基于ANSYS的平臺生活樓波紋板結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

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

基于ANSYS的平臺生活樓波紋板結(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)有限公司上海分公司，上海 200335；2.天津大學，天津 300072)

考慮到平臺生活樓按框架式設計時，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)有平臺生活樓結(jié)構(gòu)設計資料，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四周柱梁框架的剛度、強度貢獻和自身應力分布情況，分析波紋板在軸壓和剪力作用下的彈塑性屈曲特性，為改進現(xiàn)有生活樓結(jié)構(gòu)計算模式，優(yōu)化生活樓結(jié)構(gòu)設計提供參考。

平臺生活樓；ANSYS；波紋板結(jié)構(gòu)

目前，國內(nèi)導管架式平臺生活樓主要以框架式為主[1]。近期多個大型平臺的設計表明，現(xiàn)有的生活樓，在設計時由于未計及鋼質(zhì)圍壁波紋板對結(jié)構(gòu)強度的貢獻，生活樓斜支撐較多，導致結(jié)構(gòu)用鋼量大，不僅浪費了材料而且增加了預制施工的難度和工作量；也使寶貴的平臺空間不能得到高效利用，限制了平臺整體重心的調(diào)整。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，海上平臺整體尺度仍有增大的趨勢，這一系列問題相互制約效應逐年顯現(xiàn)，因此改良生活樓結(jié)構(gòu)、改進現(xiàn)有的力學評估方式變得迫在眉睫。鋼結(jié)構(gòu)中常被看作圍護構(gòu)件的墻面板和屋面板，當與邊緣構(gòu)件具有可靠連接時，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，這種作用被稱為圍護構(gòu)件的蒙皮效應[2]。對平臺生活樓來說，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，其對主體框架結(jié)構(gòu)也可起到加強作用，并提高結(jié)構(gòu)的空間整體性[3-5]。因此研究波紋板對四周框架的剛度、強度貢獻，改良現(xiàn)有生活樓設計中的強度計算方法，在設計計算中充分考慮波紋板對主體框架結(jié)構(gòu)的支撐作用，將對優(yōu)化生活樓框架設計、改善現(xiàn)行生活樓的框架式設計方式所帶來的一系列問題具有重要意義。

關(guān)于波紋板，國內(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]，通過試驗及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、鋼框架中蒙皮效應的若干影響因素等[7-10]。

結(jié)合具體平臺生活樓結(jié)構(gòu)設計資料，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進行數(shù)值計算，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4周柱梁框架的剛度、強度貢獻及自身應力分布情況，并對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行討論，為改進現(xiàn)有生活樓結(jié)構(gòu)計算模式，優(yōu)化生活樓結(jié)構(gòu)做準備。

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)建成的幾座導管架平臺生活樓結(jié)構(gòu)設計資料，統(tǒng)計整理平臺生活樓采用的鋼質(zhì)圍壁波紋板型號。5種型號波紋尺寸見圖1。

作為本文的研究對象，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)尺寸也同樣選自對應平臺生活樓結(jié)構(gòu)設計資料。

圖1 導管架平臺生活樓常用鋼質(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，為了簡化問題，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?？紤]到計算時間和計算質(zhì)量以及用于有限元計算的計算機性能，結(jié)構(gòu)的單元尺度設置為0.1 m。結(jié)構(gòu)有限元模型見圖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)真實連接及受力情況，在立柱結(jié)構(gòu)下端施加X，Y，Z向平動約束及平面外的轉(zhuǎn)動約束。約束施加情況見圖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圖5。

圖5 外力作用形式

2.3 波紋板結(jié)構(gòu)對框架的剛度及強度貢獻情況

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4周柱梁框架的剛度及強度貢獻情況，定義剛度增強系數(shù)Q及強度增強系數(shù)R。

式中：Sw為無波紋板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分別為無波紋板和有波紋板四周框架最大Von Mises應力值。

計算結(jié)果見表1。

表1 剛度增強系數(shù)Q及強度增強系數(shù)R

有、無波紋板框架的變形及Von Mises應力分布見圖6、7。

圖6 第1種外力作用形式下框架變形及應力分布

圖7 第2種外力作用形式下框架變形及應力分布

由圖6和圖7可見，在承受相同載荷時，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)的應力水平顯著降低，且立柱下端及下梁也承擔了相當載荷。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度的，并可以作為有效的力的傳遞路徑，使應力分布更加合理。

2.4 波紋板結(jié)構(gòu)的應力分布情況

針對圖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力分布見圖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)應力分布呈現(xiàn)靠近柱結(jié)構(gòu)的2端應力大，波紋板中下部結(jié)構(gòu)應力小的情況，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力小的情況。此外，應力越靠近右立柱越大，應力最大值出現(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力分布

3 彈塑性屈曲分析

以上對波紋板結(jié)構(gòu)在2種不同外力作用形式下的剛度、強度貢獻，以及應力分布的分析研究均是在線彈性范圍內(nèi)進行考慮的。為了得到對波紋板在塑性范圍內(nèi)屈曲及后屈曲行為的認識和了解，進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的屈曲行為，計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，材料的屈服極限設為235 MPa。

利用ANSYS進行非線性屈曲分析時，首先對模型的屈曲模態(tài)進行計算，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ANSYS大變形開關(guān)，加載之后進行非線性計算。計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

計算模型見圖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邊約束均設為簡支，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)后的面外變形見圖11。

圖10 波紋板在軸壓作用下的計算模型

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。當波紋板的承載力達到7 273 kN時，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力為218 MPa。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靠近下邊界的地方發(fā)生塑性屈曲，因此可認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邊簡支相比，4邊進行固支約束的波紋板在軸壓下的臨界應力增長了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，承載力會有所提高，但是當在波紋板波紋邊界上施加簡支約束時，由于波紋形狀的原因，其實也限制了波紋邊界的自由轉(zhuǎn)動，相當于在波紋邊界上施加了固支約束。所以在軸壓作用下對波紋板進行屈曲分析所得到的臨界應力對這2種約束條件并不敏感，數(shù)值計算的臨界應力結(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，拉力作用于鉸接點上。利用此模型計算可以將拉力轉(zhuǎn)化為作用于波紋板4邊的均勻剪力。計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，當承載力達到11 405 kN時，承載力增加開始放緩，一段時間后承載力又隨著變形迅速增加。通過分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是：當承載力達到11 405 kN時，波紋板發(fā)生了屈曲，導致承載力增長放緩。之后承載力的繼續(xù)增加是由于波紋板有被拉平的趨勢，導致受力模式發(fā)生了變化，由受剪轉(zhuǎn)化為受拉，此時的載荷變?yōu)榱擞墒芾牟y板和T型材共同承擔。

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)提供有效剛度及強度貢獻，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邊簡支波紋板與4邊固支波紋板的臨界應力相差不大，說明軸壓下波紋板的極限承載力對邊界約束形式并不敏感。本文計算方法可為改進現(xiàn)有不考慮鋼質(zhì)圍壁波紋板對結(jié)構(gòu)剛度強度貢獻的生活樓設計計算模式，為進一步優(yōu)化生活樓結(jié)構(gòu)設計做準備。

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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

國家自然科學基金(51509184)

康思偉(1985—)，男，學士，工程師

研究方向：海洋石油生產(chǎn)和工程建設