SACS軟件在建筑行業中的應用

黃先超，姜立群，張 平，劉全剛，高 陽

(海洋石油工程(青島)有限公司 山東 青島 266555)

1 工程背景

我司為大型海洋工程建造場地，地處海邊，常年受到海風的侵襲，為改善施工環境，提高工作效率，現利用公司的余廢料設計出一座工棚來滿足現場的生產需要。工程設計需滿足以下要求：

第一：因工棚地處海邊，可能會收到臺風的影響，這就要求工棚結構牢固可靠，可以抵御強風。

第二：為了實際上產需要，在靠近固有建筑一側設置敞開式構造，留出過車道用來工棚的進料和出料。

第三：考慮到工棚內噪音的擴散、焊接等施工過程中產生的有害粉塵的快速擴散和工棚的實際作用，在工棚的另外一側敷設2.2米高的鋼瓦楞板用于抵御寒風，上面為敞開式構造。

圖1為整個工棚三維模型：

圖1 工棚整體效果圖

整個工棚是由H型鋼，角鋼、筋板、鋼板、瓦楞板等焊接而成，為校核整個工棚的結構強度，本文采用SACS軟件來進行強度和剛度的計算分析。

2 SACS軟件

2.1 SACS軟件介紹

SACS軟件是美國Engineering Dynamics公司為海洋平臺和土木工程提供結構分析的一套軟件工具，目前已發展成為當今海事結構設計分析中應用最為廣泛的軟件系統[1]。Bentley SACS軟件包含多個互相兼容的分析程序，不僅適用于各類海事結構分析，也適用于各種民用建筑結構分析。SACS軟件內置美國鋼結構規范(API RP 2A-WSD)，ISO 19902，丹麥、英國、歐洲等22個鋼結構設計規范，在后處理過程中，可以直接選擇采取哪個規范進行校核。軟件具有建模速度快，可視化程度高，對計算機要求低等優點。

SACS軟件計算分析主要分為以下幾個步驟：(1)建立節點，設置桿件截面形式及材料屬性；(2)連接節點，賦予桿件相關屬性；(3)設置約束條件，施加荷載；(4)選擇校核規范，設置計算輸出結果；(5)查看結果，校核結構強度和剛度。

2.2 計算模型的建立

圖2 工棚SACS模型

為校核整個結構的強度和剛度是否滿足相關規范的要求，在本文中，忽略了基座對工棚結構強度的影響，只對工棚的柱體和棚頂在相關荷載作用下的強度和剛度進行了分析，工棚SACS模型見圖2。

3 荷載分析

3.1 簡化模型

圖3 工棚受到的荷載

工棚建造完成后，整體焊接在由型鋼及鋼板焊接而成的基礎上，工棚所受到的荷載主要有結構自重，風荷載(下部圍擋受到的風荷載q下和上部頂棚受到的風荷載q上)和頂棚受到的雪荷載q雪，如圖3所示。

3.2 風荷載

工棚處于我司廠區內，靠近海邊，常年受到海風的侵襲，夏天還經常受到臺風的影響，為保證整個工棚結構牢固可靠，選用12及風進行結構強度和剛度校核。

表1為風速等級表。

表1 風速等級表

從表1可以看出，12級風的風速為32.6～36.9m/s，在軟件計算中，為保守計算，取12級風速上限即36.9m/s。

根據相關規范[2]，垂直于物體表面上的風載荷，應按下式計算：

其中：ρ——空氣密度，kg/m3；

μ——風速，m/s；

CS——體型系數；

A——風向投影面積。

在結構強度計算過程中，在風向和工棚長度方向垂直時為最不利工況，本文則對最不利工況進行了強度和剛度校核。在此工棚的分析過程中，風載荷主要分為兩部分：(1)下方圍擋所受到的風荷載；(2)工棚頂棚所受到的風荷載。由于裸露在外面的型鋼受風面積較小，所受到的風荷載可以忽略不計。

經計算得：下面圍擋所受的風載荷為F下=209.8kN，上面棚頂所受到的風荷載為F上=97.65kN，在模型中，下面的風荷載簡化為梁上的線荷載，每根梁上的線荷載為：q下=6.27kN/M，上部風荷載簡化為節點處的集中荷載，每個節點處的集中荷載為：q上=7.51kN。

