海洋工程浮式网架结构数值模拟

张欣宇++张培培

摘 要：网架结构具有重量轻、工业化程度高、整体强度刚度大、制造施工方面等特点，随着海洋技术的发展，逐渐被应用于海洋工程中。通过对公共建筑和工业建筑中广泛应用的网架结构进行选型分析，选定浮式正放四角锥网架结构为计算模型，利用有限元ABAQUS软件进行力学建模和数值模拟，通过AQUA海工模块施加海洋环境荷载，根据应力的大小和应力最大值出现的位置分析海洋环境荷载对结构局部构件影响，并分析结构整体的受力特性。

关键词：浮式网架结构 ABAQUS 正放四角锥

中图分类号：P75 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）03（b）-0066-02

近年来，随着各国对海洋资源的开发从近海走向深海，大型浮式结构为满足强度要求和安全性而不断增加设计、制造、施工难度和成本，已经难以有效发挥作用。由于海洋工程中传统的实体式结构投资大、施工周期长、受自然条件限制且维修较难，相比之下，网架结构具有重量轻、工业化程度高、整体强度刚度大、制造施工方面等特点，随着海洋技术的发展，将其引入到海洋工程中 ，一般可用作人工岛屿上用于物资存储的大型仓库等建筑物[1]、海洋石油半潜式平台、Spar和张力腿平台、浮动机场、跨海浮桥、浮动码头、水上工厂仓储、水上游乐场、浮式人工岛、海上城市等海洋超大型浮式结构物（VLFS）的浮体结构[2]。

海洋环境中，波浪是结构设计的主要控制荷载，为有效利用海上空间、开发海洋资源，将网架结构引入到海洋环境中，针对实际参考的海洋水文条件施加海工模块AQUA动力荷载，计算结构的应力，分析结构的受力特性。

1 数值模拟分析

1.1 模型尺寸及参数

正放四角锥三层网架结构高度为2H=30m，平面尺寸为200m×200m，由水平杆、斜杆及球节点构成。水平杆长14.3m，外径为2m，壁厚0.02m；斜杆杆长23.1m，外径2m，壁厚为0.02m，斜杆与水平面夹角为50°球节点外径为6m，壁厚为0.025m。浮式网架结构构件均为钢杆，选取Q235钢，钢材密度为7 850kg/m3，弹性模量为210GPa，泊松比0.3，许用应力为235MPa。选定的分析对象为浮式网架结构中心处的一榀网架如图一所示，结构透视图如图二所示，自由水面位于结构高度一半处。

1.2 海洋水文条件

根据南海某工程实例，波高Hs=6.5m，波浪周期Ts=8s，海面流速v0=1.1m/s，水深d=1 000m，设计风速v=40m/s[3]，假定流速随水深成线性递减趋势。在海工模块AQUA中，波浪数据可通过读取用户自定义的UWAVE子程序获得，该文采取线性Airy波理论[4]，通过编辑inp文件施加波浪力[5]及各种海洋环境荷载。

2 结果分析

考虑到波浪力、海流力作用方向为Y方向，对结构在自重力、浮力、上部承载、海流力、拖曳力、惯性力和波浪力共同作用下Y方向的应力进行计算分析，计算结果如图三所示。结果显示在Y方向结构应力最大值约为0.58MPa，所有应力均小于钢材的需用应力，最大值出现在结构顶层斜杆与边缘球节点连接处附近。顶层角点附件杆件应力值与其它部位相比较大，这是由于边界条件对该区域构件有一定的约束作用，同时给结构露出水面部分施加AQUA动力荷载时考虑了伴生力的作用，故该区域结构应力值较大。

3 结语

通过对浮式网架结构模型的有限元分析和计算，可看出在海洋环境荷载作用下，结构整体的应力分布较均匀，应力较大区域主要集中在顶层斜杆与球节点连接处附近，为使结构整体受力合理，为实际的工程应用提供一定的参考，在实际结构设计时，应结合具体的工程要求，保证结构强并处理好应力值与许用应力的关系，可采取改变局部构件的尺寸参数等措施来提高结构的有效承载力。

参考文献

[1] 翟钢军，刘建明.平板网架结构模糊优化设计在海洋工程中的应用[J].中国海洋平台，2005，20（5）：21-25，50.

[2] 严建军.海洋工程的新型浮式结构—浮式网格结构[J].中国海洋平台，2008，23（4）：38-40.

[3] 李中，杨进，曹式敬，等.深海水域钻井隔水管力学特性分析[J].石油钻采工艺，2007，29（1）：19-21.

[4] 吴家鸣，郁苗，朱良生.桁架式近海结构物整体波浪荷载分析[J].华南理工大学学报：自然科学版，2009，37（11）：1-6.

[5] 康啊真，祝兵，邢帆，等.超大型结构物受波浪力作用的数值模拟[J].工程力学，2014（8）.