徐行天，柳博瀚，鮑 健，張瑩瑩，陳正壽，3

(1.浙江海洋大學(xué)船舶與機電工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.浙江海洋大學(xué)港航與交通運輸工程學(xué)院，浙江舟山 316022；3.海岸和近海工程國家重點實驗室，大連理工大學(xué)，遼寧大連 116024)

為滿足在風(fēng)雨環(huán)境下大型場地作業(yè)施工要求，兩側(cè)無遮蔽(或部分遮蔽)的半遮蔽式大跨度門式剛架在船舶與海工企業(yè)中廣泛使用。由于較輕的自身結(jié)構(gòu)重量、較大的柔韌性、較小的阻尼以及較低的自振頻率等諸多特性因素，輕鋼剛架結(jié)構(gòu)在強風(fēng)、暴雨/雪等惡劣環(huán)境下破壞嚴重。因此，風(fēng)荷載是進行門式剛架優(yōu)化設(shè)計時必須考慮的因素之一[1]。我國東南沿海地區(qū)是世界上遭受臺風(fēng)災(zāi)害最嚴重的地區(qū)之一，門式剛架遭遇臺風(fēng)破壞嚴重的報道屢見不鮮。以2004年為例，超強臺風(fēng)“云娜”在浙江溫嶺登陸，導(dǎo)致7.562×106m2的工業(yè)廠房被嚴重破壞，其中2.722×106m2發(fā)生倒塌[2]，因此，研究門式剛架在臺風(fēng)中的可靠性具有直接的工程實際意義。國內(nèi)外學(xué)者對臺風(fēng)作用下門式剛架的穩(wěn)定性做了多方面研究，金玉芬等[3]進行臺風(fēng)災(zāi)后調(diào)研，提出臺風(fēng)作用下門式剛架的風(fēng)致破壞模式，并用數(shù)值仿真分析了其破壞特點，從施工角度分析原因并提出了相應(yīng)的風(fēng)災(zāi)防御建議。張瑩瑩等[4]通過數(shù)值模擬手段驗證了門式剛架風(fēng)雨棚結(jié)構(gòu)減壓、抗傾覆性能。JANG，et al[5]、DUTHINH，et al[6]分別采用非線性有限元和基于風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)庫的方法研究了美國沿海地區(qū)門式剛架的極限承受能力，對比分析不同版本的ASCE規(guī)范和風(fēng)洞實驗數(shù)據(jù)后，做出了安全性評估。

舟山作為中國的第一大群島城市，臺風(fēng)登陸頻繁。臺風(fēng)一旦發(fā)生不僅風(fēng)力大、破壞力強，且次生災(zāi)害多，易對居民的生命以及財產(chǎn)造成巨大損失。另外，強風(fēng)對造船廠和海工裝備建造企業(yè)廣泛采用的半遮蔽式門式剛架的破壞也較為嚴重，因此分析門式剛架在臺風(fēng)下的可靠性變得尤為重要。本文以舟山某海工企業(yè)擬建造的半遮蔽式門式剛架結(jié)構(gòu)為例，通過有限元建模方法，計算并分析大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)在多年一遇風(fēng)荷載作用下的傾覆力矩、結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力以及剪切力分布等情況，提出相應(yīng)的改進措施以保證門式剛架在多年一遇風(fēng)荷載下的抗傾安全。

1 結(jié)構(gòu)概況

舟山地區(qū)屬于A類地貌，在50 a一遇的臺風(fēng)級別下，基本風(fēng)壓為0.85 kPa。本文擬分析的大跨度門式剛架結(jié)構(gòu)為雙坡變截面、單層、單跨、沿固定軌道可行走、自由拼接半遮蔽式門式剛架結(jié)構(gòu)。其中門式剛架容積為(25×25×20)m3，柱間距5 m屋面采用雙坡面形式，坡角為1/15。梁柱采用beam189工字型鋼，面板則使用塑鋼彩瓦，數(shù)值模擬過程中采用Shell181板單元。鋼材選用低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼Q345B，其具有強度高，低溫時沖擊韌性好的特點，可作為重要焊接構(gòu)件使用。

