SACS軟件考慮波紋板強度的結構設計方法研究

 

　　波紋式板材，簡稱波紋板，其截面一般為梯形或者弧形，有的也帶有卷邊或者加勁肋，一般是由平鋼板經(jīng)輥壓冷彎成，以板的折曲來代替加強筋的作用，提高其面外剛度和穩(wěn)定性，具有輕質、高強、美觀、耐用、施工簡便、抗震等優(yōu)點，在建筑、船舶與海洋工程、航空航天等行業(yè)應用廣泛。

 

　　生活樓模塊是海洋石油鉆采平臺上保障海洋石油生產(chǎn)和人員生活的重要結構物。一般生活樓內外墻壁均采用梯形波紋板設計建造。目前國內海洋固定平臺生活樓的設計方法，仍以傳統(tǒng)的框架加斜撐型式為主，不考慮鋼質內外墻壁的剛度貢獻，也不核算其設計強度和穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的設計方法與假定條件導致結構用鋼量大，不僅浪費材料而且加工藝復雜，增加設計與預制施工的難度和工作量，并且影響生活樓的內外舾裝工作[1]。

 

　　已有的海洋結構物設計和建造經(jīng)驗表明，與四周梁柱框架可靠連接的鋼質波紋板內外墻壁因其具有較大的面內抗剪能力，可對主體框架結構起到較大的加強作用，提高結構的空間整體性。因此，在生活樓結構設計時考慮波紋板貢獻，對提高主框架剛度和強度，以及優(yōu)化生活樓結構均具有重要意義[1]。但目前應用于生活樓波紋板的設計準則和校核方法還不完善，本文以某平臺生活樓的梯形波紋板設計研究成果為依據(jù)，較完善的提出了波紋板結構設計方法，指導設計人員開展波紋板設計工作。

 

 

　　波紋板結構可以是全尺寸建模，也可以等效為正交各向異性平板。全尺寸建模復雜費時，網(wǎng)格和單元較多，計算機性能要求高，該方法一般用于精細的局部分析，以及作為對比驗證分析的基準模型。等效為正交各向異性平板方法在保證模擬精度的情況下，大大減少建模工作量，降低計算機需求，適合工程應用[1][2][3]。

 

 

　　依據(jù)經(jīng)典彈性理論，正交各向異性板平面應力狀態(tài)下的應力—應變關系為：
 

 

　　式中，、分別為局部坐標下、軸方向的彈性模量；為局部坐標下軸方向泊松比，指在單軸作用下向的單位拉/壓應變導致的向壓/拉應變；是與垂直方向的泊松比。為等效剪切模量。

 

　　依據(jù)相關文獻可知，對于四周與框架有效連接的波紋板，各參數(shù)計算公式為[1][2][3][4][5][6]：

 

　

 

　　式中，、、為波紋板材料的彈性模量、剪切模量、泊松比，為等效正交各向異性板關于軸（截面中性軸）的慣性矩，為波紋板關于軸（截面中性軸）的慣性矩，其他符號見圖2。對于正交各向異性平板的靜力平衡方程、幾何方程以及邊界條件的處理，與普通的彈性理論平面應力問題一致。

 

 

　　有限元法每個單元和位移的一般表達式為：

 

　　

 

　　式中，單元剛度矩陣，其一般形式為：

 

　　

 

　　式中，稱為“幾何矩陣”，表征節(jié)點位移與節(jié)點應變之間關系。稱為“彈性矩陣”，表征節(jié)點應變與節(jié)點應力之間的關系。為單元體積。

 

　　對于平面等厚單元，不隨、變化，且為常數(shù)，上式可以簡化為：

 

　

 

　　式中，為板單元面積。單元剛度矩陣可表達為：

 

　　

 

　　式中，為拉壓剛度，為剪切剛度，為彎曲剛度，為扭轉剛度。

 

　　波紋板不同的邊界條件、波形和假定條件，都會影響剛度矩陣表達式[4][5][6]，這里僅給出Samanta和Mukhopadhyay[4]對四周有效支撐梯形波紋板的推導結果：

 

 

 

　　SACS和ANSYS是海洋結構物設計常用軟件，SACS自帶的加筋板模塊能夠自動將波紋板等效為正交各向異性板，ANSYS則能夠方便建立全尺寸的基準模型，本節(jié)用ANSYS全尺寸模型驗證SACS等效模型的準確性。

 

　　算例以門型框架為例，框架立柱為Ф610×19/25mm，框架型鋼為H300，波紋板尺寸如圖3所示?？蚣茼敳啃弯撌?5kN/m豎直向下線荷載，立柱底部固定約束，如圖4。表2結果表明，兩種建模方法位移和應力相符，如圖5。SACS等效方法能夠較準確的模擬波紋板剛度，推薦設計使用。

 

　　

 

 

