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局部强度设计_海洋工程结构设计

时间:2021-01-28 理论教育 联系我们
【摘要】:本章从目前深海浮式结构设计所使用的规范入手,介绍深海浮式结构强度设计的主要内容。在海洋工程领域新建的FPSO与其他的FPS遵守相同的规范,但由于其船体形式的结构,可以综合邮轮设计的方法与实践经验。上层建筑的局部设计主要基于认为合理设定值,采用平均分布的甲板荷载。
局部强度设计_海洋工程结构设计

第4章 浮式结构强度设计和分析

本章内容:

▶浮式结构设计

▶主体结构强度设计

▶局部强度设计

▶总强度设计

浮式结构的强度性能无疑是其最重要的性能。本章从目前深海浮式结构设计所使用的规范入手,介绍深海浮式结构强度设计的主要内容。

4.1 适用规范

事实上,所有的半潜式平台和Spar,TLP等生产平台都是根据相关规范设计建造的。一般来说,浮式生产系统最常用的规范为美国船级社(ABS)的移动式钻井装置(MODU)的入级规范。MODU是在船舶方面的实践和研究的基础上发展起来的,同样也适用于浮式生产系统(FPS)。其他的船级社,如挪威船级社(DNV)也制定了类似的规范。

API RP 2A特别适用于固定式平台,但也适用于浮式生产系统(FPS)的设计。然而,它对半潜式平台、Spar和其他浮式平台的设计并不像MODU规范那样具有一般性。某些特定的专业性的规范弥补了这方面的不足,如API 2T针对TLP平台,API 2V(柱壳)和2U(加筋板)针对通用的板架结构,能应用于Spar和半潜式平台,但其也是基于TLP平台而制定的。

适航性与安全方面的责任通常由海事组织负责。这些海事组织在结构安全性方面通过入级的方式来保证。各国有不同的认证机构,如美国海岸警卫队(USCG)是负责FPS认证检验适航性的机构。在英国,能源部(DEN)组织和委派船级社的代表来进行认证。

在海洋工程领域新建的FPSO与其他的FPS遵守相同的规范,但由于其船体形式的结构,可以综合邮轮设计的方法与实践经验。所以,FPSO通常采用商业化船舶的建造模式,或者由旧油轮改造。

4.2 结构设计

从强度分析角度描述,浮式结构的设计分为两个基本的级别:局部强度设计和总强度设计。在这两个级别中也包括结构的屈曲强度和疲劳强度。在设计荷载方面既有重力/浮力荷载、环境荷载,又有作业荷载。

许多结构构件通常先基于局部强度进行设计,也就是根据结构受到的重力或浮力荷载来设计。在局部强度设计的基础上考虑结构所受到的总体荷载,进行总强度设计,这样有些构件需要调整和加强大多数构件的设计是由局部荷载控制的,也有部分构件需要考虑总体荷载的作用。例如上层建筑的设计主要基于局部荷载,也就是结构和设备所受的重力;半潜式平台的斜撑,其作用是为了有效传递平台的总体荷载,通常它的设计是由总强度确定的。

1.局部强度

局部强度设计主要根据重力/浮力荷载、结构入级规范和设计经验来进行。有些构件需要进行应力分析。局部强度设计所定的结构尺寸通常称之为“基本尺度”,这些尺寸所用到的公式有些是在长期的设计实践中研究总结的,包含经验性的参数,这些参数反映了使用要求、环境荷载、动力学、腐蚀、维护等各方面的因素。在浮筒和立柱上的荷载通常采用水压头的静力等效形式。上层建筑的局部设计主要基于认为合理设定值,采用平均分布的甲板荷载。即使在不考虑荷载的情况下,被设计结构的尺寸通常有最小的限定,上层建筑的舱壁结构就是一个例子。

许多构件及承担局部荷载,也承担总体荷载。例如浮筒和立柱外壳板,既承受静水荷载作用,也是抵抗总强度荷载的基本构件。往往这些构件具有较大的横截面积,具备足够的截面属性抵抗总体荷载的作用。

2.总强度设计

总强度设计一般把结构作为空间框架梁体系,使用理论方法或软件工具进行应力分析。总强度荷载采用重力荷载与环境荷载的组合。环境荷载除了风、浪、流以外,还包括由于结构运动产生的惯性力,锚泊、立管系统的响应力。波浪荷载和相应的惯性荷载是环境荷载中最重要的。在某些情况下,运输和安装作业荷载也可能作为设计的控制荷载。其中特殊的如Spar平台,因为它建造和运输时都是水平放置的,在安装时需要立直,运输时的波浪荷载和直立时的重力弯矩是很关键的总体控制荷载。

海洋工程结构的分析主要采用许用应力法(ASD或WSD)。入级规范(如ABS,DNV)设置了一些许用应力系数来区分结构所处的作业环境条件。这些系数反映了设计级别和各项强度分析的严格程度。需要注意的是,局部强度设计与总体强度设计许用应力系数不同,弯曲强度和剪切强度许用应力系数也不同。很显然,一般在总体强度分析时许用应力系数有所提高。结构强度分析许用应力为F=Fy/Fs,系数Fs常被称为安全系数。例如在ABS的MODU规范中,对安全系数的定义分为以下两种情况。

(1)仅重力荷载时Fs的取值:

1.67——轴向或弯曲应力;

2.50——剪应力

(2)环境和重力荷载的组合时Fs的取值:

