局部強度設(shè)計_海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

浮式結(jié)構(gòu)強度設(shè)計和分析

本章內(nèi)容：

?浮式結(jié)構(gòu)設(shè)計

?主體結(jié)構(gòu)強度設(shè)計

?局部強度設(shè)計

?總強度設(shè)計

浮式結(jié)構(gòu)的強度性能無疑是其最重要的性能。本章從目前深海浮式結(jié)構(gòu)設(shè)計所使用的規(guī)范入手，介紹深海浮式結(jié)構(gòu)強度設(shè)計的主要內(nèi)容。

4.1　適用規(guī)范

事實上，所有的半潛式平臺和Spar，TLP等生產(chǎn)平臺都是根據(jù)相關(guān)規(guī)范設(shè)計建造的。一般來說，浮式生產(chǎn)系統(tǒng)最常用的規(guī)范為美國船級社（ABS）的移動式鉆井裝置（MODU）的入級規(guī)范。MODU是在船舶方面的實踐和研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，同樣也適用于浮式生產(chǎn)系統(tǒng)（FPS）。其他的船級社，如挪威船級社（DNV）也制定了類似的規(guī)范。

API RP 2A特別適用于固定式平臺，但也適用于浮式生產(chǎn)系統(tǒng)（FPS）的設(shè)計。然而，它對半潛式平臺、Spar和其他浮式平臺的設(shè)計并不像MODU規(guī)范那樣具有一般性。某些特定的專業(yè)性的規(guī)范彌補了這方面的不足，如API　2T針對TLP平臺，API　2V（柱殼）和2U（加筋板）針對通用的板架結(jié)構(gòu)，能應(yīng)用于Spar和半潛式平臺，但其也是基于TLP平臺而制定的。

適航性與安全方面的責(zé)任通常由海事組織負責(zé)。這些海事組織在結(jié)構(gòu)安全性方面通過入級的方式來保證。各國有不同的認證機構(gòu)，如美國海岸警衛(wèi)隊（USCG）是負責(zé)FPS認證檢驗適航性的機構(gòu)。在英國，能源部（DEN）組織和委派船級社的代表來進行認證。

在海洋工程領(lǐng)域新建的FPSO與其他的FPS遵守相同的規(guī)范，但由于其船體形式的結(jié)構(gòu)，可以綜合郵輪設(shè)計的方法與實踐經(jīng)驗。所以，F(xiàn)PSO通常采用商業(yè)化船舶的建造模式，或者由舊油輪改造。

4.2　結(jié)構(gòu)設(shè)計

從強度分析角度描述，浮式結(jié)構(gòu)的設(shè)計分為兩個基本的級別：局部強度設(shè)計和總強度設(shè)計。在這兩個級別中也包括結(jié)構(gòu)的屈曲強度和疲勞強度。在設(shè)計荷載方面既有重力／浮力荷載、環(huán)境荷載，又有作業(yè)荷載。

許多結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常先基于局部強度進行設(shè)計，也就是根據(jù)結(jié)構(gòu)受到的重力或浮力荷載來設(shè)計。在局部強度設(shè)計的基礎(chǔ)上考慮結(jié)構(gòu)所受到的總體荷載，進行總強度設(shè)計，這樣有些構(gòu)件需要調(diào)整和加強大多數(shù)構(gòu)件的設(shè)計是由局部荷載控制的，也有部分構(gòu)件需要考慮總體荷載的作用。例如上層建筑的設(shè)計主要基于局部荷載，也就是結(jié)構(gòu)和設(shè)備所受的重力；半潛式平臺的斜撐，其作用是為了有效傳遞平臺的總體荷載，通常它的設(shè)計是由總強度確定的。

1.局部強度

局部強度設(shè)計主要根據(jù)重力／浮力荷載、結(jié)構(gòu)入級規(guī)范和設(shè)計經(jīng)驗來進行。有些構(gòu)件需要進行應(yīng)力分析。局部強度設(shè)計所定的結(jié)構(gòu)尺寸通常稱之為“基本尺度”，這些尺寸所用到的公式有些是在長期的設(shè)計實踐中研究總結(jié)的，包含經(jīng)驗性的參數(shù)，這些參數(shù)反映了使用要求、環(huán)境荷載、動力學(xué)、腐蝕、維護等各方面的因素。在浮筒和立柱上的荷載通常采用水壓頭的靜力等效形式。上層建筑的局部設(shè)計主要基于認為合理設(shè)定值，采用平均分布的甲板荷載。即使在不考慮荷載的情況下，被設(shè)計結(jié)構(gòu)的尺寸通常有最小的限定，上層建筑的艙壁結(jié)構(gòu)就是一個例子。

