SACS软件在建筑行业中的应用

黄先超，姜立群，张 平，刘全刚，高 阳

(海洋石油工程(青岛)有限公司 山东 青岛 266555)

1 工程背景

我司为大型海洋工程建造场地，地处海边，常年受到海风的侵袭，为改善施工环境，提高工作效率，现利用公司的余废料设计出一座工棚来满足现场的生产需要。工程设计需满足以下要求：

第一：因工棚地处海边，可能会收到台风的影响，这就要求工棚结构牢固可靠，可以抵御强风。

第二：为了实际上产需要，在靠近固有建筑一侧设置敞开式构造，留出过车道用来工棚的进料和出料。

第三：考虑到工棚内噪音的扩散、焊接等施工过程中产生的有害粉尘的快速扩散和工棚的实际作用，在工棚的另外一侧敷设2.2米高的钢瓦楞板用于抵御寒风，上面为敞开式构造。

图1为整个工棚三维模型：

图1 工棚整体效果图

整个工棚是由H型钢，角钢、筋板、钢板、瓦楞板等焊接而成，为校核整个工棚的结构强度，本文采用SACS软件来进行强度和刚度的计算分析。

2 SACS软件

2.1 SACS软件介绍

SACS软件是美国Engineering Dynamics公司为海洋平台和土木工程提供结构分析的一套软件工具，目前已发展成为当今海事结构设计分析中应用最为广泛的软件系统[1]。Bentley SACS软件包含多个互相兼容的分析程序，不仅适用于各类海事结构分析，也适用于各种民用建筑结构分析。SACS软件内置美国钢结构规范(API RP 2A-WSD)，ISO 19902，丹麦、英国、欧洲等22个钢结构设计规范，在后处理过程中，可以直接选择采取哪个规范进行校核。软件具有建模速度快，可视化程度高，对计算机要求低等优点。

SACS软件计算分析主要分为以下几个步骤：(1)建立节点，设置杆件截面形式及材料属性；(2)连接节点，赋予杆件相关属性；(3)设置约束条件，施加荷载；(4)选择校核规范，设置计算输出结果；(5)查看结果，校核结构强度和刚度。

2.2 计算模型的建立

图2 工棚SACS模型

为校核整个结构的强度和刚度是否满足相关规范的要求，在本文中，忽略了基座对工棚结构强度的影响，只对工棚的柱体和棚顶在相关荷载作用下的强度和刚度进行了分析，工棚SACS模型见图2。

3 荷载分析

3.1 简化模型

图3 工棚受到的荷载

工棚建造完成后，整体焊接在由型钢及钢板焊接而成的基础上，工棚所受到的荷载主要有结构自重，风荷载(下部围挡受到的风荷载q下和上部顶棚受到的风荷载q上)和顶棚受到的雪荷载q雪，如图3所示。

3.2 风荷载

工棚处于我司厂区内，靠近海边，常年受到海风的侵袭，夏天还经常受到台风的影响，为保证整个工棚结构牢固可靠，选用12及风进行结构强度和刚度校核。

表1为风速等级表。

表1 风速等级表

从表1可以看出，12级风的风速为32.6～36.9m/s，在软件计算中，为保守计算，取12级风速上限即36.9m/s。

根据相关规范[2]，垂直于物体表面上的风载荷，应按下式计算：

其中：ρ——空气密度，kg/m3；

μ——风速，m/s；

CS——体型系数；

A——风向投影面积。

在结构强度计算过程中，在风向和工棚长度方向垂直时为最不利工况，本文则对最不利工况进行了强度和刚度校核。在此工棚的分析过程中，风载荷主要分为两部分：(1)下方围挡所受到的风荷载；(2)工棚顶棚所受到的风荷载。由于裸露在外面的型钢受风面积较小，所受到的风荷载可以忽略不计。

经计算得：下面围挡所受的风载荷为F下=209.8kN，上面棚顶所受到的风荷载为F上=97.65kN，在模型中，下面的风荷载简化为梁上的线荷载，每根梁上的线荷载为：q下=6.27kN/M，上部风荷载简化为节点处的集中荷载，每个节点处的集中荷载为：q上=7.51kN。