1.25——轴向和弯曲应力;

1.88——剪应力。

对于屈曲问题,许用应力如下:

式中:Fcr——临界屈曲或剪应力。

安全系数Fs取值情况:

重力荷载,Fs=1.67,轴向和弯曲应力;

重力和环境荷载的组合,Fs=1.25,轴向和弯曲应力。

某些规范要求必须使被设计的结构具有一定的强度余量,这样在设计时就可以通过控制安全系数来实施。如破舱进水时,由于结构吃水增加也导致了荷载增大,构件设计时相应的设计标准也要提高。

3.屈曲强度

屈曲问题可能控制某些细长的柔性构件或桁架结构的撑杆。如结构中承受跨距较大的桁材。DNV规范Note30.1(目前已被新的取代)关于加筋板架的屈曲强度分析在浮式结构设计中被广泛应用。

4.疲劳强度

浮式结构的主要形式为空间梁系,构件间连接节点的疲劳强度是不可避免的问题。结构的焊接也是疲劳强度的主要影响因素,通常会有一个常用的应力升高系数表示焊接形式的影响。立柱和上层建筑之间的连接位置是疲劳强度分析的关键部分。撑杆与上层建筑之间的连接有时遇到一种低周疲劳问题,这种疲劳问题不能采用常规的疲劳分析方法,因为波浪荷载与诱导的结构响应之间的关系式高非线性的,

许多第四代的半潜式钻井平台和所有的生产平台不采用撑杆来抵抗总体荷载,这样弯矩剪力等不就能传递到立柱端部,这就要求纵向构件,特别是浮筒能提供足够的弯曲和剪切强度。

对船舶和Spar而言,在水线部分区域的骨架的疲劳设计是最重要的。同时,正如海洋平台主体与上层建筑之间的连接区域一样,桁架和硬舱之间的过渡区域也是疲劳评估的关键区域。

4.3 主体结构强度设计

1.主体结构形式

与固定式平台或建筑工程中常用的空间框架结构相比,建筑中常用的是强箱型梁结构,浮式结构常用的是横向加筋板结构。

浮式结构与船舶结构主要由加筋板组成。板具有供水密性和抵抗静水荷载的能力。由加筋板组成的箱型梁结构,具有抵抗弯曲、剪切和扭转的能力。图4-1为箱形梁单元的总体承载受力。

2.横向加筋板结构

图4-1 箱型梁结构单元受力图

图4-2 加筋板结构示意图

如图4-2所示为常见的加筋板结构。加筋板格(Panel)由板和纵向的加强筋组成,横向一般由肋骨或横梁支持。在必要的位置,横梁可能被桁材或舱壁取代。加强筋可以使用角钢、T型材或球扁钢,板和型材通过焊接的方式连接。加强筋和板在结构上被视为一个整体,加上横梁和纵桁,这几部分组合到一起形成所谓的加筋板格。加筋板作为结构的主要组成部分,一般通过自动化的工艺程序进行建造。板同时在两个方向上作为加强筋和横梁或纵桁的带板。

图4-3 加筋柱壳结构示意图

加筋板有时不一定是平的。半潜式平台的立柱结构、Spar的外壳结构都是曲面板格的例子。这种有一定曲率的板格称之为壳结构(Shells)。对较大直径的柱壳结构,如半潜式平台、TLp和Spar,加强筋平行于圆柱的轴向,横向有环肋支撑。因为局部曲率较小,壳板结构可近似认为是平的,作为平的板格进行分析。图4-3显示了Spar的外壳结构。在平台和柱壳上,加强筋通过环 肋上的开口穿过。

加筋壳板作为一个整体,具有环向和轴向两方向的应力,材料利用率高。还可以通过优化设计,调整板格的间距、板厚等,合理地平衡结构质量和建造费用。一般的加强材间距为500~700cm(约24~30in),板厚在立柱顶端一般约有93.5mm(约为3/8in),在浮筒底部为19mm(约为3/4in)以上。对深吃水和大尺度的结构经常使用这些尺寸。一般在浮筒和立柱结构中肋骨系统增加的质量为板质量的60%~90%,在某种程度上要少于内部的横舱壁和平台的质量。

3.船体梁

在箱形截面中,船体板架组装形成典型的船体梁。常见的浮筒和立柱结构一半采用直的箱形梁构型。单个的浮筒和立柱的作用可以类似船体梁功能。立柱和浮筒之间的连接等效为一个集中荷载。

上层建筑的设计采用相同的强度原理。上层建筑的箱型梁可以为结构总强度提供有力的支持。目前一些新型的半潜式平台,上层建筑在横向和纵向都能有效地传递总体荷载,这样就避免了以往常用的复杂的撑杆系统(braces)。在航空和其他运输结构设计中,多蜂窝式的建造是非常常见的形式,也成为“蒙皮结构”建造,目前也在海洋工程中广泛应用。

图4-1所示为一个平台主体上的理想的荷载和应力分布。注意侧板传递的剪应力和上下表面的正应力。这些应力在板的截面上通常是不均匀分布的,这一点在局部结构设计中将详细讨论。

4.4 局部强度设计

局部强度设计重点是确定板厚、板格间距和骨材的截面积等。设计荷载主要为局部的横向分布荷载。这部分设计主要基于浮力荷载,结合经验公式、入级规范和最小尺寸限制。支持横向构件的桁材,包括一些横梁需要进行应力分析。分布均匀且大小一致的骨架系统经常要进行分析和优化。

