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(fēng)的侵襲，為改善施工環(huán)境，提高工作效率，現(xiàn)利用公司的余廢料設(shè)計(jì)出一座工棚來滿足現(xiàn)場的生產(chǎn)需要。工程設(shè)計(jì)需滿足以下要求：

第一：因工棚地處海邊，可能會收到臺風(fēng)的影響，這就要求工棚結(jié)構(gòu)牢固可靠，可以抵御強(qiáng)風(fēng)。

第二：為了實(shí)際上產(chǎn)需要，在靠近固有建筑一側(cè)設(shè)置敞開式構(gòu)造，留出過車道用來工棚的進(jìn)料和出料。

第三：考慮到工棚內(nèi)噪音的擴(kuò)散、焊接等施工過程中產(chǎn)生的有害粉塵的快速擴(kuò)散和工棚的實(shí)際作用，在工棚的另外一側(cè)敷設(shè)2.2米高的鋼瓦楞板用于抵御寒風(fēng)，上面為敞開式構(gòu)造。

圖1為整個(gè)工棚三維模型：

圖1 工棚整體效果圖

整個(gè)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(gè)工棚的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，本文采用SACS軟件來進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的計(jì)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(jié)構(gòu)分析的一套軟件工具，目前已發(fā)展成為當(dāng)今海事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中應(yīng)用最為廣泛的軟件系統(tǒng)[1]。Bentley SACS軟件包含多個(gè)互相兼容的分析程序，不僅適用于各類海事結(jié)構(gòu)分析，也適用于各種民用建筑結(jié)構(gòu)分析。SACS軟件內(nèi)置美國鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范(API RP 2A-WSD)，ISO 19902，丹麥、英國、歐洲等22個(gè)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，在后處理過程中，可以直接選擇采取哪個(gè)規(guī)范進(jìn)行校核。軟件具有建模速度快，可視化程度高，對計(jì)算機(jī)要求低等優(yōu)點(diǎn)。

SACS軟件計(jì)算分析主要分為以下幾個(gè)步驟：(1)建立節(jié)點(diǎn)，設(shè)置桿件截面形式及材料屬性；(2)連接節(jié)點(diǎn)，賦予桿件相關(guān)屬性；(3)設(shè)置約束條件，施加荷載；(4)選擇校核規(guī)范，設(shè)置計(jì)算輸出結(jié)果；(5)查看結(jié)果，校核結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度。

2.2 計(jì)算模型的建立

圖2 工棚SACS模型

為校核整個(gè)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度是否滿足相關(guān)規(guī)范的要求，在本文中，忽略了基座對工棚結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，只對工棚的柱體和棚頂在相關(guān)荷載作用下的強(qiáng)度和剛度進(jìn)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(chǔ)上，工棚所受到的荷載主要有結(jié)構(gòu)自重，風(fēng)荷載(下部圍擋受到的風(fēng)荷載q下和上部頂棚受到的風(fēng)荷載q上)和頂棚受到的雪荷載q雪，如圖3所示。

3.2 風(fēng)荷載

工棚處于我司廠區(qū)內(nèi)，靠近海邊，常年受到海風(fēng)的侵襲，夏天還經(jīng)常受到臺風(fēng)的影響，為保證整個(gè)工棚結(jié)構(gòu)牢固可靠，選用12及風(fēng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度校核。

表1為風(fēng)速等級表。

表1 風(fēng)速等級表

從表1可以看出，12級風(fēng)的風(fēng)速為32.6～36.9m/s，在軟件計(jì)算中，為保守計(jì)算，取12級風(fēng)速上限即36.9m/s。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范[2]，垂直于物體表面上的風(fēng)載荷，應(yīng)按下式計(jì)算：

其中：ρ——空氣密度，kg/m3；

μ——風(fēng)速，m/s；

CS——體型系數(shù)；

A——風(fēng)向投影面積。

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

經(jīng)計(jì)算得：下面圍擋所受的風(fēng)載荷為F下=209.8kN，上面棚頂所受到的風(fēng)荷載為F上=97.65kN，在模型中，下面的風(fēng)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(fēng)荷載簡化為節(jié)點(diǎn)處的集中荷載，每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的集中荷載為：q上=7.51kN。

