基于ANSYS的平臺(tái)生活樓波紋板結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

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(1.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司，上海 200335；2.天津大學(xué)，天津 300072)

基于ANSYS的平臺(tái)生活樓波紋板結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

康思偉1，薛海林1，孫振平1，朱本瑞2，陶旭2

(1.中海石油(中國(guó))有限公司上海分公司，上海 200335；2.天津大學(xué)，天津 300072)

考慮到平臺(tái)生活樓按框架式設(shè)計(jì)時(shí)，與四周的柱和梁可靠連接的波紋板結(jié)構(gòu)也可在一定程度上提供剛度，從而提高結(jié)構(gòu)承載力，結(jié)合現(xiàn)有平臺(tái)生活樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料，選取一定跨度、高度和波紋尺寸的波紋板結(jié)構(gòu)及一定尺寸的柱梁框架結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件得到波紋板結(jié)構(gòu)在2種不同外力作用形式下對(duì)四周柱梁框架的剛度、強(qiáng)度貢獻(xiàn)和自身應(yīng)力分布情況，分析波紋板在軸壓和剪力作用下的彈塑性屈曲特性，為改進(jìn)現(xiàn)有生活樓結(jié)構(gòu)計(jì)算模式，優(yōu)化生活樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

平臺(tái)生活樓；ANSYS；波紋板結(jié)構(gòu)

目前，國(guó)內(nèi)導(dǎo)管架式平臺(tái)生活樓主要以框架式為主[1]。近期多個(gè)大型平臺(tái)的設(shè)計(jì)表明，現(xiàn)有的生活樓，在設(shè)計(jì)時(shí)由于未計(jì)及鋼質(zhì)圍壁波紋板對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，生活樓斜支撐較多，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)用鋼量大，不僅浪費(fèi)了材料而且增加了預(yù)制施工的難度和工作量；也使寶貴的平臺(tái)空間不能得到高效利用，限制了平臺(tái)整體重心的調(diào)整。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，海上平臺(tái)整體尺度仍有增大的趨勢(shì)，這一系列問(wèn)題相互制約效應(yīng)逐年顯現(xiàn)，因此改良生活樓結(jié)構(gòu)、改進(jìn)現(xiàn)有的力學(xué)評(píng)估方式變得迫在眉睫。鋼結(jié)構(gòu)中常被看作圍護(hù)構(gòu)件的墻面板和屋面板，當(dāng)與邊緣構(gòu)件具有可靠連接時(shí)，也能參與結(jié)構(gòu)受力，提高結(jié)構(gòu)承載力，減小結(jié)構(gòu)變形，這種作用被稱(chēng)為圍護(hù)構(gòu)件的蒙皮效應(yīng)[2]。對(duì)平臺(tái)生活樓來(lái)說(shuō)，與4周柱梁框架結(jié)構(gòu)可靠連接的鋼質(zhì)圍壁波紋板由于在其自身平面內(nèi)具有很大的抗剪能力，其對(duì)主體框架結(jié)構(gòu)也可起到加強(qiáng)作用，并提高結(jié)構(gòu)的空間整體性[3-5]。因此研究波紋板對(duì)四周框架的剛度、強(qiáng)度貢獻(xiàn)，改良現(xiàn)有生活樓設(shè)計(jì)中的強(qiáng)度計(jì)算方法，在設(shè)計(jì)計(jì)算中充分考慮波紋板對(duì)主體框架結(jié)構(gòu)的支撐作用，將對(duì)優(yōu)化生活樓框架設(shè)計(jì)、改善現(xiàn)行生活樓的框架式設(shè)計(jì)方式所帶來(lái)的一系列問(wèn)題具有重要意義。

關(guān)于波紋板，國(guó)內(nèi)的研究工作主要是提出分析蒙皮支撐的鋼構(gòu)件靜力性能的有限元法[6]，通過(guò)試驗(yàn)及ANSYS等有限元軟件分析研究蒙皮板的剪切性能、受力蒙皮連接件的抗剪性能、鋼框架中蒙皮效應(yīng)的若干影響因素等[7-10]。

