雙層自行式施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

趙鵬飛，夏利娟，楊秀禮，王 磊

(1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240; 2. 高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240; 3. 中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040; 4. 長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430014；5. 公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心，湖北 武漢 430014)

雙層自行式施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

趙鵬飛1, 2，夏利娟1, 2，楊秀禮3, 4, 5，王 磊1, 2

(1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240; 2. 高新船舶與深海開(kāi)發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240; 3. 中交第二航務(wù)工程局有限公司，湖北 武漢 430040; 4. 長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430014；5. 公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心，湖北 武漢 430014)

以一種適合港口施工作業(yè)的新型自行式施工平臺(tái)為研究對(duì)象，介紹了該型平臺(tái)特點(diǎn)與工作流程。根據(jù)其工作行走狀態(tài)及載荷特點(diǎn)，使用有限元方法分析多工況下平臺(tái)的結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度，并根據(jù)規(guī)范進(jìn)行平臺(tái)和樁腿結(jié)構(gòu)屈曲評(píng)估。該平臺(tái)由上下兩層平臺(tái)組合而成，針對(duì)此平臺(tái)上下層接觸的特點(diǎn)，探討了不同類型MPC，ABAQUS接觸分析的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。研究對(duì)自行式海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)具有借鑒意義，并對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算研究提供了一定參考。

自行式平臺(tái)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估；有限元計(jì)算；接觸分析

Abstract: This paper introduces an innovative self-moving platform which is suitable for offshore practical construction. The characteristics and working process of this platform are also described in detail. According to its working and moving characteristics and load conditions, the structure of this platform is calculated using FEM in order to check the yield strength. The buckling strength assessment of the platform and legs is conducted according to the rules for the classification. Because the platform is composed of upper platform and lower platform, two MPC methods and ABAQUS calculation are compared to simulate the contact between them so as to calculate more precisely. As a result, the research will be helpful to the design of self-moving platform and provide reference on the structure calculation of platform.

Keywords: self-moving platform; structure strength assessment; FEM; contact analysis

自行式施工平臺(tái)是一種能夠獨(dú)立移動(dòng)，并為海上施工作業(yè)提供支持和生活保障的一類海洋工程結(jié)構(gòu)物。自行式施工平臺(tái)工作時(shí)將平臺(tái)主體沿樁腿提升至水面以上，大大降低風(fēng)浪對(duì)平臺(tái)的影響，因此能夠在惡劣海況下工作。且該平臺(tái)不需要輔助船只轉(zhuǎn)移，具有機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，作業(yè)效率高的特點(diǎn)。在海上風(fēng)電安裝、港口航道作業(yè)、跨海橋隧施工等領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛[1]。Smith于1973年發(fā)明一種自行式多功能平臺(tái)，能廣泛運(yùn)用于離岸、沼澤、苔原等復(fù)雜地形，這是雙層自行式平臺(tái)的初始形態(tài)[2]。該專利被國(guó)內(nèi)外廣泛引用，并改良為新型的自行式海洋施工平臺(tái)。在雙層自行式施工平臺(tái)應(yīng)用領(lǐng)域，荷蘭FURGO公司擁有Sea walker平臺(tái)，中交第二航務(wù)工程局有限公司在該平臺(tái)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了多型多功能自行式施工平臺(tái)，應(yīng)用于橋墩、港口等樁基鉆孔施工工作[3]。

受限于制造成本，自行式施工平臺(tái)在我國(guó)應(yīng)用罕見(jiàn)。王揚(yáng)介紹了國(guó)內(nèi)外多種自升式水上施工平臺(tái)的發(fā)展與應(yīng)用[1]。徐杰提出了包括自行式施工平臺(tái)在內(nèi)的多種自升式施工平臺(tái)[3]。但國(guó)內(nèi)外針對(duì)自行式施工平臺(tái)，尤其是雙層自行式施工平臺(tái)的結(jié)構(gòu)分析的研究成果相對(duì)較少。因此以一座我國(guó)自主設(shè)計(jì)，為港口樁基施工的雙層自行式海洋施工平臺(tái)為例，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)屈服、屈曲和接觸強(qiáng)度評(píng)估，為自行式施工平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核提供參考。