剛架結(jié)構(gòu)的有限元建模完全基于原型實際尺寸，自重可以根據(jù)實際情況計算得出。屈服應(yīng)力主要參照低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼Q345B的設(shè)計強度值fy=310 MPa；根據(jù)前文工程概況中關(guān)于剛架截面的闡述進行有限元建模，詳細的門式剛架計算模型如圖1所示；建模完成后，對剛架模型各主要構(gòu)件交匯處施加固定鉸支約束[l9][10]，其中門式剛架結(jié)構(gòu)受風(fēng)面兩側(cè)使用輪-軌式接觸支撐。

圖1 變截面門式剛架計算模型和各部分重量分配示意圖Fig.1 Finite element model of gabled frame and weight distribution of each part

2 基本荷載及計算方法

2.1 荷載規(guī)范

風(fēng)荷載體型系數(shù)是來流風(fēng)作用于建筑表面的壓力或吸力與來流風(fēng)速度之比，通常我國建筑風(fēng)荷載體型系數(shù)設(shè)計主要參照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009-2001(簡稱荷載規(guī)范)，受周圍環(huán)境、建筑體型、地面粗糙情況等因素影響。此外，風(fēng)荷載的標準值以及基本風(fēng)壓均參照現(xiàn)行荷載規(guī)范。門式剛架風(fēng)荷載的標準值公式如下：

式中：Wk—作用在門式剛架表面塑鋼彩瓦上的風(fēng)荷載標準值，單位為kN·m-2；ω0—基本風(fēng)壓，單位為kPa，由規(guī)范規(guī)定值乘以1.05，一般以N年重現(xiàn)期計算[8]，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)分析，舟山地區(qū)50 a一遇重現(xiàn)期對應(yīng)的基本風(fēng)壓值為0.85(T-50)；μs—風(fēng)荷載體型系數(shù)；μz—風(fēng)壓高度變化系數(shù)；βz—高度為z處的風(fēng)振系數(shù)，βz=1.0。

舟山屬于A類地貌，其風(fēng)壓高度變化系數(shù)公式為：

根據(jù)荷載規(guī)范，門式剛架迎風(fēng)面載荷體型系數(shù)為0.8，背風(fēng)面為-0.5，順風(fēng)向體型系數(shù)為1.3，門式剛架的集中荷載F為：

其中A表示剛架的受風(fēng)面積。

2.2 風(fēng)荷載計算

本文分析的門式剛架結(jié)構(gòu)在其軌道行走方向上 (以Y軸為參考)前后無遮蔽，在該方向上的風(fēng)力不受遮擋。因此，臺風(fēng)來臨時主要受力面為左右兩側(cè)以及屋頂。如圖2所示，根據(jù)公式3、4，計算迎風(fēng)面AB處與受風(fēng)面法線方向(即X軸方向)平行的壓力F1、F2。其中F1為0～10 m區(qū)段的壓力值，F(xiàn)2為10～20 m區(qū)段的壓力值。v隨著高度的增加而增加且風(fēng)速越大風(fēng)壓越小，在高度為10 m時速度不再變化，風(fēng)壓均勻分布。

圖2 半遮蔽式門式鋼架結(jié)構(gòu)受力情況及重量示意圖Fig.2 Diagram of stresses and weights of half shelter-type steel frame structure

當(dāng)屋頂與地面的夾角為小于15°時，μS取-0.5[8]。本文中門式剛架的屋頂與地面的夾角為3.81°，如圖2所示，其中區(qū)間[m-n]為門式剛架的受力高度，h為合力的作用位置，l為結(jié)構(gòu)占地寬度，計算迎風(fēng)面處的F1、F2(F1、F2方向與迎風(fēng)面垂直)得：

F3作用在面AB上，且與AB面垂直，方向斜向上。

3 半遮蔽式門式剛架的抗傾穩(wěn)定性分析

3.1 穩(wěn)定性分析

在對半遮蔽式門式剛架結(jié)構(gòu)進行形變分析之前，需先驗證其在強風(fēng)作用下的抗傾覆性能?，F(xiàn)計算50 a一遇臺風(fēng)工況下的抗傾安全系數(shù)，對比理論系數(shù)校驗該結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能是否滿足要求。根據(jù)圖1中的各截面尺寸和梁結(jié)構(gòu)的長度值，可以計算得剛架4個面的重量：

