刘亚光 成金凤 谈景尧

(天津开发区海宁船舶工程技术有限公司,天津 300457)

XSTEEL与SCAS结合在JZ25-1S WHPE组块水平片吊装中的应用

刘亚光 成金凤 谈景尧

(天津开发区海宁船舶工程技术有限公司,天津 300457)

海洋工程结构加工设计和建造过程中,需要对大型结构进行吊装计算分析,以确定结构吊点的位置、吨位及强度,同时分析结构的变形。本文依据海洋工程JZ25-1S WHPE组块EL(+)17 800 M4#水片吊装实例,总结XSTEEL软件与SACS软件相结合进行吊装计算的步骤,同时对计算过程中的一些问题进行分析和探讨。

XSTEEL SACS 吊装分析 吊点布置

1 引言

SACS(Structural Analysis Computer System)程序是用于海洋平台结构分析的软件。它被遍及世界的上百个与海洋工程有关的设计公司或油公司使用,并得到世界各个权威检验机构的认可。该程序由20多个不同功能的模块组成,以便完成各种不同计算功能的要求。

Tekla Structures是通过创建三维模型后自动生成钢结构详图和各种报表。Xsteel模型建好以后,可用于检查结构的杆件间是否存在碰撞,同时给出碰撞清单以便改正设计不合理的地方；还可以从模型中提取车间施工用的单件图；还可以给出结构整体或局部的重量及重心位置。

2 吊装过程描述

JZ25-1S WHPE为四层甲板片的组块,整个组块总重2976t。本文就该组块的中间层EL(+)17 800 M4#水平片进行吊装分析。此水平片吊装过程是先将其从预制场地吊装运输到喷砂车间,整体喷涂后再运输至总组吊装场地进行吊装组对。此水平片吊装时主要有以下难点:首先是大梁分布不对称,这必将导致水平片的重心位置与其几何尺寸的中心不同；其次是整个水平片的尺寸过大,并且吊装过程中水平片一侧带立柱,立柱处带有环板,并且带立柱侧是组对的地方,这将增加吊装组对时的难度系数。

3 吊装计算过程

(1)从XSTEEL模型中查询水平片的重量和重心位置并将水平片的布置图导入AutoCAD中。Xsteel软件搭建的模型中包含了钢结构工程中结构和建造的全部信息,如型钢、板材、焊缝、螺栓和其他材料等；每个杆件都包含横截面积、单位重量等几何属性和截面惯性矩、中性轴等力学属性,这就为准确、快速地搭建模型及查询水平片的重量和重心位置提供了可靠的保证。

(2)确定吊点的位置及吊车的起吊位置。由XSTEEL软件查询此水平片的重量为121t,根据现有设备和水平片的形状尺寸,采用两台履带吊车联合作业的方式。然后再根据每个吊车的起吊能力及场地限制来确定吊车的起吊位置。按照几何原理,由两台吊车的吊点组成的直线应穿过水平片的重心。在AutoCAD中将水平片平面图比例缩放为1:1,然后把水平片的重心位置画在图中,并初步确定吊点的位置,一个起吊位置设4个吊点,并且一般吊点的位置都布置在水平片的主梁上。

(3)在SACS软件中建立组块模型。在吊装分析中,只需对吊装的主结构进行模拟,主结构包括组块的腿和水平片结构。其他结构,如组块井口周围的具体结构、吊耳、栏杆等具体的附属结构,可以不作为计算模型的一部分进行模拟,而是作为加在组块上的载荷进行模拟。因此,首先在EL(+)17 800 M4#水平片模型文件中加入节点、杆件及板材,其中杆件包括水平片主次梁结构和立柱,而筋板及其他加强结构以载荷的形式加在水平片上。然后对杆件和板材的特性进行定义。在PROPERTY下拉菜单中定义杆件和板材的特性,包括杆件板材的外形尺寸和材料特性。

(4)在SACS模型中加载载荷。SACS模型建立完毕之后,通过SACS的SELFWEIGHT命令加载水平片的重量；然后根据XSTEEL模型查询的水平片的重量和重心位置,计算出SACS模型中所有需要以载荷的形式加在水平片上的重量,通过LOAD窗口的下拉菜单,将集中载荷或分布载荷加到结构模型中,使得SACS模型与Xsteel模型重心位置一致；通过增加组合工况,调整SACS模型的重量,使之与Xsteel模型的重量一致；在加载荷载过程中,每一种载荷都定义了工况和载荷名称,为了进行计算分析,需要对所有工况进行组合,并且考虑到一些未模拟的重量如油漆和焊材等,将组合荷载增加1．05倍的重量不确定系数,这个组合荷载就是吊装过程中的静荷载；在吊装过程中,由于吊车运动产生冲击,因此在计算过程中应考虑动力载荷系数,根据规范加载1．5倍的动态放大系数；同时为防止水平片在起吊过程中位移太大,不符合实际情况,在水平片三个角上加载三个弹簧。

(5)模拟索具并进行结构强度和稳定性校核。索具只模拟钢丝绳并且模拟为杆件,同时需保证钢丝绳与水平片的夹角大于60°,并根据钢丝绳资源选择16m长的钢丝绳。这里的关键问题是要对钢丝绳的两端进行约束,使钢丝绳只承受轴向力。通过在软件里设置计算规范,运行SACS程序进行线性分析,从而得出所有杆件的位移和最大应力比,得到的计算结果不太可能全部满足规范要求,需对吊点位置的进行调整并重新进行校核。

(6)确定吊索具。通过SALST文件可以得到钩头力,钢丝绳受力及杆件UC值。其中钩头力用以选择吊车,钢丝绳受力用以选择钢丝绳、吊点和卸扣。杆件的UC值有如下定义其中Fa、Fby和Fbz分别为许用的轴向应力、梁沿y轴和z轴的弯曲应力,只有杆件的UC值小于1时,则可认为杆件在此吊装过程中是安全的。

4 吊装过程中问题分析

考虑到吊装过程中水平片未带立柱一侧会向下倾斜,导致吊装组对困难,因此在设计起吊位置时向未带立柱一侧偏移50-100mm。

5 结语

通过以上叙述,可以看出:XSTEEL软件和SACS软件在海洋工程的建造过程中起着非常重要的作用。XSTEEL软件能够较准确的确定水平片或局部的的重量和重心,减少了SACS软件建模工作量。SACS软件在计算过程中虽还有不足(在做计算分析时,甲板板并没有参与强度计算,只是把板重量计算出来,施加在结构上),但其作为对吊装方案的技术支持已满足要求。

[1]海洋石油工程设计指南第4册平台结构设计.

[2]API RP 2A WSD海上固定平台规划、设计和建筑的推荐做法——工作应力设计法.

[3]中国船级社,海上固定平台入级与建筑规范.

刘亚光(1975—),男,天津人,本科,主要从事船舶及海洋工程的详细设计和生产设计工作;

成金凤(1985—),女,河北藁城人,本科,主要从事船舶及海洋工程的详细设计和生产设计工作;

谈景尧(1984—),男,天津人,大专,主要从事船舶及海洋工程的详细设计和生产设计工作。