1 自行式平臺(tái)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該自行式施工平臺(tái)整體由上下兩層平臺(tái)組成，每層平臺(tái)擁有四根柱體式樁腿且布置在四個(gè)角點(diǎn)上。上層為工作平臺(tái)。上層平臺(tái)可擱置于下層平臺(tái)，下層平臺(tái)也可通過(guò)牛腿結(jié)構(gòu)懸掛于上層平臺(tái)。因此上下兩層平臺(tái)可相互支撐，且平臺(tái)通過(guò)縱向油缸和橫向油缸實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的相對(duì)移動(dòng)[3]。平臺(tái)主框架為箱形梁結(jié)構(gòu)，上層平臺(tái)以大型工字鋼為強(qiáng)橫梁。該平臺(tái)為施工平臺(tái)裝備，未入船級(jí)。

1.1平臺(tái)移動(dòng)過(guò)程

平臺(tái)站立時(shí)以八根樁腿支撐，當(dāng)平臺(tái)縱向移動(dòng)時(shí)，首先下層平臺(tái)通過(guò)升降機(jī)構(gòu)收起樁腿直至脫離海床面1～2 m；以上層平臺(tái)為支撐，利用縱向油缸頂推下層平臺(tái)縱向移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)至極限位置時(shí)，通過(guò)下層平臺(tái)升降機(jī)構(gòu)下放樁腿并完成預(yù)壓。按照同樣的步驟，收起上層平臺(tái)樁腿，以下層平臺(tái)為支撐，利用縱向油缸頂推上層平臺(tái)縱向移動(dòng)，當(dāng)上層平臺(tái)移動(dòng)至極限位置時(shí)，下放樁腿并預(yù)壓，完成一個(gè)完整的縱向自行式流程，如圖1所示。橫向移動(dòng)方式與縱向移動(dòng)類似。

圖1 平臺(tái)縱向移動(dòng)過(guò)程Fig. 1 Longitudinal moving process of the platform

1.2平臺(tái)有限元模型

建立上層平臺(tái)、下層平臺(tái)和樁腿結(jié)構(gòu)有限元模型，上、下層平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。模型采用板梁結(jié)構(gòu)，其中甲板板、甲板強(qiáng)橫梁，箱形梁、樁腿等主要結(jié)構(gòu)采用4節(jié)點(diǎn)板單元模擬，局部采用3節(jié)點(diǎn)三角形單元過(guò)渡；縱骨、桁材面板等采用一維梁?jiǎn)卧M。在Patran建模過(guò)程中，截面對(duì)稱的一維單元采用General section單元；非對(duì)稱截面的一維結(jié)構(gòu)，由于中和軸與剪切中心不一致，采用CBEAM單元。計(jì)算結(jié)果中General section單元的軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力可單獨(dú)顯示，而采用CBEAM的單元只顯示軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的合成應(yīng)力。

圖2 平臺(tái)基本結(jié)構(gòu)示意Fig. 2 Essential structure plan of platform

2 工作狀態(tài)

由于自行式施工平臺(tái)設(shè)計(jì)為主要工作在港口等遮蔽海域，且平臺(tái)工作時(shí)遠(yuǎn)離水面，所受風(fēng)浪流載荷較小，因此在計(jì)算中不考慮風(fēng)浪流等環(huán)境載荷對(duì)平臺(tái)的影響，根據(jù)工作載荷進(jìn)行靜載工況結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接計(jì)算。自行式平臺(tái)有作業(yè)和行走等多種工作狀況，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核時(shí)需對(duì)自行式平臺(tái)工作過(guò)程進(jìn)行全面分析，所有作業(yè)和行走狀態(tài)如表1所示。

表1 平臺(tái)工作狀態(tài)Tab. 1 Load cases

實(shí)際計(jì)算了上層平臺(tái)、下層平臺(tái)移動(dòng)時(shí)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，上層平臺(tái)、下層平臺(tái)拔樁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和履帶吊工作區(qū)域工字鋼應(yīng)力等多種工況。當(dāng)下層平臺(tái)掛于上層平臺(tái)時(shí)牛腿結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大，但由于牛腿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度大，且下層平臺(tái)重力低于上層平臺(tái)的重力與作業(yè)載荷之和，計(jì)算結(jié)果表明牛腿結(jié)構(gòu)并不是最危險(xiǎn)部位。這里選取最危險(xiǎn)的兩種工況均為靜載工況，其載荷包括平臺(tái)自身重力，作業(yè)重力載荷和底部反力。且上層平臺(tái)與下層平臺(tái)的相對(duì)位置已經(jīng)達(dá)到油缸頂推極限位置，此時(shí)已無(wú)水平載荷。

