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(dāng)前，海上石油和天然氣的開采已經(jīng)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(shè)。我國已經(jīng)步入深海油氣開發(fā)階段，國內(nèi)最深的固定式平臺已達(dá)近300 m［1］。隨著水深的增加，其所處環(huán)境更加復(fù)雜惡劣，承受著多種隨時(shí)間和空間變化的隨機(jī)荷載，包括風(fēng)、波、浪、海冰等荷載的聯(lián)合作用［2］。

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

1 基于AISC 9th的梁承載力的理論計(jì)算

根據(jù)AISC 9th規(guī)范的要求，以及不同受壓翼緣的側(cè)向無支撐長度是否超過臨界長度LC，梁的受彎容許應(yīng)力Fb有不同的計(jì)算方法。為了方便對比，下文對公式采用的英制單位進(jìn)行了國際單位的轉(zhuǎn)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(qiáng)度（MPa）。

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

當(dāng)受壓翼緣的側(cè)向無支撐長度超過LC時(shí)，根據(jù)L/rT不同的取值范圍分別計(jì)算Fb。

Fb按式（2）進(jìn)行計(jì)算：

Fb按式（3）進(jìn)行計(jì)算：

除了按式（2）（3）計(jì)算外，F(xiàn)b還同時(shí)不應(yīng)小于按式（4）計(jì)算出的數(shù)值。

其中：L為受壓翼緣的側(cè)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(zhuǎn)半徑（mm）；Cb為與彎矩斜率相關(guān)的彎曲系數(shù)。

從式（3）（4）可以看出，彎曲容許應(yīng)力Fb的計(jì)算與屈服強(qiáng)度Fy無關(guān)，如果是由這2 個(gè)公式確定的Fb，則增加Fy對其沒有任何影響。

2 常用規(guī)格小梁的彎曲容許應(yīng)力

海洋平臺結(jié)構(gòu)中常用的小梁規(guī)格主要有H300×150×65×9、H350×175×7×11 和 H400×200×8×13，通常采用屈服強(qiáng)度為235 MPa的低強(qiáng)鋼。

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

表1中給出了不同規(guī)格小梁的LC數(shù)值。當(dāng)小梁跨度不超過LC數(shù)值時(shí)，彎曲容許應(yīng)力取到最大值，即為0.66Fy。從表1 中數(shù)值可以看出，小梁規(guī)格越大，LC數(shù)值也相應(yīng)變大，即彎曲容許應(yīng)力能夠達(dá)到最大值的跨度范圍越來越大。

表1 不同規(guī)格小梁的LC數(shù)值Tab.1 Lc values of different specifications of secondary beams

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

圖1 不同跨度小梁的彎曲容許應(yīng)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(guī)格小梁的彎曲容許應(yīng)力的具體數(shù)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(shù)值1 952 mm，但由于規(guī)范適用公式的變化，導(dǎo)致其彎曲容許應(yīng)力從155 MPa下降到141 MPa，降幅高達(dá)10%。

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

根據(jù)圖1 和表2 中彎曲容許應(yīng)力的變化趨勢，結(jié)合海洋平臺荷載的特點(diǎn)，為了充分發(fā)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(qiáng)度小梁替代低強(qiáng)度小梁的應(yīng)用分析

用355 MPa高強(qiáng)度小梁代替235 MPa低強(qiáng)度小梁，其屈服強(qiáng)度增加了51%，如能降低小梁規(guī)格，則可降低組塊重量、減輕荷載負(fù)擔(dān)，同時(shí)能夠在一定程度上降低工程費(fèi)用。但實(shí)際情況中，往往會(huì)出現(xiàn)應(yīng)用高強(qiáng)度小梁后，其強(qiáng)度UC卻沒有明顯改善的情況，無法降低小梁規(guī)格。

從圖2 可以看出，與低強(qiáng)小梁相比，彎曲容許應(yīng)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(qiáng)度小梁的彎曲容許應(yīng)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(yīng)力的比值。當(dāng)跨度小于2 m時(shí)，高強(qiáng)梁的彎曲容許應(yīng)力的增長率與屈服強(qiáng)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(jù)以上分析，應(yīng)用H400 高強(qiáng)小梁時(shí)，梁的跨度不超過5 m才能起到一定作用。

圖3 H400 規(guī)格高強(qiáng)與低強(qiáng)梁彎曲容許應(yīng)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(qiáng)H350小梁替代低強(qiáng)H400小梁，如受力可以滿足，則可減少重量、降低工程費(fèi)用。但從圖4 可以看出，替換成高強(qiáng)H350 之后，在1.5 m跨度前達(dá)到最大值，之后逐漸下降，在4.5 m跨度之后其彎曲容許應(yīng)力比值已經(jīng)＜1，即這部分范圍屈服強(qiáng)度的提高沒有起到任何作用。由圖4 還可以看出，屈服強(qiáng)度的提高并沒有抵消梁規(guī)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(shí)際應(yīng)力變大，用高強(qiáng)H350 小梁替代低強(qiáng)H400 小梁，其受力UC會(huì)變大，并不適合替換。但在一些荷載較大的區(qū)域，結(jié)構(gòu)采用較小跨度小梁布置，可以采用高強(qiáng)小梁代替低強(qiáng)小梁，其效果較明顯。

圖4 高強(qiáng)H350 規(guī)格與低強(qiáng)H400 規(guī)格梁彎曲容許應(yīng)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(qiáng)H300 小梁替代低強(qiáng)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(gè)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(qiáng)H300 小梁替代低強(qiáng)H350 小梁也達(dá)不到理想效果。同樣在一些由于荷載較大結(jié)構(gòu)布置了較小跨度小梁的區(qū)域，可以達(dá)到預(yù)期效果。

圖5 高強(qiáng)H300 規(guī)格與低強(qiáng)H350 規(guī)格梁彎曲容許應(yīng)力比值Fig.5 Comparison of allowable bending stress between highstrength H300 secondary beam and low-strength H350 secondary beam

4 高強(qiáng)小梁應(yīng)用建議

當(dāng)工程上采用低強(qiáng)小梁時(shí)，根據(jù)彎曲容許應(yīng)力的變化趨勢并結(jié)合海洋平臺荷載的特點(diǎn)，為了充分發(fā)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(qiáng)H350 小梁替代低強(qiáng)H400 小梁和采用高強(qiáng)H300 小梁替代低強(qiáng)H350 小梁時(shí)，因?yàn)榻档土艘?guī)格，所以在同樣荷載作用下，低規(guī)格梁由于截面抵抗矩等參數(shù)的降低，其實(shí)際應(yīng)力會(huì)變大，而在常用跨度下，彎曲容許應(yīng)力增長很小甚至降低，構(gòu)件的受力UC會(huì)變大，導(dǎo)致很多構(gòu)件計(jì)算不滿足要求，減重效果不明顯。但在一些荷載較大的區(qū)域，結(jié)構(gòu)采用較小跨度小梁布置時(shí)，以高強(qiáng)小梁代替低強(qiáng)小梁的效果較明顯?！?/p>