3.3 雪荷载

根据建筑结构荷载规范GB50009-2012[3]，屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算：

其中：Sk——风荷载标准值，kN/m2；

μr——屋面积雪分布系数，此工程为1.0；

S0——基本雪压(kN/m2)，山东青岛50年一遇值为0.2。

带入公式，得出此工棚风荷载标准值为0.2kN/m2，进一步可以计算出工棚所受到的风荷载为74.8kN，模型中，风荷载简化为棚顶结构梁上的线荷载，每根梁上收到的线荷载为：q雪=1.11kN/m。

4 计算分析

4.1 工况分析

本文采取在软件中分析了三种工况：

工况一：工棚正面遭受12级风作用；

工况二：工棚遭受50年一遇的雪荷载；

工况三：工棚承受上述两种荷载，及暴风雪作用。

在本文软件计算校核过程中，忽略基座对结构强度的影响，支柱连接基座出进行全约束处理，计算过程利用API RP 2A-WSD规范来进行校核。在结构强度计算中，UC(unity check)值是衡量结构强度是否安全的一个重要指标。轴向应力和弯曲应力与其容许应力的比值之和小于1，且剪应力与其容许应力的比值小于1，则UC<1。所以必须保证所有杆件的UC值均小于1.0才能保证整个防沉板的强度在吊装过程中是安全的。即：

为材料的屈服强度；Fa为杆件轴向应力，Fby为杆件平面内弯曲应力，Fbz为杆件平面外弯曲应力，Fv为杆件的剪切应力。

4.2 工况一的结构强度和刚度分析结果

在工况一的作用下，整个工棚的应力云图和位移云图见图4。

图4 工况一作用下，工棚的应力和位移云图

通过图4可以看出，在12级风的正面作用下，整个工棚的最大UC值为0.67，满足结构强度要求，节点最大横向位移为1.26cm，满足工棚的刚度要求。

4.3 工况二的结构强度和刚度分析结果

在工况二的作用下，整个工棚的应力云图和位移云图见图5。

图5 工况二作用下，工棚的应力和位移云图

通过图5可以看出，在50年一遇的雪荷载作用下，整个工棚的最大UC值为0.134，满足结构强度要求，节点最大竖向位移为0.084cm，满足工棚的刚度要求。

4.4 工况三的结构强度和刚度分析结果

在工况三的作用下，整个工棚的应力云图和位移云图见图6。

图6 工况三作用下，工棚的应力和位移云图

通过图6可以看出，在极端天气即暴风雪的作用下，整个工棚的最大UC值为0.67，满足结构强度要求，节点最大竖向位移为1.279cm，满足工棚的刚度要求。

5 抗倾覆计算

由于工棚的重心偏高，跨度偏小，考虑到工棚的抗倾覆能力偏弱，现场利用余废料做成基座，整个工棚焊接在基座上。基座主要是由H350的型钢，上面敷设PL20的钢板焊接而成，整个基座重为97.8T，工棚重为48.6T。在抗倾覆计算过程中，工况一为最危险工况。计算模型见图7。

根据GB50007-2011建筑地基基础设计规范规定，抗倾覆安全系数须≥1.6，即可认为整个结构是安全的，本工棚的抗倾覆安全系数为：

图7 抗倾覆计算模型

由上式计算结果可知，整个工棚的抗倾覆安全系数满足设计要求，是安全的。

6 结论

通过对工棚的结构强度、刚度、抗倾覆能力的计算，可以得出以下结论：

(1)本文设计的工棚是符合设计要求的，通过SACS软件在海洋工程中多年的应用，可知SCAS软件在本文中的应用是成功和有效的，并且是可靠的。

(2)SACS软件具有建模速度快，并可按照多种规范进行校核。

(3)在SACS软件计算中，可选择某一个规范进行校核，避免了由于利用多个规范进行校核而带来的偏差，使计算结果更严谨。

(4)为保证工棚的正常应用，须对工棚进行一年一次的年检，避免结构因锈蚀带来的强度的损坏。