下平臺(tái)重心位于形心，而上平臺(tái)重心偏向艏部左側(cè)，故整個(gè)平臺(tái)的受力最大的樁腿為1、5號(hào)樁腿(圖1所示)。下層平臺(tái)支撐上層平臺(tái)時(shí)，將上層平臺(tái)向5號(hào)樁腿移動(dòng)到極限位置，且將履帶吊移動(dòng)到距5號(hào)樁腿最近時(shí)，此時(shí)對(duì)5號(hào)樁腿最為不利，其受力達(dá)到最大值，將這個(gè)危險(xiǎn)工況視為工況1。

保持上下平臺(tái)的相對(duì)位置不變，模擬下層平臺(tái)支撐上層平臺(tái)且1號(hào)樁拔樁，為了降低5號(hào)樁腿的受力，將履帶吊移動(dòng)至左舷距離5號(hào)樁最遠(yuǎn)的位置。按照上述狀態(tài)，現(xiàn)對(duì)1號(hào)樁施加向下的拔樁力，使得5號(hào)樁腿受到的支反力達(dá)到工況1中受力水平，此時(shí)視為工況2。

線性結(jié)構(gòu)計(jì)算中使用MPC單元將上下層平臺(tái)在接觸面相連，非線性計(jì)算中則在接觸面設(shè)置接觸對(duì)。對(duì)平臺(tái)主體進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，在上下層平臺(tái)的固樁區(qū)內(nèi)建立質(zhì)量點(diǎn)模擬鋼樁，并將固樁區(qū)內(nèi)的圓柱面與質(zhì)量點(diǎn)通過(guò)RBE2單元相關(guān)聯(lián)。對(duì)每個(gè)工況施加邊界條件和對(duì)應(yīng)工況載荷。此時(shí)載荷包括平臺(tái)和樁腿重力，工作載荷和拔樁力等。工況1與工況2為平臺(tái)最為復(fù)雜和危險(xiǎn)的工作狀態(tài)，兩種計(jì)算工況及模型范圍如圖3所示。

圖3 計(jì)算工況與模型范圍Fig. 3 The calculation load cases and models

3 平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估

平臺(tái)建造中均使用高強(qiáng)鋼，板元許用等效應(yīng)力為284 MPa，許用剪應(yīng)力為139 MPa，梁?jiǎn)卧S用正應(yīng)力為238 MPa。中國(guó)船級(jí)社規(guī)范中要求板材屈服校核使用等效應(yīng)力：

與計(jì)算的板元Von Mises等效應(yīng)力一致。在計(jì)算工況中，由于計(jì)算模型為雙層平臺(tái)，此時(shí)兩層平臺(tái)接觸面積較小，接觸部分局部結(jié)構(gòu)單元將會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中。為準(zhǔn)確評(píng)估自行式平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，應(yīng)用兩種MPC模擬接觸進(jìn)行線性結(jié)構(gòu)計(jì)算，并使用ABAQUS進(jìn)行接觸非線性計(jì)算，分析并對(duì)比結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果。在結(jié)構(gòu)承受壓縮或者剪切時(shí)，還應(yīng)校核結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度。因此根據(jù)中國(guó)船級(jí)社規(guī)范對(duì)平臺(tái)和樁腿進(jìn)行屈曲規(guī)范計(jì)算分析。

3.1采用多點(diǎn)約束的線性強(qiáng)度評(píng)估

MPC又稱多點(diǎn)約束，它將某一節(jié)點(diǎn)的依賴自由度定義為其他若干節(jié)點(diǎn)獨(dú)立自由度的函數(shù)?？梢员碚魈囟ǖ奈锢憩F(xiàn)象，如剛性連接，鉸接，滑動(dòng)，也可以用于不相容單元之間的載荷傳遞[4]。Nastran中共定義了12種MPC，在計(jì)算中選取適用的RBE2與Sliding surface兩種MPC進(jìn)行計(jì)算并對(duì)比。

