海洋工程浮式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

張欣宇++張培培

摘 要：網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有重量輕、工業(yè)化程度高、整體強度剛度大、制造施工方面等特點，隨著海洋技術(shù)的發(fā)展，逐漸被應(yīng)用于海洋工程中。通過對公共建筑和工業(yè)建筑中廣泛應(yīng)用的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行選型分析，選定浮式正放四角錐網(wǎng)架結(jié)構(gòu)為計算模型，利用有限元ABAQUS軟件進(jìn)行力學(xué)建模和數(shù)值模擬，通過AQUA海工模塊施加海洋環(huán)境荷載，根據(jù)應(yīng)力的大小和應(yīng)力最大值出現(xiàn)的位置分析海洋環(huán)境荷載對結(jié)構(gòu)局部構(gòu)件影響，并分析結(jié)構(gòu)整體的受力特性。

關(guān)鍵詞：浮式網(wǎng)架結(jié)構(gòu) ABAQUS 正放四角錐

中圖分類號：P75 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）03（b）-0066-02

近年來，隨著各國對海洋資源的開發(fā)從近海走向深海，大型浮式結(jié)構(gòu)為滿足強度要求和安全性而不斷增加設(shè)計、制造、施工難度和成本，已經(jīng)難以有效發(fā)揮作用。由于海洋工程中傳統(tǒng)的實體式結(jié)構(gòu)投資大、施工周期長、受自然條件限制且維修較難，相比之下，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有重量輕、工業(yè)化程度高、整體強度剛度大、制造施工方面等特點，隨著海洋技術(shù)的發(fā)展，將其引入到海洋工程中 ，一般可用作人工島嶼上用于物資存儲的大型倉庫等建筑物[1]、海洋石油半潛式平臺、Spar和張力腿平臺、浮動機場、跨海浮橋、浮動碼頭、水上工廠倉儲、水上游樂場、浮式人工島、海上城市等海洋超大型浮式結(jié)構(gòu)物（VLFS）的浮體結(jié)構(gòu)[2]。

海洋環(huán)境中，波浪是結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要控制荷載，為有效利用海上空間、開發(fā)海洋資源，將網(wǎng)架結(jié)構(gòu)引入到海洋環(huán)境中，針對實際參考的海洋水文條件施加海工模塊AQUA動力荷載，計算結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，分析結(jié)構(gòu)的受力特性。

1 數(shù)值模擬分析

1.1 模型尺寸及參數(shù)

正放四角錐三層網(wǎng)架結(jié)構(gòu)高度為2H=30m，平面尺寸為200m×200m，由水平桿、斜桿及球節(jié)點構(gòu)成。水平桿長14.3m，外徑為2m，壁厚0.02m；斜桿桿長23.1m，外徑2m，壁厚為0.02m，斜桿與水平面夾角為50°球節(jié)點外徑為6m，壁厚為0.025m。浮式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)件均為鋼桿，選取Q235鋼，鋼材密度為7 850kg/m3，彈性模量為210GPa，泊松比0.3，許用應(yīng)力為235MPa。選定的分析對象為浮式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)中心處的一榀網(wǎng)架如圖一所示，結(jié)構(gòu)透視圖如圖二所示，自由水面位于結(jié)構(gòu)高度一半處。

1.2 海洋水文條件

根據(jù)南海某工程實例，波高Hs=6.5m，波浪周期Ts=8s，海面流速v0=1.1m/s，水深d=1 000m，設(shè)計風(fēng)速v=40m/s[3]，假定流速隨水深成線性遞減趨勢。在海工模塊AQUA中，波浪數(shù)據(jù)可通過讀取用戶自定義的UWAVE子程序獲得，該文采取線性Airy波理論[4]，通過編輯inp文件施加波浪力[5]及各種海洋環(huán)境荷載。

2 結(jié)果分析

考慮到波浪力、海流力作用方向為Y方向，對結(jié)構(gòu)在自重力、浮力、上部承載、海流力、拖曳力、慣性力和波浪力共同作用下Y方向的應(yīng)力進(jìn)行計算分析，計算結(jié)果如圖三所示。結(jié)果顯示在Y方向結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值約為0.58MPa，所有應(yīng)力均小于鋼材的需用應(yīng)力，最大值出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂層斜桿與邊緣球節(jié)點連接處附近。頂層角點附件桿件應(yīng)力值與其它部位相比較大，這是由于邊界條件對該區(qū)域構(gòu)件有一定的約束作用，同時給結(jié)構(gòu)露出水面部分施加AQUA動力荷載時考慮了伴生力的作用，故該區(qū)域結(jié)構(gòu)應(yīng)力值較大。

3 結(jié)語

通過對浮式網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模型的有限元分析和計算，可看出在海洋環(huán)境荷載作用下，結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力分布較均勻，應(yīng)力較大區(qū)域主要集中在頂層斜桿與球節(jié)點連接處附近，為使結(jié)構(gòu)整體受力合理，為實際的工程應(yīng)用提供一定的參考，在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合具體的工程要求，保證結(jié)構(gòu)強并處理好應(yīng)力值與許用應(yīng)力的關(guān)系，可采取改變局部構(gòu)件的尺寸參數(shù)等措施來提高結(jié)構(gòu)的有效承載力。

參考文獻(xiàn)

[1] 翟鋼軍，劉建明.平板網(wǎng)架結(jié)構(gòu)模糊優(yōu)化設(shè)計在海洋工程中的應(yīng)用[J].中國海洋平臺，2005，20（5）：21-25，50.

[2] 嚴(yán)建軍.海洋工程的新型浮式結(jié)構(gòu)—浮式網(wǎng)格結(jié)構(gòu)[J].中國海洋平臺，2008，23（4）：38-40.

[3] 李中，楊進(jìn)，曹式敬，等.深海水域鉆井隔水管力學(xué)特性分析[J].石油鉆采工藝，2007，29（1）：19-21.

[4] 吳家鳴，郁苗，朱良生.桁架式近海結(jié)構(gòu)物整體波浪荷載分析[J].華南理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009，37（11）：1-6.

[5] 康啊真，祝兵，邢帆，等.超大型結(jié)構(gòu)物受波浪力作用的數(shù)值模擬[J].工程力學(xué)，2014（8）.