謝騰騰 邢 玲 楊文光 鄭 意 李金波 劉學(xué)虎

(甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司)

SACS在設(shè)備成橇底橇強度校核中的應(yīng)用

謝騰騰*邢 玲 楊文光 鄭 意 李金波 劉學(xué)虎

(甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司)

以某工程項目為例，闡述了如何利用SACS軟件進行底橇計算并進行規(guī)范校核。

設(shè)備撬裝 底橇 強度校核 SACS軟件

設(shè)備成橇是指將流量計、溫度計等儀表及相關(guān)閥門、管線安裝在鋼結(jié)構(gòu)框架上進行工廠化制造。設(shè)備成橇后整體尺寸可以得到很好地控制，節(jié)省布置空間，且由于儀表閥門都在工廠組裝，極大地減少了現(xiàn)場安裝調(diào)試的工作量[1，2]。如今，設(shè)備成橇已成為確保油氣田高效開發(fā)的重要手段，不僅能夠加快油氣田建設(shè)，保證建設(shè)質(zhì)量，還能有效的降低整個工程的投資[3～6]，因此被越來越多地應(yīng)用在海上平臺建設(shè)及陸上油氣田地面集輸工程中。

底橇位于設(shè)備、管線的下方，用來承載整個橇塊的重量及設(shè)備管線的振動等[4]，因此底橇的強度計算成為設(shè)備成橇過程中的重要環(huán)節(jié)。底橇大多為方框結(jié)構(gòu)，其強度計算一般是從兩個方向上分別將它簡化成兩點支撐的簡支梁模型，或者簡化為一次超靜定結(jié)構(gòu)[7]，進行內(nèi)力計算后按照AISC規(guī)范進行手動校核[8]。這兩種方法的優(yōu)點是方便快捷，不用另行建立模型，只需計算底橇在兩個方向上主梁的型號及數(shù)量，可以編制成Excel程序進行快速計算。但一方面由于兩種方法在計算每個方向時均按整個橇塊重量計算，因此偏于保守；另一方面兩種方法均是將底橇簡化成單個梁構(gòu)件進行驗算，忽略了各個構(gòu)件之間的相互影響，計算準(zhǔn)確性值得商榷。此外，對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如雙層底橇或底橇和平臺連接為一個整體的情況，構(gòu)件不能再簡化為簡支梁模型，這兩種計算方法便不再適用。因此，借助于鋼結(jié)構(gòu)計算軟件進行底橇強度校核在設(shè)備成橇過程中的重要性越來越明顯。筆者以某工程項目中的底橇計算為例，介紹SACS軟件在橇塊鋼結(jié)構(gòu)計算中的應(yīng)用。

1 模型描述

SACS軟件是由美國Engineering Dynamics公司開發(fā)的為海洋平臺和土木工程提供結(jié)構(gòu)分析的一套軟件工具，現(xiàn)被Benley公司收購。該軟件集成了AISC和API等大量專業(yè)規(guī)范校核程序模塊，能夠自動生成風(fēng)、波、流等荷載，并對平臺結(jié)構(gòu)進行強度分析和動力分析[9]，因此廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外海洋工程結(jié)構(gòu)分析中。

圖1為某工程項目中分離器橇塊的底橇及支撐簡圖，該底橇長17 900mm，寬4 000mm。底橇在現(xiàn)場由若干樁基支撐(圖中以SUPPORT表示)，KL表示桿件型號為25a工字鋼，CL表示桿件為20a工字鋼，ZL表示HW205 mm×250 mm寬腹H形鋼，其中ZL構(gòu)件位于鞍座下方，起支撐設(shè)備重量的作用。橇塊設(shè)置有4個吊耳。橇塊相關(guān)重量見表1。

表1 橇塊重量 kg

根據(jù)圖紙，在SACS中建立底橇模型。底橇強度校核可分為吊裝工況和操作工況兩種情況，一般來說吊裝是危險工況，只要吊裝工況下強度校核通過，可不進行操作工況下的校核。但該項目由于運輸限制，底橇和設(shè)備本體分開吊裝運輸。因操作工況下設(shè)備重量較大，從而導(dǎo)致吊裝工況的荷載遠小于操作工況下的荷載，因此兩種工況都需要進行計算。圖2、3分別為吊裝工況和操作工況下的模型。對于吊裝工況，固定吊點，用桿單元模擬吊索，釋放吊索自由度，并在4個吊耳點處加設(shè)彈簧，防止模型在水平方向上的自由移動；操作工況則只需設(shè)置樁基支撐節(jié)點的約束。

圖1 底橇及支撐簡圖

圖2 底橇吊裝工況模型

圖3 底橇操作工況模型

根據(jù)規(guī)范API RP 2A，對于在開敞暴露海域進行的吊裝，在設(shè)計吊點和形成與吊點相連的節(jié)點并將吊裝力傳遞到結(jié)構(gòu)內(nèi)部的其他內(nèi)部構(gòu)件時，應(yīng)使用最小為2.00的荷載系數(shù)計算靜荷載，對于所有其他的傳遞吊裝力的結(jié)構(gòu)件，應(yīng)使用1.35的最小荷載系數(shù)進行設(shè)計；對于陸上吊裝，應(yīng)分別使用不低于1.50和1.15的動載系數(shù)進行設(shè)計，且不得使用AISC對短期荷載容許應(yīng)力增加的規(guī)定[9,10]。該橇塊雖然用于陸上油田，但需要進行海上運輸，為保證裝卸船時的底橇強度，在此選取2.00/1.35的動載系數(shù)。吊裝工況下的荷載設(shè)置見表2，負(fù)號表示荷載方向為豎直向下。