RBE2是將約束結(jié)構(gòu)剛度無(wú)限大的剛性單元。將幾個(gè)單元?jiǎng)傂赃B接在一起，可以模擬焊接，施加扭矩等[5]。在計(jì)算中，將上下接觸面節(jié)點(diǎn)視為非獨(dú)立點(diǎn)，接觸面中間設(shè)置獨(dú)立點(diǎn)，使上下接觸面六個(gè)自由度保持一致，可以將上下兩層平臺(tái)視為剛性固定，避免滑移和接觸面貫穿。使用RBE2單元可精確模擬上下平臺(tái)的相對(duì)位置關(guān)系，在有限元計(jì)算中應(yīng)用廣泛。但由于增加了MPC連接部位剛性，會(huì)造成約束周?chē)鷧^(qū)域的局部應(yīng)力集中。經(jīng)Nastran計(jì)算，工況1與工況2的板元最大Von Mises等效應(yīng)力均出現(xiàn)在MPC附近，同時(shí)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)小于MPC附近局部應(yīng)力，固樁區(qū)內(nèi)部Von Mises等效應(yīng)力水平較低，但固樁區(qū)與箱型梁交界處局部應(yīng)力偏大，最大Von Mises等效應(yīng)力出現(xiàn)在平臺(tái)主體箱型梁區(qū)域。兩種計(jì)算工況中板元最大Von Mises等效應(yīng)力和剪應(yīng)力均小于許用應(yīng)力的要求，結(jié)果如圖4所示。

圖4 使用RBE2單元Von Mises等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig. 4 The results using RBE2

平臺(tái)樁腿在拔樁和平臺(tái)行走過(guò)程中所受載荷最為嚴(yán)重，為保證平臺(tái)安全性，同樣需要對(duì)樁腿進(jìn)行屈服強(qiáng)度評(píng)估。平臺(tái)樁腿為加設(shè)環(huán)筋的圓柱殼結(jié)構(gòu)，且有四道垂向的加厚腹板；在計(jì)算中，樁腿與平臺(tái)主體通過(guò)樁腿插銷(xiāo)孔處的RBE2單元相連，約束樁腿底部和入泥部分共三向位移。應(yīng)力計(jì)算結(jié)果顯示，樁腿在工況2中Von Mises等效應(yīng)力局部最大為271 MPa，發(fā)生在與一個(gè)MPC相連的樁腿插銷(xiāo)孔中。除兩個(gè)樁腿插銷(xiāo)孔局部應(yīng)力偏大外，樁腿最大Von Mises等效應(yīng)力均小于200 MPa，板元Von Mises等效應(yīng)力滿足許用應(yīng)力的要求。樁腿結(jié)構(gòu)有限元模型與屈服應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 樁腿最大屈服應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig. 5 The maximum stress of legs on platform

Sliding surface是一種可以模擬接觸面滑移的MPC單元。在兩個(gè)相一致的區(qū)域節(jié)點(diǎn)之間，定義一個(gè)滑動(dòng)曲面，垂直于該曲面方向的移動(dòng)自由度被約束，其他方向的保持自由，使法向自由度剛性連接，切向可相對(duì)滑動(dòng)。滑移面定義下的應(yīng)力特征，能夠趨近于理想狀態(tài)下的接觸模型空間應(yīng)力分布[6]。該型MPC降低了接觸滑移有限元計(jì)算難度，相較于接觸非線性計(jì)算更為簡(jiǎn)單。但若接觸面完全采用sliding surface,將會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)計(jì)算約束不足，因此該型MPC需與RBE單元共同使用。因?yàn)橛?jì)算模型上下曲面節(jié)點(diǎn)要準(zhǔn)確匹配，所以在計(jì)算中，需修改局部結(jié)構(gòu)有限元單元，使上下曲面節(jié)點(diǎn)位置一致。在工況1與工況2中，在載荷較大的一號(hào)樁接觸面使用Sliding surface 單元，其余三個(gè)接觸面仍然采用RBE2單元。計(jì)算結(jié)果表明，使用這種MPC單元時(shí)，周邊仍出現(xiàn)部分單元的應(yīng)力集中。但相較于完全采用RBE2單元的方法，一號(hào)接觸面附近單元應(yīng)力變化更均勻，單元應(yīng)力分布與實(shí)際更接近。最大Von Mises等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 采用多點(diǎn)約束的最大Von Mises等效應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Tab. 2 The stress of linear calculation