來流速度與門式剛架之間的夾角為攻角，當(dāng)臺風(fēng)垂直吹向該結(jié)構(gòu)的豎直面，即與X方向平行時，整個結(jié)構(gòu)承受的水平風(fēng)壓最大[9]，以背風(fēng)面與地面接觸點為力矩計算原點，該工況下傾覆力矩最大；由于該門式剛架結(jié)構(gòu)為沿軌道行走的移動式門式剛架系統(tǒng)，無法錨地固定，因此在臺風(fēng)工況下，該結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩由其結(jié)構(gòu)自重提供。此門式剛架結(jié)構(gòu)并非特別重要的建筑，也不屬于對風(fēng)荷載敏感的高層建筑。由于門式剛架周圍有大型施工機械和電力電氣設(shè)施，從保護周圍大型重要結(jié)構(gòu)物角度考慮，需要計算在50 a一遇臺風(fēng)強度下的抗傾安全性[10]?；谝陨峡紤]，按照50 a一遇臺風(fēng)工況下的抗傾覆力和傾覆力矩來校核其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[l1-12]，如表1。

表1 N年一遇工況下門式剛架的傾覆與抗傾覆力矩Tab.1 Values of OM and AM of portal frame under one year conditions kN

3.1.1 傾覆力矩

傾覆力矩計算公式如(4)式所示。

H為力F到轉(zhuǎn)心E的垂直距離。

50 a一遇臺風(fēng)級別計算結(jié)果：

T1、T2、T3為不同壓力段內(nèi)的傾覆力矩，Ttatal為總傾覆力矩。

3.1.2 抗傾覆力矩

抗傾覆力矩計算公式如(5)式所示。

因此 TR=12 543.32 kN·m。TR表示結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩，PG1、PG2、PG3分別為 AB、BC、CD 3 個面的重量。參考對安全性要求高的海洋平臺抗傾安全系數(shù)[11]、相關(guān)經(jīng)驗系數(shù)和船廠實際安全性的要求，選取抗傾安全系數(shù)為1.5。50 a一遇強臺風(fēng)工況下，安全系數(shù)僅為1.363，尚無法滿足較高層次的抗傾安全要求。根據(jù)實際工程要求，需要考慮采用加固措施，并驗算加固方法的可行性。

3.2 加固措施的驗算

在加固方案中，選擇了實際工程施工中簡便易行且不妨礙正常結(jié)構(gòu)行走運行的地錨加固措施，即在剛架的迎風(fēng)面和背風(fēng)面兩側(cè)各加兩根錨索，錨索直徑的選擇以滿足抗傾穩(wěn)定性為基本原則。按照每側(cè)2根錨索提供的額外力矩和結(jié)構(gòu)自重提供的抗傾覆力矩剛好等于Ttatal50乘以抗傾安全系數(shù)1.5進行核算。

T′R為該門式剛架抗傾安全系數(shù)滿足1.5時實際所需的抗傾覆力矩，Ttatal50為50 a一遇臺風(fēng)下門式剛架的傾覆力矩。則在該工況下，地錨需要提供的額外力矩值為：

則每條鋼索需要提供的拉力值為：

鋼索的直徑公式為：

求得?=10.2 mm，其中，T′為兩側(cè)鋼索分別所需要提供的拉力值，A′為所求得鋼的截面積，本文所用的鋼類型為Q345B，屈服應(yīng)力的設(shè)計強度值fy=310 MPa，?為所需鋼索的直徑，π取3.14。

據(jù)以上計算結(jié)果，建議選擇實際直徑為15 mm的繩索。地錨加固措施不僅用最簡便的方案使得現(xiàn)有門式剛架結(jié)構(gòu)的抗傾能力達到要求，還節(jié)約了抗傾成本，減少人力、物力的浪費。

