高強小規格梁在平臺結構中的應用分析及建議

尹曉明，李 娟，張趙君，石 磊，盧 晶

（海洋石油工程股份有限公司 天津 300451）

當前，海上石油和天然氣的開采已經是我國自主能源供給的重要組成部分，海洋石油和天然氣能源的開采依靠海洋平臺的建設。我國已經步入深海油氣開發階段，國內最深的固定式平臺已達近300 m［1］。隨著水深的增加，其所處環境更加復雜惡劣，承受著多種隨時間和空間變化的隨機荷載，包括風、波、浪、海冰等荷載的聯合作用［2］。

由于海洋開采油氣區域的水深越來越深，上部平臺結構重量對下部支撐結構的影響變得越來越大，如何減輕上部結構重量是工程上急需解決的問題。近年來，高強鋼已經普遍應用于海洋工程中［3］，超高強鋼也開始應用到深水平臺中［4］，但工程上的小梁結構一般還是采用屈服強度為235 MPa的低強度鋼材，若能以屈服強度為355 MPa的高強度鋼材替換，同時降低小梁的規格，則可在一定程度上降低上部結構的重量。換成高強鋼小梁后，強度增加了51%，但能夠減少的重量往往達不到期待的效果。海洋平臺結構一般采用API［5］進行設計，按照AISC［6］規范進行結構校核，本文從結構校核規范著手，分析了影響梁受彎容許應力的各種影響因素，進而剖析高強小規格梁的適用情況，并對其在平臺結構中的應用提出了建議。

1 基于AISC 9th的梁承載力的理論計算

根據AISC 9th規范的要求，以及不同受壓翼緣的側向無支撐長度是否超過臨界長度LC，梁的受彎容許應力Fb有不同的計算方法。為了方便對比，下文對公式采用的英制單位進行了國際單位的轉換。

其中：bf為梁翼緣寬度（mm）；d為梁高度（mm）；Af為梁受壓翼緣面積（mm2）；Fy為梁的屈服強度（MPa）。

當受壓翼緣的側向無支撐長度不超過LC時，彎曲容許應力Fb取0.66Fy。在這種情況下可以看出，彎曲容許應力與鋼材屈服強度成正比，提高屈服強度可以明顯增加彎曲容許應力Fb值。

當受壓翼緣的側向無支撐長度超過LC時，根據L/rT不同的取值范圍分別計算Fb。

Fb按式（2）進行計算：

Fb按式（3）進行計算：

除了按式（2）（3）計算外，Fb還同時不應小于按式（4）計算出的數值。

其中：L為受壓翼緣的側向無支撐長度（mm）；rT為包含受壓翼緣和1/3 受壓腹板的截面回轉半徑（mm）；Cb為與彎矩斜率相關的彎曲系數。

從式（3）（4）可以看出，彎曲容許應力Fb的計算與屈服強度Fy無關，如果是由這2 個公式確定的Fb，則增加Fy對其沒有任何影響。

2 常用規格小梁的彎曲容許應力

海洋平臺結構中常用的小梁規格主要有H300×150×65×9、H350×175×7×11 和 H400×200×8×13，通常采用屈服強度為235 MPa的低強鋼。

對于小梁，工程上通常近似取小梁跨度為其側向無支撐長度，故本文根據不同跨度進行比較分析。

表1中給出了不同規格小梁的LC數值。當小梁跨度不超過LC數值時，彎曲容許應力取到最大值，即為0.66Fy。從表1 中數值可以看出，小梁規格越大，LC數值也相應變大，即彎曲容許應力能夠達到最大值的跨度范圍越來越大。

表1 不同規格小梁的LC數值Tab.1 Lc values of different specifications of secondary beams

圖1給出了這3 種規格小梁在不同跨度下的彎曲容許應力。從圖1 顯示的結果來看，同一規格的小梁，在最初較小跨度的情況下，曲線表現為水平直線，彎曲容許應力保持不變且維持到較大數值；之后彎曲容許應力隨著跨度的不斷增加，表現為先下降，接著出現一個小的水平段，隨后持續下降。除了初始段區域外，不同規格小梁在相同跨度下其規格越大對應的彎曲容許應力越高。

圖1 不同跨度小梁的彎曲容許應力比較Fig.1 Comparison of allowable bending stress of secondary beam under different spans

表2給出了不同跨度下3 種規格小梁的彎曲容許應力的具體數值。值得注意的是，對于H300 小梁，盡管在2 m跨度下十分接近其LC數值1 952 mm，但由于規范適用公式的變化，導致其彎曲容許應力從155 MPa下降到141 MPa，降幅高達10%。