加筋板架中板的一部分认为是加强材、横梁和纵桁的带板,其属性与加强材相同。通过局部强度设计确定的舱壁、甲板和壳板的厚度通常是最小厚度,有时需要通过进一步的强度分析而加强。一般来说,局部强度设计确定的构件尺度可以形成一个既满足局部强度要求,又在一定程度上满足总强度要求的构件剖面。其他作业荷载如钻井甲板、基座、立管悬挂机构、锚泊和张力筋的连接器等,这些特殊结构的设计通常是以局部强度要求为主,结合应力分析、设计实践及相关特定的规范(AISC和API 2A)。

局部强度设计适合于液舱、空舱(Void Tank)、壳板等一些内部或外部的水密和非水密结构。这些结构包括TLP、半潜、Spar和船舶,这里介绍的很多结构主要依据ABS的MODU规范。为了阐述的需要,DNV的规范也拿来进行了比较,这些规范在主要方面是一致的。设计者应该参考规范公约的最新版本。

ABS的MODU规范中的板、梁和桁材的最小尺寸规定请参阅规范的具体内容。板的设计基本分两类:水密和非水密。DNV采用相似的结构尺度的设计公式,没有把结构正常服务和破舱进水状态分开,只是针对破舱的情况使用了较高的安全系数。

1.设计荷载

局部荷载主要为静态的重力荷载,可能会包含一部分动态的环境荷载。主要形式为水压力,包括静水压力和水动压力,也可以理解为包括因为波浪导致的液面升高的外部海水的静压力。除此之外,舱室内液体或破舱进水导致的水压力也要包括在内。内部进水可能来自于外板的破损或管线的失效。

在甲板、平台或上层建筑等结构表面的局部荷载通常使用给定的量值,采用分布荷载的形式,一般不超过1 209kg/m2。某些设备质量和作业荷载要根据具体情况而定,板上面的几种荷载通常根据实际而定。对于特殊的构件,如轮印区或系缆桩等,需要参考特殊的标准。

虽然分布荷载可以使用各种单位表达,传统的表达形式仍然使用相对海水压头的形式。海水的密度一般取值1 024kg/m3。34.8m的水压是0.307MPa。使用等效的水压头的形式可以更直接地判定使用的荷载是否正确。

入级规范也设置了最小的设计荷载。这些荷载恰好对应于结构的最小尺度限制,如板厚/加强材的间距和尺度、横向构件的尺寸等。在某些方面,这些规范有些是说明性和辅助性的,其中部分源自于设计经验。它们适用于各种建造的结构形式,考虑到局部结构的功能作用,压力的形式及大小及将来的使用目的。

总之,局部强度设计基本上决定了主体结构的用钢(80%),也就是说局部强度大部分起控制作用,其他5%~15%的材料由总强度和屈曲等因素决定,包括很多细节都由多个标准的综合要求来决定。

设计压头应用本章4.2节中给出的设计尺寸的公式,共分为四类:液舱空舱浸水区域和最小尺寸。根据这些分类设计压头定义说明,如图4-4所示。

图4-4 局部强度设计压力示意图

液舱用来承载、压载水或者液体消耗品,通常需要管系和泵组,还需要通风或溢流口来释放内部压力或吸力。因此,液舱通常有一个盖子防止结构摇荡时进水。液舱的设计压力需要根据通风管的高度来设定,舱内任一点的设计压力水头取为该点到液舱从舱顶到通风口高度的2/3,但至少0.9m以上。

不是液舱的任何内部空间称之为空舱。所以,闲置的舱室也称为空舱。水密的空舱在临近外壳或有管路穿过时可能进水,其设计压力应该是最大的装载水线。这本质上是对所有壳板和内部舱室的一个最小的要求。

可进入水下的区域,在不考虑任何要求的情况下,一般要求保证水密外板能抵抗的最小水压力为7m。

关于最小尺度的设计,要求所有的水密边界,包括壳板,其设计压力应选择最危险的一舱进水时的水线,这仅适用于自由浮式结构。

液舱设计强调舱式的内压,特别注重由泵组导致的额外压力。这样的舱室需要设置通风管消除过载。DNV规范实际上考虑了注水时的动压力。空舱设计本质上是一个适用于所有的壳板和内舱壁的最小要求。它反映了所有的水密区域都能抵抗设计水线位置的压力。这两个分类被用来设计舱式的尺寸。

正如空舱设计中提到的设计水线,主要指浮式结构的最大的操作吃水,这个水线被用作重力荷载(静态)。任何在此水线下的浸没,或者结构的向下运动、水面的升高,都被认为是环境荷载导致的。例如一些平台(TLP)通过某些方式与海底连接,潮汐或海底沉降能使水线升高。

最小尺度要求适用于所有的水密结构,不管是内部的还是外部的。考虑到结构破损的情况,应具有独立的尺度最小限制。这些结构尺度相对静水力荷载要求的要小一些,但具有一个较大的荷载。这些主要为了防止结构破损后进水(flooding)导致的破坏。DNV具有相似的要求,但把它作为一个特别的荷载,使用了较小的安全系数。对TLP来说,进水破坏致使张力筋的张力减小,但并没有改变水线面位置。结构进水后是否改变了水线面的高度,其带来的破坏应在最小尺度设计中予以考虑。