表2 吊裝工況荷載設(shè)置

操作工況下的構(gòu)件校核采用荷載與抗力系數(shù)設(shè)計方法(LRFD)，荷載設(shè)置依據(jù)ASCE 標(biāo)準(zhǔn)，需要考慮動荷載和風(fēng)、地震等荷載。由于底橇自身迎風(fēng)面非常小，在此風(fēng)荷載主要考慮的是設(shè)備受到的風(fēng)壓。

荷載設(shè)置見表3。

表3 操作工況荷載設(shè)置[11,12]

注：D——基本靜荷載；L——基本動荷載；W——風(fēng)荷載；E——地震荷載。其中風(fēng)荷載和地震荷載依據(jù)ASCE標(biāo)準(zhǔn)計算后以靜荷載方式施加到構(gòu)件上。

2 結(jié)果分析

設(shè)置好荷載組合后進行計算，計算完成后進入后處理中查看結(jié)果。為驗證模型的正確性，需檢查約束點的支反力及彈簧力。在此以吊裝工況為例，表4顯示了200荷載工況下約束節(jié)點的支反力。其中節(jié)點0006、0008、0036和0038為施加彈簧約束節(jié)點，節(jié)點0045為吊點?？梢?，4個節(jié)點的彈簧力均小于1kN，若彈簧力大于1 kN，則需檢查吊點設(shè)置是否合理； 200荷載工況下，模型受到的豎直向下的力為：2.00×(1.77SW+SAD)=-227.77kN，與節(jié)點0045的支反力相吻合，驗證了模型的正確性。

表4 200荷載工況下的節(jié)點支反力

圖4、5 分別顯示了吊裝工況和操作工況下各桿件的UC(Utility Check)值。對于吊裝工況，與吊耳直接相連的構(gòu)件按200荷載校核，其他構(gòu)件按135荷載校核(圖4中括號內(nèi)的數(shù)值)；圖5顯示的結(jié)果為各荷載組合下UC的最大值，結(jié)果顯示中略去了UC值小于0.15的桿件。

圖4 吊裝工況下各桿件UC值

圖5 操作工況下各桿件UC值

對比計算結(jié)果可見，吊裝工況下的危險構(gòu)件是與吊耳相連的長方向構(gòu)件，操作工況下的危險構(gòu)件是位于鞍座下方的構(gòu)件，在進行設(shè)計時均應(yīng)予以考慮。兩種工況下底橇上的次梁構(gòu)件UC值都比較小，但因為底橇上面鋪設(shè)有花紋鋼板，上面需要放置雜物或者供人行走，因此盡管次梁對整體結(jié)構(gòu)的強度貢獻不大，但仍是不可或缺的，次梁支撐間距一般控制在1.5m左右。根據(jù)計算結(jié)果，兩種工況下結(jié)構(gòu)桿件的UC值都小于1，表明結(jié)構(gòu)具有足夠的強度，目前該橇塊已成功吊裝，驗證了結(jié)果的可信性。

此外，對于吊裝工況，通過提取吊裝工況下的吊索內(nèi)力，可以精確選取吊索型號和進行吊耳設(shè)計；對于操作工況，通過提取節(jié)點支撐反力可以進行土建基礎(chǔ)設(shè)計。

3 整體吊裝與單獨吊裝的對比

本例中底橇與設(shè)備分開吊裝，如果底橇和設(shè)備進行整體吊裝，則情況會有所不同。整體吊裝時，設(shè)備、頂部操作平臺的重量均由鞍座傳遞到底橇。因此，在計算模型中調(diào)整荷載設(shè)置，修改吊裝工況下的SAD荷載為1 176.36 kN (設(shè)備及其附件和頂部操作平臺等的重量)，其他保持不變。調(diào)整后重新計算，計算結(jié)果如圖6所示(括號中為135荷載校驗結(jié)果)，結(jié)果中略去了UC值小于1的桿件。可見，在型鋼規(guī)格不變的情況下，整體吊裝時結(jié)構(gòu)不具有足夠強度。因此，在進行底橇設(shè)計時，要預(yù)先考慮底橇和設(shè)備是整體吊裝還是分開單獨吊裝，這直接影響到型鋼規(guī)格的確定。

圖6 整體吊裝工況下各桿件UC值

4 結(jié)束語

隨著設(shè)備成橇的日益普及，底橇的強度校核也顯得越來越重要。以往經(jīng)常采用的將模型簡化、手動計算內(nèi)力后按標(biāo)準(zhǔn)校核的方法都需對模型做很多簡化，且無法計算多支點支撐工況(如操作工況)和多層框架情況。而鋼結(jié)構(gòu)計算軟件在進行強度校核時則具有以下優(yōu)點：

圖形界面友好，建模方便；內(nèi)置了AISC、API等多種規(guī)范校核模塊，有利于在實際項目中進行規(guī)范檢驗；能夠處理復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和工況，計算結(jié)果精確可靠；荷載設(shè)置方便，易于調(diào)整桿件截面，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。因此，在橇塊設(shè)計中引入結(jié)構(gòu)計算軟件進行鋼結(jié)構(gòu)強度校核，可減少工程設(shè)計人員的負(fù)擔(dān)和設(shè)計周期，增加計算的準(zhǔn)確性，有利于項目的實施與進行。

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*謝騰騰，男，1989年2月生，助理工程師。上海市，201518。

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