m
图11 梁底应力比较
Fig .11 Comparis on of stresses at bott om of bea m 2.4钢筋混凝土板
一般在用实体单元模拟板时,实体单元是由面经过拖拉、旋转、偏移等方式生成的,可先在原始面上生成
板单元形式的网格,然后在生成体的同时自动生成三维实体网格。网格划分是建模中较关键的一个步骤,网
格划分的好坏直接影响到计算的精度和速度,一般应参照以下几点原则[7-8] :
(1四边形单元精度较三角形单元精度高,三角形单元建议只用作过渡; (2单元的纵横比不宜过大,如对于四边形,纵横比宜控制在1~4时,才能获得较好的计算结果;(3四边形单元内角在90°左右,或至少在45°~135°之间时,可获得较好的计算结果;(4在集中荷载与形状突变或梁板相交处,网格应细分。
3 荷载
一般结构承担的荷载可分为5类: (1位移和约束
位移和约束是用来定义模型固定的位置(零位移位置,也可以用非零位移来设定一个已知的偏移。本工程中将桩底的竖向自由度约束为零,以模拟桩支撑于大地。
(2波流荷载及风荷载
本工程中,波流荷载与风荷载需要用线荷载形式加至相应的单元上。1波流荷载 对于小尺度圆形构件(D /L ≤0.2,垂直于其轴线方向的单位长度的波浪力f,可按Moris on 公式计算[9-10]:
f =0.5C d ρD |u |u +0.25C m ρπD 2
u (3式中:C d ,C m 分别为曳力系数和惯性系数;ρ为海水密度;D 为圆形构件直径;L 为设计波长;u, u 分别为水质点垂直于构件的速度和加速度。
海流与波浪联合作用时,u 为波浪水质点的速度矢量与海流速度矢量之和在垂直于构件方向上的分矢量,根据海区的波浪参数选用不同的波浪理论,该平台波浪力用司托克斯三阶波进行计算,并对不同入射方
?
312?6期徐秀丽等:大型海洋平台基础结构有限元分析
?214? 自 16 卷 然 灾 害 学 报 向进行搜索 , 以得到在以某入射方向产生最大合波力及相应波峰位置 。 根据计算的波浪荷载 ,在标高 - 27. 8 m (冲刷面 以上对应梁单元以线荷载的形式施加波流力 ,对应于 实际情况下波浪对桩的作用力为东西向 ,在模型中为 + Y向 (如图 2 所示 。 2 风荷载 作用于平台上的风荷载按下式计算 [ 11 ] : F = k1 k2 p0 A 2 ( 4 式中 : k1 , k2分别为风荷载体形系数及海上风压高度变化系数 ; p0为基本风压 P0 = av ; a 为风压系数 ; v, A 分 别为设计风速及受风面积 。 根据计算的风荷载 (东西方向 , 在标高 + 3. 7 m (海浪面 以上至桩顶的相应单元上施加均布风荷载 112 kN /m。 ( 3 恒载及使用活荷载 恒载为构件及建筑做法对应的重量 ,活荷载为由功能实施过程中产生的荷载 。 ( 4 温度荷载 物体受温度荷载作用时 ,如果不受外界约束 ,则物体只发生自由变形并无内部应力 ,只有当物体处于温 度变化状态且又有外界约束 ,其变形受到限制时才会产生温度应力 ,故温度应力是由物体所受温度荷载作用 与外界约束共同作用的结果 。本工程所施加荷载为 : 钢筋混凝土面板与钢梁体系升温 13. 3 ℃,体系降温 21. 3 ℃。 ( 5 动力荷载 波流力 、 地震力等 ,本文只考虑 ( 1 ～ ( 4 静荷载的作用 ,平台基础在其它荷载作用下的效应另行分析 。 4 分析结果 通过对采用前述方案 4 建立的海洋平台基础有限元模型进行分析 ,得到平台基础在恒载 、 波流荷载及温 度荷载作用下的内力 (应力 ,见表 2。根据分析结果 ,可对平台基础做出如下评价 : 表 2 各荷载工况下海洋平台计算结果 (方案 4 Table 2 Numerical results of offshore p latform under loading scenarios ( scheme 4 恒载 m in - 5 671. 13 - 33. 80 - 130. 36 - 917. 18 - 266. 79 - 44. 53 - 281. 98 - 456. 13 - 66. 05 - 31. 17 - 1. 09 - 0. 79 - 0. 14 - 2. 29 max 2 753. 13 677. 92 648. 62 4 784. 54 4 983. 36 184. 29 1 220. 39 1 798. 10 269. 68 119. 88 4. 38 7. 46 9. 99 13. 42 结构 部位 波流 m in - 2 610. 71 - 526. 54 - 640. 97 - 4 727. 79 - 3 324. 22 - 184. 29 - 1 888. 13 - 1 731. 99 - 254. 20 - 119. 81 - 4. 79 - 7. 52 - 1. 14 - 13. 13 max 282. 33 267. 70 51. 57 372. 80 613. 12 37. 93 231. 45 413. 10 58. 79 18. 20 2. 08 3. 31 3. 48 3. 48 温升 m in - 225. 81 - 155. 52 - 27. 44 - 453. 84 - 874. 89 - 37. 92 - 306. 88 - 324. 23 - 58. 79 - 19. 97 - 2. 14 - 2. 94 - 1. 32 - 5. 31 max 361. 64 249. 07 43. 94 726. 83 1 401. 13 60. 74 491. 46 519. 25 94. 15 31. 98 3. 43 4. 71 8. 50 8. 50 温降 m in - 452. 15 - 428. 72 - 82. 58 - 597. 04 - 981. 91 - 60. 74 - 370. 66 - 661. 59 - 94.