关于可浸水的区域,例如平台立柱水线以上的临近区域。最小7m的设计压头,通常用来考虑波浪动压力造成的影响。然而,这些以静力形式考虑动压力的效果也是不准确的,有时动压力应该特别指定。

规范关于动压力的规定不是非常明确,只是简单的说明对于波浪和流导致的响应要符合一般许用应力的规定。至于结构局部设计应该考虑使用静水和环境荷载(动压力)的组合时,可以只采用静态荷载,把原设计标准减少1/4来作为新的标准。

如果平均吃水为ds,基线上方点z的动压力为

式中,H——波高;

k——波浪衰减系数

zf——基线上方某点z的吃水。

这仅是简单的采用线性波浪理论给出的波浪导致的压力,没有包括结构运动导致的绕射效应。对于平台于海底有连接的结构,ds应该包括水线变化。在平均水线以上,理论不适用。较为简单的假设是近似认为压力从z=-ds到水面从p(z)线性变化为零。在水线以上,采用微幅波假设的辐射绕射波浪理论计算结果也不准确。为了准确确定波浪动压力,特别是结合平台运动,重点是考虑各种荷载分量的相位关系。

2.板的设计

板的设计一般采用线弹性理论假设。然而,实际板在横向荷载作用下的响应并不遵循理论分析简单公式。板的分析有时涉及大变形理论和边界条件的专业处理。这是因为实际焊接的板不会像简单的理论假定那样初始是水平的,可能带有未确定的面内应力。这些不确定因素可以通过经验总结或实验的方法进行弥补。基于此,几乎所有的船级社采用相对简单的形式规定了板的最小厚度。一般地,这些公式还包括其他因素如腐蚀等的影响。

板的分析模型采用均布荷载作用下,长边为加强材支撑,短边为肋骨或横梁支撑的线弹性强度理论。加强筋的跨距和间距分别是l和s。图4-5所示为一个板架结构的独立板格。根据强度理论,板表面横向荷载导致的弯曲应力在长边中点最大。图示板弯曲时,在加强材中点处沿短边方向,上表面受拉,下表面受压,拉应力用σb表示,板边受到加强材约束,总体还受到拉应力σa,这两个应力的组合为σa+σb;在长边方向,还有正应力σx

图4-5 板弯曲的形式和符号示意图

图4-6中显示了典型的板的弯曲情形,相邻的板格之间变形是连续的。特别要注意固定端的边界条件,因为在局部范围内可以认为各相邻的两个板格是对称的,所以可以认为板在场边和短边转角为零,挠度为零,即刚性固定的边界条件。实际上,板的变形可能超出线弹性理论的假设范围,对于板的大变形的情况,要用到大变形理论。更复杂的情况是,分析时还要考虑焊接时的板的凹陷和应力,即初始缺陷和残余应力的影响。虽然理论方面的精确分析尚存困难,但规范中使用的公式相对简单,其中包含了设计这些复杂因素的许多经验因素。

图4-6 板的弯曲示意图

对于板、加强材和横梁的设计,ABS规范基本上分为两大类:水密和非水密。除此之外,因为要考虑总强度的要求,实际用到的板厚要大于局部要求。在此,不考虑屈曲和疲劳强度。因此,局部强度设计常被表示为最小要求,即仅是静力荷载的要求。

应该注意到当α>3时为较通用的情况。设定k=1对于多数情况是足够的,其中α是板的长宽比。

式(4-2)和式(4-3)仅是简单的梁的公式,调整了某些系数以适应实际情况(服务和研究)。公式最后的常量,是考虑腐蚀余量的影响,也包括服务经验、检测和其他研究考虑。最后一条应该注意的是,以上板的厚度仅为最小局部荷载的要求,板的最终厚度还需要考虑总强度的要求,包括屈曲强度。

3.加强材设计

加强材通常用来抵抗板的横向荷载,一般由滚轧型钢制造,还有专门用于防止屈曲的加强材。加强材一般由横梁支撑,连续穿过支撑横梁的腹板。在间断处需要特别考虑支撑端的连接形式。

加强材的弯曲采用连续的多跨梁模型,如图4-7所示。图的上部为加强材的物理形式和分析模型的选取;下部表明了典型的弯曲应力分布。

图4-7 加强材的弯曲示意图

加强材的设计主要取决于它们的间距和剖面。采用梁的理论,间距体现了其支撑面积,间接决定了外部荷载的大小;剖面的尺度主要体现在横向刚度上,其中包括弯曲强度和屈曲强度。图4-8为常用的典型加强材的剖面,其中有球扁钢(tube)、T型钢、角钢(不等边,angle)和扁钢(flat bar)。球扁钢和不等边角钢在实际建造中被广泛应用,主要针对中小型的型材。对于一些超大型结构或承载较大的区域一般使用T型材,如大型油轮的加强材。T型材可以有效地分配材料,但在穿过横梁时工艺连接繁琐并且造价较高。国际船舶建造使用欧洲标准和JIS角钢,两者主要用来船舶的建造,有效且具有较多的型号。后者比前者腹板高,翼板厚,材料分配更加有效。相关型材的尺寸可以查阅钢结构设计手册,一般以列表的形式给出了型材剖面的几何物理属性。

