高强小规格梁在平台结构中的应用分析及建议

尹晓明，李 娟，张赵君，石 磊，卢 晶

（海洋石油工程股份有限公司 天津 300451）

当前，海上石油和天然气的开采已经是我国自主能源供给的重要组成部分，海洋石油和天然气能源的开采依靠海洋平台的建设。我国已经步入深海油气开发阶段，国内最深的固定式平台已达近300 m［1］。随着水深的增加，其所处环境更加复杂恶劣，承受着多种随时间和空间变化的随机荷载，包括风、波、浪、海冰等荷载的联合作用［2］。

由于海洋开采油气区域的水深越来越深，上部平台结构重量对下部支撑结构的影响变得越来越大，如何减轻上部结构重量是工程上急需解决的问题。近年来，高强钢已经普遍应用于海洋工程中［3］，超高强钢也开始应用到深水平台中［4］，但工程上的小梁结构一般还是采用屈服强度为235 MPa的低强度钢材，若能以屈服强度为355 MPa的高强度钢材替换，同时降低小梁的规格，则可在一定程度上降低上部结构的重量。换成高强钢小梁后，强度增加了51%，但能够减少的重量往往达不到期待的效果。海洋平台结构一般采用API［5］进行设计，按照AISC［6］规范进行结构校核，本文从结构校核规范着手，分析了影响梁受弯容许应力的各种影响因素，进而剖析高强小规格梁的适用情况，并对其在平台结构中的应用提出了建议。

1 基于AISC 9th的梁承载力的理论计算

根据AISC 9th规范的要求，以及不同受压翼缘的侧向无支撑长度是否超过临界长度LC，梁的受弯容许应力Fb有不同的计算方法。为了方便对比，下文对公式采用的英制单位进行了国际单位的转换。

其中：bf为梁翼缘宽度（mm）；d为梁高度（mm）；Af为梁受压翼缘面积（mm2）；Fy为梁的屈服强度（MPa）。

当受压翼缘的侧向无支撑长度不超过LC时，弯曲容许应力Fb取0.66Fy。在这种情况下可以看出，弯曲容许应力与钢材屈服强度成正比，提高屈服强度可以明显增加弯曲容许应力Fb值。

当受压翼缘的侧向无支撑长度超过LC时，根据L/rT不同的取值范围分别计算Fb。

Fb按式（2）进行计算：

Fb按式（3）进行计算：

除了按式（2）（3）计算外，Fb还同时不应小于按式（4）计算出的数值。

其中：L为受压翼缘的侧向无支撑长度（mm）；rT为包含受压翼缘和1/3 受压腹板的截面回转半径（mm）；Cb为与弯矩斜率相关的弯曲系数。

从式（3）（4）可以看出，弯曲容许应力Fb的计算与屈服强度Fy无关，如果是由这2 个公式确定的Fb，则增加Fy对其没有任何影响。

2 常用规格小梁的弯曲容许应力

海洋平台结构中常用的小梁规格主要有H300×150×65×9、H350×175×7×11 和 H400×200×8×13，通常采用屈服强度为235 MPa的低强钢。

对于小梁，工程上通常近似取小梁跨度为其侧向无支撑长度，故本文根据不同跨度进行比较分析。

表1中给出了不同规格小梁的LC数值。当小梁跨度不超过LC数值时，弯曲容许应力取到最大值，即为0.66Fy。从表1 中数值可以看出，小梁规格越大，LC数值也相应变大，即弯曲容许应力能够达到最大值的跨度范围越来越大。

表1 不同规格小梁的LC数值Tab.1 Lc values of different specifications of secondary beams

图1给出了这3 种规格小梁在不同跨度下的弯曲容许应力。从图1 显示的结果来看，同一规格的小梁，在最初较小跨度的情况下，曲线表现为水平直线，弯曲容许应力保持不变且维持到较大数值；之后弯曲容许应力随着跨度的不断增加，表现为先下降，接着出现一个小的水平段，随后持续下降。除了初始段区域外，不同规格小梁在相同跨度下其规格越大对应的弯曲容许应力越高。

图1 不同跨度小梁的弯曲容许应力比较Fig.1 Comparison of allowable bending stress of secondary beam under different spans

表2给出了不同跨度下3 种规格小梁的弯曲容许应力的具体数值。值得注意的是，对于H300 小梁，尽管在2 m跨度下十分接近其LC数值1 952 mm，但由于规范适用公式的变化，导致其弯曲容许应力从155 MPa下降到141 MPa，降幅高达10%。