4 門式剛架的受力分析

4.1 應(yīng)力分析

海洋工程的設(shè)計常以50 a一遇的最大風(fēng)速或100 a一遇的最大風(fēng)速作為設(shè)計風(fēng)速，進行結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性設(shè)計標準。半遮蔽式門式剛架為非特別重要海洋工程機構(gòu)，因此只需要滿足50 a一遇強臺風(fēng)作用下的結(jié)構(gòu)強度和抗傾穩(wěn)定性要求就可以。門式剛架結(jié)構(gòu)雖然不是重要建筑，但仍屬于對風(fēng)荷載敏感的結(jié)構(gòu)物，因此不僅需要確保其滿足50 a一遇強臺風(fēng)下抗傾覆性的安全要求，還需進一步校驗該剛架結(jié)構(gòu)在極端工況下構(gòu)件局部強度是否會達到屈服極限。在考慮剛架的風(fēng)荷載體型系數(shù)的前提下，簡化計算模型，以多年一遇工況下的風(fēng)荷載理論計算值為基本荷載施加于該結(jié)構(gòu)各面，計算得剛架的局部最大變形與最大應(yīng)力值，具體分析結(jié)果如表2，應(yīng)力分布如圖3、4所示。

表2 臺風(fēng)狀態(tài)下門式剛架的最大變形與最大應(yīng)力Tab.2 Maximum deformation and stress

由表2及Q345B型鋼的屬性知，其設(shè)計強度值為310 MPa，即使是在50 a一遇強臺風(fēng)的作用下，門式剛架的最大變形也在彈性變形允許的范圍內(nèi)，符合文獻[11]的形變要求，滿足系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)強度需求。

從圖3可以看出，50 a一遇臺風(fēng)作用下，門式剛架最大變形為11.11 cm。最大變形發(fā)生在屋頂正中心處，此處為500×200×10×16的工字鋼，材料為Q345B型鋼，其最大位移是重力與風(fēng)荷載共同作用下的位移形變。規(guī)范所允許的彈性伸長量為33.495 cm，由于50 a一遇臺風(fēng)下工字鋼的最大變形量為11.11 cm，小于33.495 cm，可以認為50 a一遇臺風(fēng)工況下的彈性形變在允許范圍內(nèi)。

從圖4可以看出，該結(jié)構(gòu)的應(yīng)力最大為134 MPa，發(fā)生在迎風(fēng)面底部的外側(cè)面處，具體為圖中所示的第一個數(shù)值工字鋼的底部，遠小于310 MPa的屈服強度。

圖3 50 a一遇臺風(fēng)下門式剛架的變形圖Fig.3 Deformation comparison of portal frame under conditions of T-50

圖4 50 a一遇臺風(fēng)下門式剛架的應(yīng)力最大處Fig.4 Maximum stress point of portal frame under T-50

4.2 結(jié)構(gòu)強度分析

門式剛架在50 a一遇臺風(fēng)工況下的剪切力分布如圖5所示。

式中：E-材料的楊氏彈性模量；v-泊松比，hw-平均腹板高度；tw-腹板厚度；kτ-剪切屈曲系數(shù)。

式中：a-加勁肋間距，a取值一般在hw～2 hw之間。

經(jīng)計算 τcr≥301.88 MPa＞τy，因此該門式剛架結(jié)構(gòu)強度在50 a一遇臺風(fēng)級別下的抗剪能力滿足設(shè)計要求。

圖5 50 a一遇臺風(fēng)下門式剛架的剪切力分布圖Fig.5 Shear force distribution of portal frame under T-50

5 結(jié)論

通過有限元建模，計算了一種造船用雙緩坡屋頂大跨度半遮蔽式門式剛架結(jié)構(gòu)在多年一遇風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)強度，并分析其可靠性，得到如下結(jié)論：

(1)50 a一遇臺風(fēng)下門式剛架的抗傾安全系數(shù)不能滿足工程安全要求，可采取地錨加固的措施以保證門式剛架在靜止狀態(tài)下的穩(wěn)定性。

(2)門式剛架在50 a一遇臺風(fēng)作用下，最大形變、最大應(yīng)力、剪切力均滿足靜應(yīng)力的結(jié)構(gòu)強度要求；另外，經(jīng)驗算該門式剛架楔形梁結(jié)構(gòu)的抗剪承載力滿足鋼規(guī)的設(shè)計要求。