图4-8 加强材的剖面形式示意图

在此之前,先介绍一下关于剪切滞后(shear-lag)和等效宽度(effective breadth)的概念。剪切滞后指在受剪力作用的薄壁梁中,距剪力作用点较远的突缘上的正应力小于按平截面假设求得值的现象。剪切滞后取决于结构中力的扩散(传播)。里的扩散是指作用在结构某一部分上的非自身平衡的力系,向结构其他部分传递,直至与外力或约束反力相平衡的过程。由于内力是由受剪腹板经与其相连的翼缘杆逐步向远处传播的,所以在力的扩散过程求得的值就是剪切滞后。

图4-9 剪切导致的箱型梁的应力分布和有效宽度示意图

剪切滞后造成结构内部受力不均匀,影响结构材料的利用率。例如,由于剪力的作用,在图4-9所示的箱型薄壁结构的上下盖板中就出现剪切滞后现象(正应力在腹板附近大,中间部分小),甚至当腹板附近的盖板接近破坏时,盖板的中间部分还处于低应力状态。为了估计剪切滞后对盖板利用率的影响程度,可采用有效宽度概念,即假定宽为2b的一块板的承载能力恰好相当于一块仅为2be而充分发挥了承载能力的板,be称为有效宽度,而比值φ=be/b称为减缩系数。φ值小说明材料的利用率低,通常盖板越宽φ值越小。在工程设计中,应考虑减少腹板的间距,以提高材料的利用率。

图4-10 加强材的应力分布和有效宽度示意图

图4-11 有效宽度和跨长的关系示意图

图4-10表示加筋板上的弯曲应力分布,为了简化,把加强材附近等效为应力分布是均匀的一定宽度的区域,这个宽度即为板的有效宽度(be)。图4-11所示为板的有效度与加强材跨距的关系,其中使用了无量纲参数。纵坐标为有效宽度与加强材半个间距的比值,横坐标为有效跨长与板的宽度的比值(cL/b)(因为剪切滞后比较复杂暂不在此讨论),跨中c=0.577,骨材端部c=0.432。重要的是当l>4s时,所有的板近似是有效的,也就是be=b。

应该注意的是,如果有效宽度较小,骨材的中性轴距板面很近。这将使截面在翼板位置的剖面模数相对有效板面极不敏感。图4-12(a)所示是一个中性轴位置与有效宽度的关系的典型形式。图4-12(b)所示为剖面模数与有效宽度的关系(φ从0.4到0.6),剖面模数SM不超过最大值的80%。这点说明忽略剪切滞后的影响对骨材设计的有效宽度精确与否影响不是很大。为方便起见,可以令有效宽度be=b。

图4-12 加强材剖面模数与有效宽度的关系示意图

如同板设计时一样,加强材设计需要剖面的最小的模数为

MODU规范给出了系数的值。在舱边界和外板处,不管骨材是固定还是连续穿过,c=1.00;如果端部有肘板,c=0.90;在水密隔舱处端部没有构件连接时,c=0.6;在非水密甲板、平台和舱壁中,c=0.6。对于一般的情况,在壳板和舱室边界处,加强材连续穿过支撑横梁,作为固定端考虑。当骨材在甲板、平台或舱壁断开时,应由肘板加强。对于水密隔舱的内部构件,该系数反映了进水后的破坏问题。船舶规范具体应用时给出了参数c的值,对于底部的纵骨,c=1.3;其他位置的骨材,c=1.0。不同的取值是因为一般认为底部的纵骨除局部的弯曲外,也参与了总强度。比较常用的取值都在1.0~1.3之间。

规范给了一些确定有效跨长的法则。如果没有肘板有效跨长就是支撑中心点之间的距离。然而,有效跨长可以因为某些形式的肘板而减少。

系数Q主要是反映高强度钢的影响。如果一般强度钢(235MPa),对应的Q值为单位值1,那么高强度钢(屈服极限355MPa)对应的Q值为235/355=0.67。

加强材剖面模数SM的计算应涉及带板的面积。对边长比为l/s<4的板,有效宽度的确定应根据剪切强度理论。附连带板的组合剖面的中和轴非常靠近带板,带板宽度的精确与否对剖面模数的影响不大。剖面中一般翼板位置到中性轴的距离是板到中性轴的距离的三倍或更多。当l/s=3时,有效宽度是0.65b,使用完全的板的宽度不会有较大问题。在任何情况下,如果总体应力比局部应力大时,需要校核。在这些情况下,结构经常会存在总体压缩,导致屈曲强度分析比较关键。当加强材由屈曲强度控制设计时,板的有效宽度也需要缩减。

另外,对加强材应该注意的是,考虑到结构的腐蚀,在进行应力分析时应扣掉构件的腐蚀余量,使用结构的净尺寸来计算。

4.横梁/肋骨设计

横梁或肋骨是相互连接的横向框架梁系,用来支撑纵向骨材,提供横向强度。框架相互连接,形成封闭环。横向框架将板和骨材的荷载传递到结构主体。一般认为横向框架不参与总强度。

图4-13(a)所示为三维的横向框架与其他组成构件。独立的横梁通常与毗连的板格相关,形状上更像梁或桁材。当具有较高的腹板时,横梁常被称为深腹板梁,翼板常被称为面板。图4-13(b)所示的部分是典型的腹板或立柱的剖面。除了矩形之外,也可能是圆形或其他具有一定曲率的形状。图4-13(c),图4-13(d)显示了其他形式的横梁。图4-13(c)中横梁左右贯通,中间由正交的桁材支撑,有时中间桁材为纵向舱壁。图4-13(d)中横梁为垂向的形式,两个衡量之间使用了支柱,这在FPSO的液舱中比较常见。