3.2接觸非線性強(qiáng)度評(píng)估

為更加精確地評(píng)估平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，對(duì)計(jì)算工況采用接觸非線性分析，并與Nastran中的線性計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比。ABAQUS能夠模擬龐大的結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，處理高度非線性問(wèn)題[7]。首先在Patran中修改模型并導(dǎo)入ABAQUS，在兩層平臺(tái)接觸的部分設(shè)置接觸對(duì)，共計(jì)4個(gè)接觸對(duì)。設(shè)置上層平臺(tái)為主面，下層平臺(tái)為從面，按照縱骨間距確定主面網(wǎng)格，并對(duì)從面部分細(xì)化，保證主面不明顯穿透從面。肖乾等[8]指出干燥情況下輪軌的摩擦系數(shù)為0.3～0.5，并研究了從0.05～0.5的摩擦系數(shù)對(duì)輪軌滾動(dòng)接觸應(yīng)力的影響；顏東煌等[9]研究了從0.02～0.40的摩擦系數(shù)對(duì)滑動(dòng)接觸應(yīng)力的影響。研究結(jié)果均表明，摩擦系數(shù)對(duì)接觸面積、接觸區(qū)Mises應(yīng)力值和法向接觸應(yīng)力影響很小。將接觸對(duì)定義為有限接觸，同時(shí)為了保證計(jì)算的收斂性，設(shè)置鋼材間摩擦系數(shù)為0.45。選擇靜態(tài)、通用計(jì)算步，設(shè)置步長(zhǎng)增量。采用Standard模塊并經(jīng)過(guò)11此迭代，得到應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。工況1計(jì)算最大Von Mises等效應(yīng)力為109 MPa，工況2計(jì)算最大Von Mises等效應(yīng)力為115 MPa，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。與線性計(jì)算結(jié)果相比，接觸非線性分析避免了MPC帶來(lái)的局部單元應(yīng)力集中問(wèn)題，并且不會(huì)大滑移，平臺(tái)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果更加合理。

圖6 使用ABAQUS應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Fig. 6 The stress result using ABAQUS

與線性結(jié)構(gòu)計(jì)算相比，接觸非線性計(jì)算更加復(fù)雜。首先需要在接觸理論理解的基礎(chǔ)上，對(duì)計(jì)算結(jié)構(gòu)模型合理設(shè)定計(jì)算參數(shù)，不斷優(yōu)化才能得到最終結(jié)果。同時(shí)非線性計(jì)算運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng)，且結(jié)果不易收斂。非線性接觸計(jì)算有效減少了局部應(yīng)力集中，使平臺(tái)結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算更合理。線性計(jì)算應(yīng)用廣泛，對(duì)大型結(jié)構(gòu)物強(qiáng)度評(píng)估更簡(jiǎn)便。因此在工程中需綜合分析兩種計(jì)算，選擇合適的計(jì)算方法才能高效準(zhǔn)確地進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估。

3.3屈曲強(qiáng)度評(píng)估

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)規(guī)范》對(duì)平臺(tái)主體和樁腿進(jìn)行規(guī)范屈曲分析。板格屈曲校核中，首先找出計(jì)算工況中平臺(tái)甲板、箱型梁、固樁區(qū)等部位Von Mises等效應(yīng)力和剪應(yīng)力最大的板格；其次進(jìn)行板格臨界屈曲應(yīng)力的求解，并對(duì)板格理想彈性屈曲應(yīng)力進(jìn)行塑性修正[8]；最終根據(jù)板格屈曲強(qiáng)度衡準(zhǔn)判斷板格是否屈曲。

