SACS在设备成橇底橇强度校核中的应用

谢腾腾 邢 玲 杨文光 郑 意 李金波 刘学虎

(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司)

SACS在设备成橇底橇强度校核中的应用

谢腾腾*邢 玲 杨文光 郑 意 李金波 刘学虎

(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司)

以某工程项目为例，阐述了如何利用SACS软件进行底橇计算并进行规范校核。

设备撬装 底橇 强度校核 SACS软件

设备成橇是指将流量计、温度计等仪表及相关阀门、管线安装在钢结构框架上进行工厂化制造。设备成橇后整体尺寸可以得到很好地控制，节省布置空间，且由于仪表阀门都在工厂组装，极大地减少了现场安装调试的工作量[1，2]。如今，设备成橇已成为确保油气田高效开发的重要手段，不仅能够加快油气田建设，保证建设质量，还能有效的降低整个工程的投资[3～6]，因此被越来越多地应用在海上平台建设及陆上油气田地面集输工程中。

底橇位于设备、管线的下方，用来承载整个橇块的重量及设备管线的振动等[4]，因此底橇的强度计算成为设备成橇过程中的重要环节。底橇大多为方框结构，其强度计算一般是从两个方向上分别将它简化成两点支撑的简支梁模型，或者简化为一次超静定结构[7]，进行内力计算后按照AISC规范进行手动校核[8]。这两种方法的优点是方便快捷，不用另行建立模型，只需计算底橇在两个方向上主梁的型号及数量，可以编制成Excel程序进行快速计算。但一方面由于两种方法在计算每个方向时均按整个橇块重量计算，因此偏于保守；另一方面两种方法均是将底橇简化成单个梁构件进行验算，忽略了各个构件之间的相互影响，计算准确性值得商榷。此外，对于复杂结构，如双层底橇或底橇和平台连接为一个整体的情况，构件不能再简化为简支梁模型，这两种计算方法便不再适用。因此，借助于钢结构计算软件进行底橇强度校核在设备成橇过程中的重要性越来越明显。笔者以某工程项目中的底橇计算为例，介绍SACS软件在橇块钢结构计算中的应用。

1 模型描述

SACS软件是由美国Engineering Dynamics公司开发的为海洋平台和土木工程提供结构分析的一套软件工具，现被Benley公司收购。该软件集成了AISC和API等大量专业规范校核程序模块，能够自动生成风、波、流等荷载，并对平台结构进行强度分析和动力分析[9]，因此广泛应用于国内外海洋工程结构分析中。

图1为某工程项目中分离器橇块的底橇及支撑简图，该底橇长17 900mm，宽4 000mm。底橇在现场由若干桩基支撑(图中以SUPPORT表示)，KL表示杆件型号为25a工字钢，CL表示杆件为20a工字钢，ZL表示HW205 mm×250 mm宽腹H形钢，其中ZL构件位于鞍座下方，起支撑设备重量的作用。橇块设置有4个吊耳。橇块相关重量见表1。

表1 橇块重量 kg

根据图纸，在SACS中建立底橇模型。底橇强度校核可分为吊装工况和操作工况两种情况，一般来说吊装是危险工况，只要吊装工况下强度校核通过，可不进行操作工况下的校核。但该项目由于运输限制，底橇和设备本体分开吊装运输。因操作工况下设备重量较大，从而导致吊装工况的荷载远小于操作工况下的荷载，因此两种工况都需要进行计算。图2、3分别为吊装工况和操作工况下的模型。对于吊装工况，固定吊点，用杆单元模拟吊索，释放吊索自由度，并在4个吊耳点处加设弹簧，防止模型在水平方向上的自由移动；操作工况则只需设置桩基支撑节点的约束。

图1 底橇及支撑简图

图2 底橇吊装工况模型

图3 底橇操作工况模型

根据规范API RP 2A，对于在开敞暴露海域进行的吊装，在设计吊点和形成与吊点相连的节点并将吊装力传递到结构内部的其他内部构件时，应使用最小为2.00的荷载系数计算静荷载，对于所有其他的传递吊装力的结构件，应使用1.35的最小荷载系数进行设计；对于陆上吊装，应分别使用不低于1.50和1.15的动载系数进行设计，且不得使用AISC对短期荷载容许应力增加的规定[9,10]。该橇块虽然用于陆上油田，但需要进行海上运输，为保证装卸船时的底橇强度，在此选取2.00/1.35的动载系数。吊装工况下的荷载设置见表2，负号表示荷载方向为竖直向下。

