海洋平台钢结构的承重详细设计

海洋平台钢结构的承重详细设计

本文主要论述海上石油钻井平台钢结构在承重状态下的详细设计，以实际项目为例，介绍承重设计的整个过程以及相关软件的应用方法，目的在于提高设计人员的工作效率、减少错误的发生。包括如下几个部分：一、工况概述和初步设计；二、型材选用和结构力学计算；三、节点分析和加强。

标签：承重；有限元；UC值；节点

1 工况概述和初步设计

海上石油钻井平台是以钢结构为主体的多专业协同工作的采油平台，钢结构作为承受所有荷载的载体，力学计算就成为钢结构设计的主要依据。本文以平台改造项目为例，论述承重状态下的详细设计的基本方法和工作思路。

1.1 工况概述：平台改造项目的目的是为了在平台上增加一台设备，以更好的进行原油处理，减少资源浪费。该设备重70吨外形尺寸为长2米宽12米，放置于平台东侧，目前设备就位区没有结构，需要增加结构放置设备。

1.2 初步设计：首先，要进行节点设计，我们初步设计了28个节点，节点的名称和坐标如下：

设备放置于节点6、7、N、M围成的方形区域内。该设备的重量荷载是以面荷载的形式施加到节点6、7、N、M所连接的梁格上的。

2 型材选用和结构力学计算

接下来可以选择H型钢了，由于该项目承重设备重量较大所以我们尽量选择屈服强度较大的H型钢进行设计，大梁选用H588X300X12X20的H型钢屈服强度355MPa，小梁选用H300X300X10X15的H型钢屈服强度355MPa。将这两种型钢的数据输入SACS5.2。

梁格的规格确定以后还要选择甲板板的规格，按照规范选择8毫米厚的碳素结构钢材质为Q235B，输入SACS5.2。

选择好材料就可以开始结构力学计算了，我们先根据初步设计的蓝图建立SACS5.2的力学模型，经过计算发现单靠H型钢的悬臂结构无法满足该设备的承重要求，因此考虑增加斜撑，选择直径为273毫米壁厚为10毫米的20#钢的无缝钢管。同时需要增加两个节点作为斜撑的支点，T号节点坐标为（0，0，-4）

U号节点坐标为（0，18，-4）。将斜撑的数据输入SACS5.2。

接下来根据初步设计的节点坐标建立力学模型，建模时注意梁格与甲板的偏

置。

模型建立以后就可以施加荷载条件了，荷载区域为节点6、7、N、M所围成的长方形区域其面积为Q=2×12=24平方米，设备的荷载大小为70吨相当于70×9.8=686千牛顿，面荷载大小为686/24=28.6千牛顿每平方米，其荷载条件设定为1。结构自重也需要设定荷载，其荷载条件设定为2。最后设定一个荷载条件3，其荷载大小为1号荷载乘以1.05再加上2号荷载乘以1.05，1.05为荷载的不确定系数。将3号荷载条件导入计算，得到所有梁格的应力，根据报告显示所有梁格UC值小于1，整体结构应力符合规范要求。

3 节点分析和加强

通过了结构的整体强度计算，平台的大概轮廓就确定下来了，那么接下来就应该将设计进一步细化。

首先，我们要确定梁格的组对关系。该项目我们选择大梁断小梁、纵断横不断的原则来确定梁格的组对关系。

既然有了梁格接下来就可以铺甲板板了，甲板板的设计要以实际采办到的规格为准。全部采用纵向摆放甲板板以减小焊接变形。根据规范，甲板板需距离平台最外边缘20毫米，这样一来甲板板的设计就完成了。

在建立三维模型后先检查一下结构的合理性，我们发现斜撑和H型钢的位置关系设计的并不合理，H型钢没有完全覆盖斜撑。这样是不符合规范的，因为斜撑管内部是无法喷涂的，所以管内部很容易被雨水和海水腐蚀。遇到这样的问题，我们可以将H型钢向外加长150毫米以确保覆盖斜撑。

接下来我们还要对节点强度进行分析。在该项目的30个节点中只有21个自由节点，所以我们只计算这21个节点的强度，下面仅以A号节点为例，论述节点分析与局部加强的方法，计算利用ANSYS10.0的shell单元来实现。力学模型的建立用AUTOCAD2008来实现。

将A号节点的CAD模型以SAT格式导出，再导入ANSYS，输入命令如下。

定义模型后分别给不同的截面划分各自的网格，ANSYS模型就做完了，我们将大梁的两边施加全约束，然后就可以施加荷载了。我们可以利用前面的SACS计算结果找到每根梁施加给A号节点的荷载。

我们将上面A节点的荷载施加到ANSYS模型，得到应力云图，应力的最大值236MPa，可见此处的应力状态虽然符合规范，但是还有点危险，我们为了保守起见还是要加强此处节点，由于应力主要集中在小梁的下翼缘所以我们可以考虑在小梁的下翼缘处加一块筋板，加筋板后计算出结果。我们发现应力集中已经被转移到别处去了，而且最大应力已经减小到179MPa，工况已经很安全了。

我们将其它的节点逐一分析，最终确定了所有节点的加强形式，这样我们的平台结构就全部确定下来了。至此我们就完成了全部详细设计任务。

参考文献

[1]曾攀·有限元分析及应用·1版·北京：清华大学出版社，2004。

[2]马爱军，李全祺·海洋石油工程设计指南4海洋石油工程平台结构设计（第四册）：石油工业出版社，2010。