計(jì)算結(jié)果中，由于箱型梁和固樁區(qū)等部位設(shè)置了密集的加強(qiáng)筋和強(qiáng)框架，板格尺寸較小，在應(yīng)力最大的接觸區(qū)域，強(qiáng)度衡準(zhǔn)計(jì)算值為0.72，均滿足屈曲校核要求。由于甲板板厚較小，且在與箱型梁局部交界處縱骨間距過(guò)大，最大板格計(jì)算屈曲強(qiáng)度衡準(zhǔn)為4.15，大于規(guī)范要求。對(duì)此處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增設(shè)一道縱骨，便可以滿足屈曲要求。計(jì)算表明板格尺寸對(duì)板格屈曲影響最大，其次為板格厚度。因此板格屈曲優(yōu)化中優(yōu)先設(shè)置骨材，其次增加板厚。

同時(shí)，對(duì)于靜載工況構(gòu)件端部還應(yīng)滿足

根據(jù)計(jì)算工況中樁腿所受最大載荷進(jìn)行屈曲計(jì)算，樁腿屈曲規(guī)范計(jì)算值為0.90，端部規(guī)范計(jì)算結(jié)果為0.72；均滿足屈曲計(jì)算要求。同時(shí)使用Nastran對(duì)樁腿進(jìn)行整體屈曲分析。屈曲計(jì)算結(jié)果表明，樁腿最小屈曲因子為1.88，即屈曲臨界載荷為實(shí)際最大工作載荷的1.88倍，樁腿整體屈曲滿足安全性要求。

使用線性和非線性的方法對(duì)平臺(tái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度評(píng)估，結(jié)果顯示兩種方法的平臺(tái)整體應(yīng)力分布接近，結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布與載荷分布相一致，非線性計(jì)算的結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算結(jié)果較線性計(jì)算偏小。計(jì)算結(jié)果表明，存在應(yīng)力集中問(wèn)題的線性計(jì)算結(jié)果和非線性計(jì)算結(jié)果均滿足許用應(yīng)力要求。同時(shí)平臺(tái)接觸部位，上層平臺(tái)的強(qiáng)橫梁肘板在施工作業(yè)時(shí)應(yīng)力偏高，這些區(qū)域結(jié)構(gòu)需在平臺(tái)設(shè)計(jì)中加強(qiáng)；下層平臺(tái)的箱型梁與固樁區(qū)交界處應(yīng)力值偏大，因此該過(guò)渡區(qū)域需要優(yōu)化。屈曲計(jì)算中，結(jié)果顯示甲板與箱型梁交界處的板格尺寸過(guò)大，通過(guò)增加骨材避免板格屈曲，其余結(jié)構(gòu)均滿足規(guī)范屈曲要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

雙層自行式施工平臺(tái)是一種新型的海洋工程裝備，介紹了其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作狀態(tài)。在分析平臺(tái)工作、行走等多種狀態(tài)的基礎(chǔ)上，選取最復(fù)雜危險(xiǎn)的兩種工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度有限元分析，并依據(jù)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)屈曲強(qiáng)度評(píng)估。使用Nastran 中RBE2、Sliding surface兩種MPC進(jìn)行線性結(jié)構(gòu)計(jì)算，并使用ABAQUS進(jìn)行非線性接觸分析，對(duì)三種計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，指出三種計(jì)算方法的優(yōu)劣及適用性。通過(guò)結(jié)構(gòu)屈曲和屈曲計(jì)算，得到平臺(tái)真實(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平與結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域，提出優(yōu)化建議。可對(duì)未來(lái)自行式施工平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供一定參考，并對(duì)復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)接觸分析提供借鑒。

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Structural analysis of self-propelled working platform

ZHAO Pengfei1, 2, XIA Lijuan1, 2, YANG Xiuli3, 4, 5, WANG Lei1, 2

(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China; 3. CCCC Second Harbor Engineering Company, Wuhan 430040, China; 4. Key Laboratory of Large-Span Bridge Construction Technology, Wuhan 430014, China; 5. CCCC Highway Bridges National Engineering Research Center, Wuhan 430014, China)

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.04.004

1005-9865(2017)04-0029-07

2016-08-24

趙鵬飛(1992-)，男，河南安陽(yáng)人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇w結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與動(dòng)力學(xué)分析。E-mail: zhaopengfei@sjtu.edu.cn

夏利娟，女，副教授。E-mail：xialj@sjtu.edu.cn