3.3 雪荷載

根據建筑結構荷載規范GB50009-2012[3]，屋面水平投影面上的雪荷載標準值，應按下式計算：

其中：Sk——風荷載標準值，kN/m2；

μr——屋面積雪分布系數，此工程為1.0；

S0——基本雪壓(kN/m2)，山東青島50年一遇值為0.2。

帶入公式，得出此工棚風荷載標準值為0.2kN/m2，進一步可以計算出工棚所受到的風荷載為74.8kN，模型中，風荷載簡化為棚頂結構梁上的線荷載，每根梁上收到的線荷載為：q雪=1.11kN/m。

4 計算分析

4.1 工況分析

本文采取在軟件中分析了三種工況：

工況一：工棚正面遭受12級風作用；

工況二：工棚遭受50年一遇的雪荷載；

工況三：工棚承受上述兩種荷載，及暴風雪作用。

在本文軟件計算校核過程中，忽略基座對結構強度的影響，支柱連接基座出進行全約束處理，計算過程利用API RP 2A-WSD規范來進行校核。在結構強度計算中，UC(unity check)值是衡量結構強度是否安全的一個重要指標。軸向應力和彎曲應力與其容許應力的比值之和小于1，且剪應力與其容許應力的比值小于1，則UC<1。所以必須保證所有桿件的UC值均小于1.0才能保證整個防沉板的強度在吊裝過程中是安全的。即：

為材料的屈服強度；Fa為桿件軸向應力，Fby為桿件平面內彎曲應力，Fbz為桿件平面外彎曲應力，Fv為桿件的剪切應力。

4.2 工況一的結構強度和剛度分析結果

在工況一的作用下，整個工棚的應力云圖和位移云圖見圖4。

圖4 工況一作用下，工棚的應力和位移云圖

通過圖4可以看出，在12級風的正面作用下，整個工棚的最大UC值為0.67，滿足結構強度要求，節點最大橫向位移為1.26cm，滿足工棚的剛度要求。

4.3 工況二的結構強度和剛度分析結果

在工況二的作用下，整個工棚的應力云圖和位移云圖見圖5。

圖5 工況二作用下，工棚的應力和位移云圖

通過圖5可以看出，在50年一遇的雪荷載作用下，整個工棚的最大UC值為0.134，滿足結構強度要求，節點最大豎向位移為0.084cm，滿足工棚的剛度要求。

4.4 工況三的結構強度和剛度分析結果

在工況三的作用下，整個工棚的應力云圖和位移云圖見圖6。

圖6 工況三作用下，工棚的應力和位移云圖

通過圖6可以看出，在極端天氣即暴風雪的作用下，整個工棚的最大UC值為0.67，滿足結構強度要求，節點最大豎向位移為1.279cm，滿足工棚的剛度要求。

5 抗傾覆計算

由于工棚的重心偏高，跨度偏小，考慮到工棚的抗傾覆能力偏弱，現場利用余廢料做成基座，整個工棚焊接在基座上?；饕怯蒆350的型鋼，上面敷設PL20的鋼板焊接而成，整個基座重為97.8T，工棚重為48.6T。在抗傾覆計算過程中，工況一為最危險工況。計算模型見圖7。

根據GB50007-2011建筑地基基礎設計規范規定，抗傾覆安全系數須≥1.6，即可認為整個結構是安全的，本工棚的抗傾覆安全系數為：

圖7 抗傾覆計算模型

由上式計算結果可知，整個工棚的抗傾覆安全系數滿足設計要求，是安全的。

6 結論

通過對工棚的結構強度、剛度、抗傾覆能力的計算，可以得出以下結論：

(1)本文設計的工棚是符合設計要求的，通過SACS軟件在海洋工程中多年的應用，可知SCAS軟件在本文中的應用是成功和有效的，并且是可靠的。

(2)SACS軟件具有建模速度快，并可按照多種規范進行校核。

(3)在SACS軟件計算中，可選擇某一個規范進行校核，避免了由于利用多個規范進行校核而帶來的偏差，使計算結果更嚴謹。

(4)為保證工棚的正常應用，須對工棚進行一年一次的年檢，避免結構因銹蝕帶來的強度的損壞。