在平台结构中,横梁经常要承受较大的轴向荷载,这在横梁设计时也是非常重要的影响因素。对于跨距短、腹板高的横梁和纵桁,剪切应力和变形就比较重要

图4-13 典型的肋骨/横梁框架示意图

(a)框架梁系 (b)立柱剖面 (c)纵向舱壁 (d)垂向横梁

屈曲是另一个影响横梁和桁材设计的重要因素。上面已经提到过,可以用加强筋提高腹板的稳性,使用防倾肘板提高翼板的横向稳性。

实际应用中很多横梁的设计方法来自于船舶规范,但这些规范有时不能完全适用于海洋浮式结构,还需要基于应力的分析方法。其主要原因是,船舶中应用的横梁主要用来横向承载,而海洋结构中封闭连接的横梁需要传递轴向荷载。在外压和液舱内压的联合作用下,应结合不同的装载情况,如图4-14所示为浮筒剖面,左面为空舱,右面为液舱,这样空舱上部和下部的横梁就有可能受到横向和轴向荷载的联合作用。不管怎样,规范可以给出横梁的初始设计,但还要进行应力分析来最终确定设计结构。

图4-14 横梁的典型荷载示意图

横梁的剖面设计与加强材的设计非常相似,都没有考虑轴向荷载和弯曲的重力分配。横梁通常是二维的,一般可以使用二维的简化分析方法。然而,对一些复杂的横梁,需要三维的分析模型,如横梁或与之连接的桁材具有一定的曲率的情况。在海洋工程结构中,大多数横梁与结构主体的总强度方向是正交的。这样,横梁的应力主要来自于横向局部荷载,因为总应力方向与横梁是垂直的,对其没有较大影响。

在板的设计时,局部强度应力需要与总强度应力组合才能建立板屈曲的极限状态。从这个意义上说,横梁的设计可以不用考虑后续总强度的影响,设计过程相对简化。但如果对平行于总应力方向的桁材来说,设计过程则要复杂得多。

以上讨论几乎都集中在强度方面,在建造方面也有一些要考虑的因素。虽然横梁对整个结构来说只占很少的一部分,但是横梁的建造和装配是劳动密集型工作。如何在空间上简化横梁体系,使之更容易连接,是节省劳动力的关键。除装配外,可重复性的设计对减少建造的劳动力也是非常有利的。横梁建造装配效率的重要性,往往使横梁的设计由建造,而不是由材料的利用率驱动。

横梁的设计过程有多种,常推荐的是一个三阶段的过程。这一阶段是在主体结构设计时快速建立包括横梁在内的主体结构的必要的几何形式,同时也需要确定各构件初始的、最小的尺寸。第一阶段的方法较简单,允许用迭代的方法通过多方调整得到一个合理的结构形式。第二阶段是对第一阶段所确定尺度的细化和校核,完成后可以画出构图并且开始第三阶段的有限元分析,校验设计并确认不足之处。这些阶段可根据实际需要来设定,有时第二阶段可以省略。

1)第一阶段

(1)确定板格的局部设计荷载(静态)。

(2)考虑内部分舱,进行可行的横梁系统设计。

(3)确定每个横梁或桁材的可能的控制荷载。

(4)确定基本的构型,特别是节点连接。

(5)确定横梁和荷载,检查单个构件的强度,估计剪力和轴向力。

(6)按剪切和轴向强度确定承载面积。

(7)根据规范确定需要的剖面模数。

(8)确定截面尺寸,考虑最小模数、剪切面积和轴向要求。

(9)完成简单的应力校核。

2)第二阶段

(1)建立剪力梁单元框架模型,包括剪切变形。

(2)建立考虑剪切效应的截面属性。

(3)施加荷载。

(4)准备弯矩和剪力。

(5)根据许用应力标准确定最终的腹板高度和厚度,包括屈曲校核。

(6)最终确定翼板,校核腹板高度。

(7)优化角隅连接,有效地传递荷载。

3)第三阶段

第三阶段为选择的横梁截面的有限元分析。此阶段仅为了验证第二阶段的设计,特别是关键的横梁或大量相似的横梁的设计。

(1)检查梁剖面尺寸,包括加强材腹板、细化连接节点,提出质量模型。

(2)外板、加强材可以简化或忽略。

(3)边界条件合理现实。

(4)荷载可以忽略自重和总应力。

规范中横梁和桁材的最小尺度要求剖面模数不小于:

对有曲率的壳板和液舱边界,系数c=1.5;对水密隔舱,c=1.0。如果荷载位为局部荷载和环境荷载的组合,压力h可以使用0.75hd来计算。

有效跨距的影响依赖于端部的连接。在没有肘板的情况下,取为两端横梁翼板之间的距离。如果横梁使用了大的肘板,则有效跨距要减少。规范提供了一个计算跨距的方法,对加强材,在肘板至少为45°的情况下有限跨长可以为75%的肘板长度。规范还指定了中小型肘板的尺寸。有效跨距的确定要注意实际细节,特别是对具有曲边的肘板。

图4-15所示阐明了在各种肘板的形式下横梁和纵桁的有效跨距。其中图4-15(a)所示是舱底圆角连接,为一种完全连续的面板端部连接。桁材的间距在水平方向为1.25倍的腹板高度(dw),与具有倒角的腹板相连。