　　通過SACS軟件建立合理的波紋板計算模型，進行計算分析可得到波紋板的內力、位移、應力和應變等結果。將這些結果帶入規(guī)范公式進行驗算，可驗證波紋板設計是否滿足規(guī)范要求。一般來說，波紋板強度校核有以下幾種方法。

 

 

　　波紋板可取一個波距截面等效為單槽梁構件，按照規(guī)范要求計算截面特性，再按照構件強度或者構件承載力公式校核其拉彎或壓彎組合作用下的強度，這種方法稱為等效構件強度校核。比如槽型波紋板可將截面等效為單槽梁構件[8]。

 

 

　　全尺寸建模的波紋板可以按照板格的屈服失效準則來校核其強度。按照第2.3節(jié)結論，采用SACS等效為正交各向異性平板建模也可以采用這種方法。

 

　　板材屈服校核要求為：

 

　

 

　　式中，為槽翼板或槽腹板的屈服強度，為安全系數(shù)，為等效米塞斯應力（von-misesstress），一般取板單元形心處的中面應力（薄膜應力）。如果不能直接獲得，也可通過下式計算：

 

　

 

　　式中，和為板單元、方向的應力，為板單元方向的剪應力[9]。

 

 

　　波紋板的屈曲校核也可以從等效構件和板格兩個角度來考慮。波紋板截面一般為非緊湊截面，除了需要考慮整體屈曲校核外，還應考慮翼板和腹板的局部屈曲，并且翼板和腹板還需要考慮有效寬度的折減[13]。

 

　　波紋板的屈曲失效，可能包括槽條的整體柱屈曲、槽條梁翼板的屈曲和槽條梁腹板的屈曲三種情況，其中槽條梁翼板和腹板的屈曲屬于局部屈曲[17]。如果等效為正交各向異性平板，還應包括整體板屈曲校核[18]。

 

 

　　波紋板在軸向壓應力作用下的整體屈曲失效可用柱屈曲進行校核，將截面等效為兩個1/2翼板和1個腹板組成的槽條構件，如圖7。軸向受壓的槽條構件屈曲衡準要求為：

 

　

 

 

　　波紋板的局部屈曲包括每一個翼板和腹板的板格屈曲。這里定義屈曲利用因子為施加的載荷與對應的許用屈曲能力之比，其衡準要求為：

 

　　

 

　　其中，為構件上施加的等效應力，為構件在各種屈曲模式下的屈曲能力，為屈曲安全系數(shù)，為結構發(fā)生失效時的應力倍增因子[17]。

 

　　對于每一個翼板和腹板，都應滿足板的極限應力狀態(tài)方程：

 

 

　　式中，和為施加在板格邊界上的正應力，為施加在板格邊界上的剪應力，和為沿著與屈曲板格長邊平行方向和短邊平行方向的極限屈曲應力，為極限屈曲剪應力，和為系數(shù)，為板的長細比參數(shù)，為安全系數(shù)，為上述每一個不同極限狀態(tài)在失效時的應力倍增因子[17]。

 

 

　　波紋板的整體板屈曲是將波紋板整體等效為正交各向異性平板，再用平板的屈曲公式校核整塊波紋板的雙向受壓和受剪，其衡準要求為：

 

　

 

　　式中，為最大許用強度利用率系數(shù)，和為在波紋傳播方向和波紋垂直方向軸向受壓極限屈曲應力。和的計算考慮了正交各向異性平板等效剛度的影響[18]。

 

 

　　在波紋板結構設計時，將其等效為正交各向異性板是可行的。這種方法可以與現(xiàn)有桿梁建模方法相結合，大大簡化建模過程，減少計算工作量。采用SACS波紋板建模方法設計的某平臺120人生活樓，優(yōu)化掉全部斜撐，節(jié)省鋼材約50噸，占生活樓用鋼量約7%，且降低了房間墻壁開門、開窗等舾裝工作難度和焊接工作量。

 

　
 

　　本文較完整的提出了考慮波紋板強度的結構設計方法，該方法可以有效降低鋼材消耗量和舾裝工作量，提高經(jīng)濟效益，推薦應用于生活樓、組塊等海上結構物設計。同時，該方法既可以用于完整建模分析結構設計，也可以用于等效成正交各向異性板建模分析結構設計，具有較強的適用性。

 

 

　　[1]張樹德,朱本瑞,楊樹耕等.導管架平臺生活樓波紋板等效模型研究[J].船舶工程,2017(8):69-73.

 

　　[2]周學軍,張之峰.壓型鋼板等效為正交各向異性板的有限元分析[J].鋼結構,2010(8):35-37,72.

 

　　[3]盧廣達,王夢蔚,黃丹.梯形壓型鋼板在面內荷載作用下的正交各向異性等效計算[J].建筑結構,2014(17):20-23.

 

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