表2 吊装工况荷载设置

操作工况下的构件校核采用荷载与抗力系数设计方法(LRFD)，荷载设置依据ASCE 标准，需要考虑动荷载和风、地震等荷载。由于底橇自身迎风面非常小，在此风荷载主要考虑的是设备受到的风压。

荷载设置见表3。

表3 操作工况荷载设置[11,12]

注：D——基本静荷载；L——基本动荷载；W——风荷载；E——地震荷载。其中风荷载和地震荷载依据ASCE标准计算后以静荷载方式施加到构件上。

2 结果分析

设置好荷载组合后进行计算，计算完成后进入后处理中查看结果。为验证模型的正确性，需检查约束点的支反力及弹簧力。在此以吊装工况为例，表4显示了200荷载工况下约束节点的支反力。其中节点0006、0008、0036和0038为施加弹簧约束节点，节点0045为吊点。可见，4个节点的弹簧力均小于1kN，若弹簧力大于1 kN，则需检查吊点设置是否合理； 200荷载工况下，模型受到的竖直向下的力为：2.00×(1.77SW+SAD)=-227.77kN，与节点0045的支反力相吻合，验证了模型的正确性。

表4 200荷载工况下的节点支反力

图4、5 分别显示了吊装工况和操作工况下各杆件的UC(Utility Check)值。对于吊装工况，与吊耳直接相连的构件按200荷载校核，其他构件按135荷载校核(图4中括号内的数值)；图5显示的结果为各荷载组合下UC的最大值，结果显示中略去了UC值小于0.15的杆件。

图4 吊装工况下各杆件UC值

图5 操作工况下各杆件UC值

对比计算结果可见，吊装工况下的危险构件是与吊耳相连的长方向构件，操作工况下的危险构件是位于鞍座下方的构件，在进行设计时均应予以考虑。两种工况下底橇上的次梁构件UC值都比较小，但因为底橇上面铺设有花纹钢板，上面需要放置杂物或者供人行走，因此尽管次梁对整体结构的强度贡献不大，但仍是不可或缺的，次梁支撑间距一般控制在1.5m左右。根据计算结果，两种工况下结构杆件的UC值都小于1，表明结构具有足够的强度，目前该橇块已成功吊装，验证了结果的可信性。

此外，对于吊装工况，通过提取吊装工况下的吊索内力，可以精确选取吊索型号和进行吊耳设计；对于操作工况，通过提取节点支撑反力可以进行土建基础设计。

3 整体吊装与单独吊装的对比

本例中底橇与设备分开吊装，如果底橇和设备进行整体吊装，则情况会有所不同。整体吊装时，设备、顶部操作平台的重量均由鞍座传递到底橇。因此，在计算模型中调整荷载设置，修改吊装工况下的SAD荷载为1 176.36 kN (设备及其附件和顶部操作平台等的重量)，其他保持不变。调整后重新计算，计算结果如图6所示(括号中为135荷载校验结果)，结果中略去了UC值小于1的杆件。可见，在型钢规格不变的情况下，整体吊装时结构不具有足够强度。因此，在进行底橇设计时，要预先考虑底橇和设备是整体吊装还是分开单独吊装，这直接影响到型钢规格的确定。

图6 整体吊装工况下各杆件UC值

4 结束语

随着设备成橇的日益普及，底橇的强度校核也显得越来越重要。以往经常采用的将模型简化、手动计算内力后按标准校核的方法都需对模型做很多简化，且无法计算多支点支撑工况(如操作工况)和多层框架情况。而钢结构计算软件在进行强度校核时则具有以下优点：

图形界面友好，建模方便；内置了AISC、API等多种规范校核模块，有利于在实际项目中进行规范检验；能够处理复杂的结构和工况，计算结果精确可靠；荷载设置方便，易于调整杆件截面，实现优化设计。因此，在橇块设计中引入结构计算软件进行钢结构强度校核，可减少工程设计人员的负担和设计周期，增加计算的准确性，有利于项目的实施与进行。

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*谢腾腾，男，1989年2月生，助理工程师。上海市，201518。

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