图4-15(b)所示有两个直边的肘板,肘板上带面板,面板完全连续。如果肘板倾斜角度为45°或更大,那么横梁的跨长将减少肘板长的1/4;如果倾角不到45°,作为端部具有不等截面处理,面板必须截断并保证有效抵抗弯矩。

图4-15(b)中左端桁材的翼板水平并且贯通,在端部截断。如具有足够的倾角,面板必须在端部截断。面板与桁材的翼板连接,厚度至少要保证为翼板厚度的一半,采用穿透焊。另一种方式是把桁材的翼板与面板倒角平滑连接。

图4-15(c)表明了一个非连续面板的连接。这在船舶结构中比较常用,也适用于具有较小的周期性荷载的海洋结构。在这种布置中,横梁/纵桁和翼板是平直连续的,舱壁对舱壁,翼板在端部截断。肘板位于翼板的顶端,没有面板连接,两端截断。这里面板的功能主要是防止屈曲,倾斜角度至少需要45°。

防倾肘板呈三角形垂直横梁或桁材腹板放置,提供横向稳定性。一般要求具有3m的间距,不需要按加强筋的位置设置。如果有宽度大于203mm(8in)的翼板,防倾肘板需要连接到翼板上。

横梁的有效宽度与加强材不同,有效宽度比实际的横梁间距要小得多。设计时必须要考虑横梁间距s和拐点cL的位置。因为横梁与桁材的剖面相对均衡,所以精确地计算带板宽度是分析时比较重要的步骤。

前面关于剪切滞后和有效板宽度的讨论只是针对加强材而言。图4-16所示为横梁的有效宽度和应力分布。对加强材来说,这个曲线的应用依赖于拐点的估计。与加强材的端部不同,横梁的端部由于肘板和其他连接的构件相对比较复杂。

图4-15 横梁的有效跨长示意图

图4-16 横梁带板的有效宽度示意图

4.5 总强度设计

总强度的分析依赖结构的总布置,其通常有两种:一种是细长梁模型,一种是空间框架模型。前者包括Spar平台和各种船型结构,如FPSO和钻井船、起重船等;后者包括半潜式平台和TLp等。每种特定的结构类型都与主体截面的属性有关。半潜式平台的横向强度与其他平台是不同的。

1.总强度荷载系统

总强度荷载主要包括重力/浮力荷载与环境荷载。波浪惯性荷载属于基本的环境荷载。

图4-17所示是重力荷载作用在半潜式平台,其中包括理想化分布的甲板荷载、以集中力体现的立柱和浮筒的浮力和重力。上层建筑的重力荷载与集中在两端的浮力平衡,导致平台中垂的趋势,这样就需要撑杆抵抗较大的张力。中间的斜撑使甲板质量沿对角线直接传递到立柱。特别重要的撑杆端部与立柱的连接处,是保证荷载流有效传递的关键。图4-17所示,系泊系统的荷载也以张力的形式通过撑杆传递。

图4-17 半潜平台受力示意图

图4-18 半潜式平台的总强度荷载示意图

纵向看,一般传统的半潜式平台在其两边沿纵向有3或4根距离较近的立柱,每边的立柱由连续的浮筒支撑。图4-18所示为一个8立柱的半潜平台。半潜式钻井平台一般比生产平台小,荷载分布更合理,严重的纵向弯曲和剪切问题相对较少,所以不需要对角线的斜撑。从图中可以看到,上层建筑的重力荷载可以很好地由下部结构支撑,甲板受支撑的间距较短,纵向强度连续。浮筒截面能提供较好的抗剪切强度。在立柱顶端或底端与浮筒连接的位置也可能会发生较大的弯矩,因为甲板荷载和浮筒压载等的分布不均匀,但这些节点位置的应力通常很小。另一个需要注意的是浮筒的端部压力,虽然较小,但是不能忽略。8立柱的典型半潜式平台在浮筒前后两段立柱直径大,中间立柱直径小。内部的立柱更像辅助构件,通常应力水平较高,因为其设计主要用来承载而不是用来提供水线面。6立柱的半潜平台立柱一般相同,尽管立柱间距较大,但纵向应力仍然不大。不过,Pacesetter Class具有纵向撑杆。

2.环境荷载

从环境荷载角度考虑,结构的总强度存在两种波浪荷载的情况。一个是压缩/分离(squeeze/pry)荷载,是一种横向荷载效应。垂向荷载除了斜浪情况外影响不大,特别是对宽的双浮筒形式来说更是如此。第二种重要的环境荷载形式是扭转(racking)荷载。

图4-19所示系统地解释了半潜式平台的压缩/分离情形。所示的这个荷载系统有两个阶段。分离极端波峰在船中,波浪力有由里向外把结构分开的趋势。压缩阶段波谷在船中,波浪力把结构由外向里压缩。这些影响包括所有的浪向,但结构很容易受到横浪的破坏。波长和周期相对浮筒和立柱的空间位置非常重要。

图4-19 半潜式平台的分离/压缩荷载示意图

图4-20所示为更复杂的情况——倾斜荷载的状态。每一个浮筒和立柱都可以看作为一个独立的系统,当处于斜浪状态时,作用在一个浮筒上的垂向力在一端,作用在另一个浮筒上的垂向力在另一端。这样力的组合导致平台总体的扭转,或称之为扭矩(racking moment)效应。浮筒上垂向力的分布如图4-20所示,这个弯矩可能由于横向力作用位置的改变和增大而扩大。