表2 不同跨度下3 种规格小梁的弯曲容许应力Tab.2 Allowable bending stress of three kinds of secondary beams under different spans

根据图1 和表2 中弯曲容许应力的变化趋势，结合海洋平台荷载的特点，为了充分发挥小梁的作用，建议工程上H400 小梁跨度最大不要超过5.5 m，较合适跨度为5 m；H350 小梁跨度最大不要超过5 m；H300 小梁跨度最大不要超过4.5 m，较合适跨度为4 m。

3 高强度小梁替代低强度小梁的应用分析

用355 MPa高强度小梁代替235 MPa低强度小梁，其屈服强度增加了51%，如能降低小梁规格，则可降低组块重量、减轻荷载负担，同时能够在一定程度上降低工程费用。但实际情况中，往往会出现应用高强度小梁后，其强度UC却没有明显改善的情况，无法降低小梁规格。

从图2 可以看出，与低强小梁相比，弯曲容许应力变化趋势大体一样，只是中间缺少小的水平台阶，从最高值过后几乎同一斜率下降。

图2 355 MPa高强度小梁的弯曲容许应力比较Fig.2 Comparison of allowable bending stress for 355 Mpa secondary beam

图3分别给出了355 MPa和235 MPa的H400 小梁的弯曲容许应力的比值。当跨度小于2 m时，高强梁的弯曲容许应力的增长率与屈服强度成正比，增大了1.51 倍；随后增长幅度逐步下降，在跨度6 m的情况下，几乎没有增长；在5 m跨度下，增长约18%。根据以上分析，应用H400 高强小梁时，梁的跨度不超过5 m才能起到一定作用。

图3 H400 规格高强与低强梁弯曲容许应力比值Fig.3 Comparison of allowable bending stress between highstrength H400 secondary beam and low-strength H400 secondary beam

工程上采用高强H350小梁替代低强H400小梁，如受力可以满足，则可减少重量、降低工程费用。但从图4 可以看出，替换成高强H350 之后，在1.5 m跨度前达到最大值，之后逐渐下降，在4.5 m跨度之后其弯曲容许应力比值已经＜1，即这部分范围屈服强度的提高没有起到任何作用。由图4 还可以看出，屈服强度的提高并没有抵消梁规格降低带来的影响，对于常用的4～5 m跨度,考虑到截面抵抗矩降低，实际应力变大，用高强H350 小梁替代低强H400 小梁，其受力UC会变大，并不适合替换。但在一些荷载较大的区域，结构采用较小跨度小梁布置，可以采用高强小梁代替低强小梁，其效果较明显。

图4 高强H350 规格与低强H400 规格梁弯曲容许应力比值Fig.4 Comparison of allowable bending stress between highstrength H350 secondary beam and low-strength H400 secondary beam

同样地，采用高强H300 小梁替代低强H350 小梁，从图5 可以看出，在4 m 跨度之前比值＞1，之后均＜1，整个曲线的趋势与图4 基本相同。所以对于＞4 m跨度小梁采用高强H300 小梁替代低强H350 小梁也达不到理想效果。同样在一些由于荷载较大结构布置了较小跨度小梁的区域，可以达到预期效果。

图5 高强H300 规格与低强H350 规格梁弯曲容许应力比值Fig.5 Comparison of allowable bending stress between highstrength H300 secondary beam and low-strength H350 secondary beam

4 高强小梁应用建议

当工程上采用低强小梁时，根据弯曲容许应力的变化趋势并结合海洋平台荷载的特点，为了充分发挥小梁的作用：H400 小梁跨度最大不要超过5.5 m，较合适跨度为5 m；H350 小梁跨度最大不要超过5 m；H300小梁跨度最大不要超过4.5 m，较合适的跨度为4 m。

采用高强H350 小梁替代低强H400 小梁和采用高强H300 小梁替代低强H350 小梁时，因为降低了规格，所以在同样荷载作用下，低规格梁由于截面抵抗矩等参数的降低，其实际应力会变大，而在常用跨度下，弯曲容许应力增长很小甚至降低，构件的受力UC会变大，导致很多构件计算不满足要求，减重效果不明显。但在一些荷载较大的区域，结构采用较小跨度小梁布置时，以高强小梁代替低强小梁的效果较明显。■