結(jié)合具體平臺(tái)生活樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料，選取一定跨度、高度及波紋尺寸的波紋板結(jié)構(gòu)及一定尺寸的柱梁框架結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件ANSYS進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析波紋板結(jié)構(gòu)在均布載荷、三角形載荷2種不同外力作用形式下對(duì)4周柱梁框架的剛度、強(qiáng)度貢獻(xiàn)及自身應(yīng)力分布情況，并對(duì)波紋板在軸壓作用下和在剪力作用下的彈塑性屈曲特性進(jìn)行討論，為改進(jìn)現(xiàn)有生活樓結(jié)構(gòu)計(jì)算模式，優(yōu)化生活樓結(jié)構(gòu)做準(zhǔn)備。

1 波紋板結(jié)構(gòu)有限元模型建立

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)合已經(jīng)建成的幾座導(dǎo)管架平臺(tái)生活樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料，統(tǒng)計(jì)整理平臺(tái)生活樓采用的鋼質(zhì)圍壁波紋板型號(hào)。5種型號(hào)波紋尺寸見(jiàn)圖1。

作為本文的研究對(duì)象，波紋板所選取的波紋形式為圖1中a)所示的波紋尺寸。此外，其他結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，如波紋板結(jié)構(gòu)跨度、波紋板結(jié)構(gòu)高度，以及與波紋板相連的框架結(jié)構(gòu)的相關(guān)尺寸也同樣選自對(duì)應(yīng)平臺(tái)生活樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)資料。

圖1 導(dǎo)管架平臺(tái)生活樓常用鋼質(zhì)圍壁波紋板波紋尺寸

取波紋板結(jié)構(gòu)跨度5.2 m；高度3.2 m；與波紋板相連的上下H形梁均為梁高0.3 m、翼緣寬0.3 m、腹板厚為0.01 m、翼緣厚為0.015 m，與波紋板相連的左立柱取為外徑0.406 m、壁厚0.016 m；與波紋板相連的右立柱取為外徑0.762 m、壁厚0.019 m。除此之外，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，考慮波紋板與4周梁柱結(jié)構(gòu)的連接為理想焊接條件。

建立幾何模型，見(jiàn)圖2。

圖2 梁、柱結(jié)構(gòu)的幾何模型

1.2 有限元模型建立

鑒于波紋板截面形狀的特殊性,梁、柱和波紋板均較薄,考慮到單元與單元的接觸邊界條件的處理,框架與波紋板均采用Shell181單元。考慮到計(jì)算時(shí)間和計(jì)算質(zhì)量以及用于有限元計(jì)算的計(jì)算機(jī)性能，結(jié)構(gòu)的單元尺度設(shè)置為0.1 m。結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3 結(jié)構(gòu)有限元模型

2 彈性范圍內(nèi)有限元求解及分析

2.1 施加約束

考慮到結(jié)構(gòu)真實(shí)連接及受力情況，在立柱結(jié)構(gòu)下端施加X(jué)，Y，Z向平動(dòng)約束及平面外的轉(zhuǎn)動(dòng)約束。約束施加情況見(jiàn)圖4。

圖4 施加約束

2.2 施加載荷

考慮2種外力作用形式。第1種,在上部H形梁上施加均布載荷；第2種,在上部H形梁上施加三角形載荷。具體載荷施加方式見(jiàn)圖5。

圖5 外力作用形式

2.3 波紋板結(jié)構(gòu)對(duì)框架的剛度及強(qiáng)度貢獻(xiàn)情況

在圖5所示的2種載荷形式下，為了定量地表現(xiàn)波紋板結(jié)構(gòu)對(duì)4周柱梁框架的剛度及強(qiáng)度貢獻(xiàn)情況，定義剛度增強(qiáng)系數(shù)Q及強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)R。

式中：Sw為無(wú)波紋板4周框架最大變形值；Sy為有波紋板4周框架最大變形值。

式中：σw、σy分別為無(wú)波紋板和有波紋板四周框架最大Von Mises應(yīng)力值。

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 剛度增強(qiáng)系數(shù)Q及強(qiáng)度增強(qiáng)系數(shù)R

有、無(wú)波紋板框架的變形及Von Mises應(yīng)力分布見(jiàn)圖6、7。

圖6 第1種外力作用形式下框架變形及應(yīng)力分布

圖7 第2種外力作用形式下框架變形及應(yīng)力分布

由圖6和圖7可見(jiàn)，在承受相同載荷時(shí)，與不帶波紋板的框架結(jié)構(gòu)相比，帶有波紋板的框架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平顯著降低，且立柱下端及下梁也承擔(dān)了相當(dāng)載荷。這表明波紋板結(jié)構(gòu)是可在一定程度上為4周框架提供有效剛度及強(qiáng)度的，并可以作為有效的力的傳遞路徑，使應(yīng)力分布更加合理。

