tái)設(shè)備，以更好的進(jìn)行原油處理，減少資源浪費(fèi)。該設(shè)備重70噸外形尺寸為長(zhǎng)2米寬12米，放置于平臺(tái)東側(cè)，目前設(shè)備就位區(qū)沒(méi)有結(jié)構(gòu)，需要增加結(jié)構(gòu)放置設(shè)備。

1.2 初步設(shè)計(jì)：首先，要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，我們初步設(shè)計(jì)了28個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)的名稱(chēng)和坐標(biāo)如下：

設(shè)備放置于節(jié)點(diǎn)6、7、N、M圍成的方形區(qū)域內(nèi)。該設(shè)備的重量荷載是以面荷載的形式施加到節(jié)點(diǎn)6、7、N、M所連接的梁格上的。

2 型材選用和結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算

接下來(lái)可以選擇H型鋼了，由于該項(xiàng)目承重設(shè)備重量較大所以我們盡量選擇屈服強(qiáng)度較大的H型鋼進(jìn)行設(shè)計(jì)，大梁選用H588X300X12X20的H型鋼屈服強(qiáng)度355MPa，小梁選用H300X300X10X15的H型鋼屈服強(qiáng)度355MPa。將這兩種型鋼的數(shù)據(jù)輸入SACS5.2。

梁格的規(guī)格確定以后還要選擇甲板板的規(guī)格，按照規(guī)范選擇8毫米厚的碳素結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)為Q235B，輸入SACS5.2。

選擇好材料就可以開(kāi)始結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算了，我們先根據(jù)初步設(shè)計(jì)的藍(lán)圖建立SACS5.2的力學(xué)模型，經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)單靠H型鋼的懸臂結(jié)構(gòu)無(wú)法滿(mǎn)足該設(shè)備的承重要求，因此考慮增加斜撐，選擇直徑為273毫米壁厚為10毫米的20#鋼的無(wú)縫鋼管。同時(shí)需要增加兩個(gè)節(jié)點(diǎn)作為斜撐的支點(diǎn)，T號(hào)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（0，0，-4）

U號(hào)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)為（0，18，-4）。將斜撐的數(shù)據(jù)輸入SACS5.2。

接下來(lái)根據(jù)初步設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)建立力學(xué)模型，建模時(shí)注意梁格與甲板的偏置。

模型建立以后就可以施加荷載條件了，荷載區(qū)域?yàn)楣?jié)點(diǎn)6、7、N、M所圍成的長(zhǎng)方形區(qū)域其面積為Q=2×12=24平方米，設(shè)備的荷載大小為70噸相當(dāng)于70×9.8=686千牛頓，面荷載大小為686/24=28.6千牛頓每平方米，其荷載條件設(shè)定為1。結(jié)構(gòu)自重也需要設(shè)定荷載，其荷載條件設(shè)定為2。最后設(shè)定一個(gè)荷載條件3，其荷載大小為1號(hào)荷載乘以1.05再加上2號(hào)荷載乘以1.05，1.05為荷載的不確定系數(shù)。將3號(hào)荷載條件導(dǎo)入計(jì)算，得到所有梁格的應(yīng)力，根據(jù)報(bào)告顯示所有梁格UC值小于1，整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力符合規(guī)范要求。

3 節(jié)點(diǎn)分析和加強(qiáng)

通過(guò)了結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度計(jì)算，平臺(tái)的大概輪廓就確定下來(lái)了，那么接下來(lái)就應(yīng)該將設(shè)計(jì)進(jìn)一步細(xì)化。

首先，我們要確定梁格的組對(duì)關(guān)系。該項(xiàng)目我們選擇大梁斷小梁、縱斷橫不斷的原則來(lái)確定梁格的組對(duì)關(guān)系。

既然有了梁格接下來(lái)就可以鋪甲板板了，甲板板的設(shè)計(jì)要以實(shí)際采辦到的規(guī)格為準(zhǔn)。全部采用縱向擺放甲板板以減小焊接變形。根據(jù)規(guī)范，甲板板需距離平臺(tái)最外邊緣20毫米，這樣一來(lái)甲板板的設(shè)計(jì)就完成了。

在建立三維模型后先檢查一下結(jié)構(gòu)的合理性，我們發(fā)現(xiàn)斜撐和H型鋼的位置關(guān)系設(shè)計(jì)的并不合理，H型鋼沒(méi)有完全覆蓋斜撐。這樣是不符合規(guī)范的，因?yàn)樾睋喂軆?nèi)部是無(wú)法噴涂的，所以管內(nèi)部很容易被雨水和海水腐蝕。遇到這樣的問(wèn)題，我們可以將H型鋼向外加長(zhǎng)150毫米以確保覆蓋斜撐。

接下來(lái)我們還要對(duì)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行分析。在該項(xiàng)目的30個(gè)節(jié)點(diǎn)中只有21個(gè)自由節(jié)點(diǎn)，所以我們只計(jì)算這21個(gè)節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，下面僅以A號(hào)節(jié)點(diǎn)為例，論述節(jié)點(diǎn)分析與局部加強(qiáng)的方法，計(jì)算利用ANSYS10.0的shell單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。力學(xué)模型的建立用AUTOCAD2008來(lái)實(shí)現(xiàn)。

將A號(hào)節(jié)點(diǎn)的CAD模型以SAT格式導(dǎo)出，再導(dǎo)入ANSYS，輸入命令如下。

定義模型后分別給不同的截面劃分各自的網(wǎng)格，ANSYS模型就做完了，我們將大梁的兩邊施加全約束，然后就可以施加荷載了。我們可以利用前面的SACS計(jì)算結(jié)果找到每根梁施加給A號(hào)節(jié)點(diǎn)的荷載。

我們將上面A節(jié)點(diǎn)的荷載施加到ANSYS模型，得到應(yīng)力云圖，應(yīng)力的最大值236MPa，可見(jiàn)此處的應(yīng)力狀態(tài)雖然符合規(guī)范，但是還有點(diǎn)危險(xiǎn)，我們?yōu)榱吮Ｊ仄鹨?jiàn)還是要加強(qiáng)此處節(jié)點(diǎn)，由于應(yīng)力主要集中在小梁的下翼緣所以我們可以考慮在小梁的下翼緣處加一塊筋板，加筋板后計(jì)算出結(jié)果。我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)力集中已經(jīng)被轉(zhuǎn)移到別處去了，而且最大應(yīng)力已經(jīng)減小到179MPa，工況已經(jīng)很安全了。

我們將其它的節(jié)點(diǎn)逐一分析，最終確定了所有節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)形式，這樣我們的平臺(tái)結(jié)構(gòu)就全部確定下來(lái)了。至此我們就完成了全部詳細(xì)設(shè)計(jì)任務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]曾攀·有限元分析及應(yīng)用·1版·北京：清華大學(xué)出版社，2004。

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