3.3 雪荷載

根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012[3]，屋面水平投影面上的雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下式計(jì)算：

其中：Sk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2；

μr——屋面積雪分布系數(shù)，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(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.2kN/m2，進(jìn)一步可以計(jì)算出工棚所受到的風(fēng)荷載為74.8kN，模型中，風(fēng)荷載簡化為棚頂結(jié)構(gòu)梁上的線荷載，每根梁上收到的線荷載為：q雪=1.11kN/m。

4 計(jì)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(fēng)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(fēng)雪作用。

在本文軟件計(jì)算校核過程中，忽略基座對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響，支柱連接基座出進(jìn)行全約束處理，計(jì)算過程利用API RP 2A-WSD規(guī)范來進(jìn)行校核。在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算中，UC(unity check)值是衡量結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否安全的一個(gè)重要指標(biāo)。軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力與其容許應(yīng)力的比值之和小于1，且剪應(yīng)力與其容許應(yīng)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(gè)防沉板的強(qiáng)度在吊裝過程中是安全的。即：

為材料的屈服強(qiáng)度；Fa為桿件軸向應(yīng)力，F(xiàn)by為桿件平面內(nèi)彎曲應(yīng)力，F(xiàn)bz為桿件平面外彎曲應(yīng)力，F(xiàn)v為桿件的剪切應(yīng)力。

4.2 工況一的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析結(jié)果

在工況一的作用下，整個(gè)工棚的應(yīng)力云圖和位移云圖見圖4。

圖4 工況一作用下，工棚的應(yīng)力和位移云圖

通過圖4可以看出，在12級風(fēng)的正面作用下，整個(gè)工棚的最大UC值為0.67，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析結(jié)果

在工況二的作用下，整個(gè)工棚的應(yīng)力云圖和位移云圖見圖5。

圖5 工況二作用下，工棚的應(yīng)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(gè)工棚的最大UC值為0.134，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，節(jié)點(diǎn)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析結(jié)果

在工況三的作用下，整個(gè)工棚的應(yīng)力云圖和位移云圖見圖6。

圖6 工況三作用下，工棚的應(yīng)力和位移云圖

通過圖6可以看出，在極端天氣即暴風(fēng)雪的作用下，整個(gè)工棚的最大UC值為0.67，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，節(jié)點(diǎn)最大豎向位移為1.279cm，滿足工棚的剛度要求。

5 抗傾覆計(jì)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(xiàn)場利用余廢料做成基座，整個(gè)工棚焊接在基座上?；饕怯蒆350的型鋼，上面敷設(shè)PL20的鋼板焊接而成，整個(gè)基座重為97.8T，工棚重為48.6T。在抗傾覆計(jì)算過程中，工況一為最危險(xiǎn)工況。計(jì)算模型見圖7。

根據(jù)GB50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，抗傾覆安全系數(shù)須≥1.6，即可認(rèn)為整個(gè)結(jié)構(gòu)是安全的，本工棚的抗傾覆安全系數(shù)為：

圖7 抗傾覆計(jì)算模型

由上式計(jì)算結(jié)果可知，整個(gè)工棚的抗傾覆安全系數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，是安全的。

6 結(jié)論

通過對工棚的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、抗傾覆能力的計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：

(1)本文設(shè)計(jì)的工棚是符合設(shè)計(jì)要求的，通過SACS軟件在海洋工程中多年的應(yīng)用，可知SCAS軟件在本文中的應(yīng)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(guī)范進(jìn)行校核。

(3)在SACS軟件計(jì)算中，可選擇某一個(gè)規(guī)范進(jìn)行校核，避免了由于利用多個(gè)規(guī)范進(jìn)行校核而帶來的偏差，使計(jì)算結(jié)果更嚴(yán)謹(jǐn)。

(4)為保證工棚的正常應(yīng)用，須對工棚進(jìn)行一年一次的年檢，避免結(jié)構(gòu)因銹蝕帶來的強(qiáng)度的損壞。