2.4 波紋板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況

針對(duì)圖4所建立的有限元模型，分別作用圖5所示的2種外力作用形式(均布載荷及三角形載荷)，得到的波紋板變形及應(yīng)力分布見(jiàn)圖8、9。

1)第1種外力作用形式。由圖8可以看到波紋板結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布呈現(xiàn)靠近柱結(jié)構(gòu)的2端應(yīng)力大，波紋板中下部結(jié)構(gòu)應(yīng)力小的情況，最大值出現(xiàn)在波紋板結(jié)構(gòu)與左立柱根部相連處。

圖8 第1種外力作用形式下波紋板變形及應(yīng)力分布

2)第2種外力作用形式。由圖9可以看到波紋板結(jié)構(gòu)整體同樣呈中下部應(yīng)力小的情況。此外，應(yīng)力越靠近右立柱越大，應(yīng)力最大值出現(xiàn)在靠近右立柱的與上梁相交的波紋板腹板處。

圖9 第2種外力作用形式下波紋板變形及應(yīng)力分布

3 彈塑性屈曲分析

以上對(duì)波紋板結(jié)構(gòu)在2種不同外力作用形式下的剛度、強(qiáng)度貢獻(xiàn)，以及應(yīng)力分布的分析研究均是在線彈性范圍內(nèi)進(jìn)行考慮的。為了得到對(duì)波紋板在塑性范圍內(nèi)屈曲及后屈曲行為的認(rèn)識(shí)和了解，進(jìn)一步分析波紋板在軸壓作用下和在剪力作用下的彈塑性屈曲特性。

為了考慮波紋板受到軸壓或剪力作用時(shí)的屈曲行為，計(jì)算模型不再考慮此前分析中與波紋板相連的H形梁和立柱，引入材料非線性，按理想彈塑性模型考慮，材料的屈服極限設(shè)為235 MPa。

利用ANSYS進(jìn)行非線性屈曲分析時(shí)，首先對(duì)模型的屈曲模態(tài)進(jìn)行計(jì)算，然后按比例縮小屈曲模態(tài)變形以作為初始缺陷施加在原模型中，最后打開(kāi)ANSYS大變形開(kāi)關(guān)，加載之后進(jìn)行非線性計(jì)算。計(jì)算中引入的初始缺陷大小為1 mm。

3.1 波紋板在軸壓作用下的彈塑性屈曲分析

計(jì)算模型見(jiàn)圖10，其中波紋板跨度、高度，及波紋尺寸均同2.2中建立的有限元模型一致，波紋板4邊約束均設(shè)為簡(jiǎn)支，即左側(cè)、上側(cè)、右側(cè)約束水平及面外位移，下側(cè)約束水平、豎向及面外位移。計(jì)算得到的波紋板在軸壓作用下的承載力曲線和失穩(wěn)后的面外變形見(jiàn)圖11。

圖10 波紋板在軸壓作用下的計(jì)算模型

圖11 波紋板在軸壓作用下的承載力曲線和失效模式

由承載力曲線可以看到，加載初期承載力隨著垂向變形線性增長(zhǎng)。當(dāng)波紋板的承載力達(dá)到7 273 kN時(shí)，變形繼續(xù)增加，而載荷迅速下降，表明波紋板已不再具有承載能力，波紋板在軸壓作用下的臨界應(yīng)力為218 MPa。從波紋板失穩(wěn)后的面外變形云圖?？梢钥吹讲y板主要是在靠近下邊界的地方發(fā)生塑性屈曲，因此可認(rèn)為波紋板在軸壓作用下的屈曲失效模式為局部失穩(wěn)。