表2 不同跨度下3 種規格小梁的彎曲容許應力Tab.2 Allowable bending stress of three kinds of secondary beams under different spans

根據圖1 和表2 中彎曲容許應力的變化趨勢，結合海洋平臺荷載的特點，為了充分發揮小梁的作用，建議工程上H400 小梁跨度最大不要超過5.5 m，較合適跨度為5 m；H350 小梁跨度最大不要超過5 m；H300 小梁跨度最大不要超過4.5 m，較合適跨度為4 m。

3 高強度小梁替代低強度小梁的應用分析

用355 MPa高強度小梁代替235 MPa低強度小梁，其屈服強度增加了51%，如能降低小梁規格，則可降低組塊重量、減輕荷載負擔，同時能夠在一定程度上降低工程費用。但實際情況中，往往會出現應用高強度小梁后，其強度UC卻沒有明顯改善的情況，無法降低小梁規格。

從圖2 可以看出，與低強小梁相比，彎曲容許應力變化趨勢大體一樣，只是中間缺少小的水平臺階，從最高值過后幾乎同一斜率下降。

圖2 355 MPa高強度小梁的彎曲容許應力比較Fig.2 Comparison of allowable bending stress for 355 Mpa secondary beam

圖3分別給出了355 MPa和235 MPa的H400 小梁的彎曲容許應力的比值。當跨度小于2 m時，高強梁的彎曲容許應力的增長率與屈服強度成正比，增大了1.51 倍；隨后增長幅度逐步下降，在跨度6 m的情況下，幾乎沒有增長；在5 m跨度下，增長約18%。根據以上分析，應用H400 高強小梁時，梁的跨度不超過5 m才能起到一定作用。

圖3 H400 規格高強與低強梁彎曲容許應力比值Fig.3 Comparison of allowable bending stress between highstrength H400 secondary beam and low-strength H400 secondary beam

工程上采用高強H350小梁替代低強H400小梁，如受力可以滿足，則可減少重量、降低工程費用。但從圖4 可以看出，替換成高強H350 之后，在1.5 m跨度前達到最大值，之后逐漸下降，在4.5 m跨度之后其彎曲容許應力比值已經＜1，即這部分范圍屈服強度的提高沒有起到任何作用。由圖4 還可以看出，屈服強度的提高并沒有抵消梁規格降低帶來的影響，對于常用的4～5 m跨度,考慮到截面抵抗矩降低，實際應力變大，用高強H350 小梁替代低強H400 小梁，其受力UC會變大，并不適合替換。但在一些荷載較大的區域，結構采用較小跨度小梁布置，可以采用高強小梁代替低強小梁，其效果較明顯。

圖4 高強H350 規格與低強H400 規格梁彎曲容許應力比值Fig.4 Comparison of allowable bending stress between highstrength H350 secondary beam and low-strength H400 secondary beam

同樣地，采用高強H300 小梁替代低強H350 小梁，從圖5 可以看出，在4 m 跨度之前比值＞1，之后均＜1，整個曲線的趨勢與圖4 基本相同。所以對于＞4 m跨度小梁采用高強H300 小梁替代低強H350 小梁也達不到理想效果。同樣在一些由于荷載較大結構布置了較小跨度小梁的區域，可以達到預期效果。

圖5 高強H300 規格與低強H350 規格梁彎曲容許應力比值Fig.5 Comparison of allowable bending stress between highstrength H300 secondary beam and low-strength H350 secondary beam

4 高強小梁應用建議

當工程上采用低強小梁時，根據彎曲容許應力的變化趨勢并結合海洋平臺荷載的特點，為了充分發揮小梁的作用：H400 小梁跨度最大不要超過5.5 m，較合適跨度為5 m；H350 小梁跨度最大不要超過5 m；H300小梁跨度最大不要超過4.5 m，較合適的跨度為4 m。

采用高強H350 小梁替代低強H400 小梁和采用高強H300 小梁替代低強H350 小梁時，因為降低了規格，所以在同樣荷載作用下，低規格梁由于截面抵抗矩等參數的降低，其實際應力會變大，而在常用跨度下，彎曲容許應力增長很小甚至降低，構件的受力UC會變大，導致很多構件計算不滿足要求，減重效果不明顯。但在一些荷載較大的區域，結構采用較小跨度小梁布置時，以高強小梁代替低強小梁的效果較明顯。■