15 - 29. 15 - 3. 33 - 5. 30 - 1. 56 - 5. 57 内力 max F x / kN F y / kN F z / kN 237. 14 29. 65 桩 133. 56 721. 98 266. 79 44. 53 M y / ( kN ?m M z / ( kN ?m F y / kN F z / kN 305. 55 298. 06 66. 05 16. 58 1. 12 1. 05 1. 55 2. 20 梁 M y / ( kN ?m M z / ( kN ?m M zh / (N ?mm S xx / (N ?mm -2 -2 板 S yy / (N ?mm 2 S p1 / (N ?mm - 2 S pm ax / (N ?mm -2 :桩 、 注 梁内力取值基于局部坐标系 ,沿杆件轴线方向为 x 轴 , 与其垂直的其余两轴分别为 y 轴 、轴 , M zh为组合应力 ; 混凝土板应力取值基 z 于全局坐标系 。
6期 徐秀丽等 : 大型海洋平台基础结构有限元分析 ?215? ( 1 波流荷载对平台基础各构件 (钢管桩 、 钢梁 、 混凝土板 的影响是所有荷载中最大的 , 其次是温降作 用 ,恒载和风荷载影响相对较小 。 ( 2 在波流荷载作用下 ,桩内会产生较大的拉力 ; 在自重荷载与施工荷载作用下 , 所有桩的轴力均为压 力 ,但在桩基础的施工过程中 ,由于上部结构尚未形成 ,恒载较小 ,需采取一定的压桩措施来防止桩被拔出或 波流冲倒 。 表 3 平台构件应力校核 ( 3 经对平台各构件在规范规定的各种组合荷载 Table 3 Check of p latform stresses in components of p latfor m 作用下的应力进行验算 , 钢管混凝土桩与钢结构主梁 均满足材料强度要求 ,见表 3。 ( 4 由于本文分析中未考虑混凝土板中预应力钢 筋与普通钢筋的作用 , 表 2 中列出的混凝土板的应力 为名义应力 ,混凝土中的实际应力需另行分析 。 结构部位 桩 梁 校核应力 /106 Pa 72. 6 164. 28 容许应力 /106 Pa 325 325 5 结语 大型海洋平台由于规模庞大 ,所处环境特殊以及综合性的使用功能要求 ,使其所承担的荷载大 、 类型多 、 结构受力复杂 。建立科学合理的有限元模型是准确分析结构内力的前题 : 一方面模型要尽可能全面地反映 结构的受力特性 ,另一方面又需对结构进行适当的简化 ,以满足计算机的运行要求 。为此在设计和建模分析 中需注意以下问题 : ( 1 应选取恰当的板有限元类型 。当划分的薄板单元尺度不符合薄板基本假定时 , 计算出的板内应力 会失真 ,因此应慎重使用薄板单元 ; 如果板厚较大 ,宜选用厚板或实体单元进行模拟 ; ( 2 当板厚度较大时 ,除需考虑板本身的面外刚度 ,由板形心对梁形心的相对距离所形成的空间刚度对 叠合梁的刚度贡献更大 ; ( 3 当梁间间距较大时 ,只能考虑梁侧部分板对叠合梁刚度的贡献 (建筑规范上对此有具体要求 ,全部 考虑会使梁的刚度取值过高 ,亦不能将钢梁宽范围内混凝土板对梁的刚度贡献及质量重复计算 ;