图4-20 半潜式平台的扭转荷载示意图

正如分离/压缩荷载,扭转荷载也有两个阶段。当斜浪时,波谷位于结构的一角;另一种则是相对的,波峰位于一角。图4-20所示为中垂阶段的情况,波浪力把平台从一边向另一边交替扭转。扭转发生于任何斜浪情况,关键的浪向和波长每个位置稍有不同。传统的方法使用单个的波浪,一般是浪向沿平台对角线方向。另外,相对于立柱和浮筒的波长非常重要,这种情况关键波长比S/P更长一些。

3.Spar平台的结构布置

Spar主体和某些TLP平台(如SEASTAR)的主体与半潜式平台的单个立柱类似。典型的Spar的外壳、内壳(中央井)、甲板和舱壁都是加筋板架结构,主要根据局部强度设计。注意,在中央井和外壳的肋骨之间的镜像支柱减少了肋骨的有效跨长,也就降低了要求的剖面模数。因为Spar的主体直径很大,大直径中央井的存在降低了外壳的环向应力。局部设计规范通常能较好的配合总体和屈曲方面的强度。Spar平台设计的一个特殊情况是在运输和立直时引起的总的弯曲可能控制主体中剖面或者桁架与硬舱的连接位置的设计。

4.总体荷载分析

FPSO和MODU的总体分析需要得到组合环境荷载中的运动响应和受力情况。合成的重力、惯性力和环境力都要施加到模型上来决定内部结构的受力响应。

如果立柱直径

那么求解水动力荷载时可以忽略绕射效应。在实际应用中,对于直径小于12m(40ft)的构件可以忽略绕射的影响。在这些情况下,应用为细长杆件的修订Morison方程。Morison方程需要求解结构和波浪之间的相对运动。图4-21和式(4-7)表明了修订的Morison方程对浮式结构的应用。

图4-21 Morison公式符号及应用示意图

在立柱和浮筒上的端部力对模型很重要。应用方程(4-7)对立柱顶端有

式(4-8)中第一项是Froude-Krylov力,这个力与入射的未扰动的波浪压力有关;第二项为圆盘附加质量的一半;第三项是曳力,Cna和Cnd大约等于1。

总强度分析需要映射水动压力、重力和惯性力到结构模型上。模型由板、梁和桁架等组成。这些荷载可以在频域或时域内分析,频域方法相对成熟,计算分析速度较快,但可能得不到一些重要的非线性效应,如大倾角下的重力荷载。目前一些商业软件只有少数几个集成了水动力和结构模型,其他就需要手动把荷载映射到结构单元上去。海洋工程领域常用的商业软件有WAMIT,SESAM,ASAS/AQWA,MOSES等。

外板荷载的映射目前仅限于线性理论,梁荷载的映射基于修订的Morison公式,是非线性的。

梁分析荷载的施加相关的程序有STRUCAD,SACS,ABAQUS等。

在指定作业海况下大型的浮式结构的绕射/辐射分析时求解环境荷载的主要手段,包括FTSO的设计分析。映射这些波浪荷载的FEA模型是一个特殊的问题。工业界的设计方结合有限元分析软件制定了适合自己的一些辐射一绕射映射程序,这些程序对模型结构分析更加快速有效。

5.FPSO总强度

FPSO荷载包括空荷载Dead load、货物、压载水、系泊、立管和波浪荷载。对于柱稳式平台,简单的可以使用Morison公式来计算波浪荷载。FPSO类似于船舶结构,在受力和分析方法上与上述不同,其局部荷载设计仍然作为控制因素,而总纵强度控制需要的船体梁的剖面属性,货物装载管理程序通常用来防止特殊的装载造成的危险强度工况。波浪诱导荷载在指定作业地点通常比船舶规范规定的要小,最关键的工况来自货物和压载水装载导致的总强度。一般FPSO液舱检查不在船坞中进行,而是在作业地点进行,这就意味着当其他舱室正常装载时被选择检验的舱室必须是空的。这样的荷载可能导致大的中拱或中垂,超过正常情况。

FPSO的设计通常基于使用直接计算的许用应力法,特别是在设计转塔结构中,这种方法应用最多。然而,它也可以通过入级规范进行初始设计。下面讨论一些刚船规范的内容。

船舶的设计历史悠久,方法规范相对成熟。大型海船船舶规范一般针对无限航区设计,典型使用的是北大西洋环境,海洋工程传统设计用直接计算方法,该方法需要建立水动力模型和结构有限元模型,进行系统的应力评估。针对FPSO的部分比较研究表明,规范方法和直接计算方法可以得到大体一致的结构设计。ABS的规范对150m以上的FPSO都需要有限元分析,并且其FPSO的建造指南允许使用船舶规范修改部分参数以进行指定作业的环境的设计应用,不同的环境使用环境服务系数(ESF)来区别,环境服务参数考虑了不同的设计标准。ABS使用α和β分别用于疲劳和强度分析。这样,使用环境参数就可以把FPSO的设计者从无限制航区的限定中解放出来。ABS已经设定了荷载和强度的最小值。具体的数值指标请参阅具体规范内容。

思 考 题

1.浮式结构设计分为哪几个阶段?

2.设计荷载包括哪些内容?

3.总强度设计的主要过程是怎样的?

4.局部强度的设计重点是什么?