與4邊簡(jiǎn)支相比，4邊進(jìn)行固支約束的波紋板在軸壓下的臨界應(yīng)力增長(zhǎng)了1.4%至221 MPa，數(shù)值變化不大。分析發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于增加轉(zhuǎn)角約束后，承載力會(huì)有所提高，但是當(dāng)在波紋板波紋邊界上施加簡(jiǎn)支約束時(shí)，由于波紋形狀的原因，其實(shí)也限制了波紋邊界的自由轉(zhuǎn)動(dòng)，相當(dāng)于在波紋邊界上施加了固支約束。所以在軸壓作用下對(duì)波紋板進(jìn)行屈曲分析所得到的臨界應(yīng)力對(duì)這2種約束條件并不敏感，數(shù)值計(jì)算的臨界應(yīng)力結(jié)果相差不大。

3.2 波紋板在剪力作用下的彈塑性屈曲分析

為了使波紋板只受到剪力的作用，采用如圖12所示模型，其中波紋板跨度、高度及波紋尺寸也同2.2中建立的有限元模型一致，波紋板4周建立的是用于力的傳遞的T型梁。在此模型中，相交的梁處為鉸接連接，拉力作用于鉸接點(diǎn)上。利用此模型計(jì)算可以將拉力轉(zhuǎn)化為作用于波紋板4邊的均勻剪力。計(jì)算得到的波紋板在剪力作用下的承載力曲線和失穩(wěn)后的面外變形見(jiàn)圖13。

圖12 波紋板在剪力作用下的有限元模型

圖13 波紋板在剪力作用下的承載力曲線和失效模式

由承載力曲線可以看到，加載初期承載力隨著變形線性增長(zhǎng)，當(dāng)承載力達(dá)到11 405 kN時(shí)，承載力增加開(kāi)始放緩，一段時(shí)間后承載力又隨著變形迅速增加。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：當(dāng)承載力達(dá)到11 405 kN時(shí)，波紋板發(fā)生了屈曲，導(dǎo)致承載力增長(zhǎng)放緩。之后承載力的繼續(xù)增加是由于波紋板有被拉平的趨勢(shì)，導(dǎo)致受力模式發(fā)生了變化，由受剪轉(zhuǎn)化為受拉，此時(shí)的載荷變?yōu)榱擞墒芾牟y板和T型材共同承擔(dān)。

從波紋板失穩(wěn)后的面外變形云圖可以看到波紋板主要是在波紋翼緣處發(fā)生了局部屈曲，因此可以認(rèn)為波紋板在剪力作用下的屈曲失效模式為局部失穩(wěn)。

4 結(jié)論

波紋板結(jié)構(gòu)可在一定程度上為四周框架結(jié)構(gòu)提供有效剛度及強(qiáng)度貢獻(xiàn)，并可以作為有效的力的傳遞路徑，將力傳遞到周邊更可靠的構(gòu)件上；軸壓作用及剪力作用下的波紋板結(jié)構(gòu)均先發(fā)生屈曲再發(fā)生屈服，且在軸壓作用下，4邊簡(jiǎn)支波紋板與4邊固支波紋板的臨界應(yīng)力相差不大，說(shuō)明軸壓下波紋板的極限承載力對(duì)邊界約束形式并不敏感。本文計(jì)算方法可為改進(jìn)現(xiàn)有不考慮鋼質(zhì)圍壁波紋板對(duì)結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)度貢獻(xiàn)的生活樓設(shè)計(jì)計(jì)算模式，為進(jìn)一步優(yōu)化生活樓結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。

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Numerical Analysis of Corrugated Plate of Living Quarter Based on ANSYS

KANGSi-wei1,XUEHai-lin1,SUNZhen-ping1,ZHUBen-rui2,TAOXu2

(1.Shanghai Branch of CNOOC (China) Co. Ltd., Shanghai 200335, China;2.Tianjin University, Tianjin 300072, China)

For the living quarter, corrugated plates which have reliable connection with beams and columns could provide stiffness and increase the bearing capacity of the structure. Based on some data of a living quarter, the rigidity of a certain frame structure and strength contribution of the connected corrugated plate was analyzed by ANSYS under two different load conditions. The elastic-plastic buckling characteristic of the corrugated plate was also studied under axial compression and shear force. The results can provide references for improving the existing unreasonable mechanics assessment methods and optimizing structure design of living quarter.

Living quarter; ANSYS; Corrugated plate

U674.38

A

1671-7953(2017)05-0037-06

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.05.012

2016-10-10

修回日期：2016-11-21

國(guó)家自然科學(xué)基金(51509184)

康思偉(1985—)，男，學(xué)士，工程師

研究方向：海洋石油生產(chǎn)和工程建設(shè)