許多構(gòu)件及承擔(dān)局部荷載，也承擔(dān)總體荷載。例如浮筒和立柱外殼板，既承受靜水荷載作用，也是抵抗總強度荷載的基本構(gòu)件。往往這些構(gòu)件具有較大的橫截面積，具備足夠的截面屬性抵抗總體荷載的作用。

2.總強度設(shè)計

總強度設(shè)計一般把結(jié)構(gòu)作為空間框架梁體系，使用理論方法或軟件工具進行應(yīng)力分析。總強度荷載采用重力荷載與環(huán)境荷載的組合。環(huán)境荷載除了風(fēng)、浪、流以外，還包括由于結(jié)構(gòu)運動產(chǎn)生的慣性力，錨泊、立管系統(tǒng)的響應(yīng)力。波浪荷載和相應(yīng)的慣性荷載是環(huán)境荷載中最重要的。在某些情況下，運輸和安裝作業(yè)荷載也可能作為設(shè)計的控制荷載。其中特殊的如Spar平臺，因為它建造和運輸時都是水平放置的，在安裝時需要立直，運輸時的波浪荷載和直立時的重力彎矩是很關(guān)鍵的總體控制荷載。

海洋工程結(jié)構(gòu)的分析主要采用許用應(yīng)力法（ASD或WSD）。入級規(guī)范（如ABS，DNV）設(shè)置了一些許用應(yīng)力系數(shù)來區(qū)分結(jié)構(gòu)所處的作業(yè)環(huán)境條件。這些系數(shù)反映了設(shè)計級別和各項強度分析的嚴格程度。需要注意的是，局部強度設(shè)計與總體強度設(shè)計許用應(yīng)力系數(shù)不同，彎曲強度和剪切強度許用應(yīng)力系數(shù)也不同。很顯然，一般在總體強度分析時許用應(yīng)力系數(shù)有所提高。結(jié)構(gòu)強度分析許用應(yīng)力為F＝Fy／Fs，系數(shù)Fs常被稱為安全系數(shù)。例如在ABS的MODU規(guī)范中，對安全系數(shù)的定義分為以下兩種情況。

（1）僅重力荷載時Fs的取值：

1.67——軸向或彎曲應(yīng)力；

2.50——剪應(yīng)力。

（2）環(huán)境和重力荷載的組合時Fs的取值：

1.25——軸向和彎曲應(yīng)力；

1.88——剪應(yīng)力。

對于屈曲問題，許用應(yīng)力如下：

式中:Fcr——臨界屈曲或剪應(yīng)力。

安全系數(shù)Fs取值情況：

重力荷載，F(xiàn)s＝1.67，軸向和彎曲應(yīng)力；

重力和環(huán)境荷載的組合，F(xiàn)s＝1.25，軸向和彎曲應(yīng)力。

某些規(guī)范要求必須使被設(shè)計的結(jié)構(gòu)具有一定的強度余量，這樣在設(shè)計時就可以通過控制安全系數(shù)來實施。如破艙進水時，由于結(jié)構(gòu)吃水增加也導(dǎo)致了荷載增大，構(gòu)件設(shè)計時相應(yīng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也要提高。

3.屈曲強度

屈曲問題可能控制某些細長的柔性構(gòu)件或桁架結(jié)構(gòu)的撐桿。如結(jié)構(gòu)中承受跨距較大的桁材。DNV規(guī)范Note30.1（目前已被新的取代）關(guān)于加筋板架的屈曲強度分析在浮式結(jié)構(gòu)設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。

4.疲勞強度

浮式結(jié)構(gòu)的主要形式為空間梁系，構(gòu)件間連接節(jié)點的疲勞強度是不可避免的問題。結(jié)構(gòu)的焊接也是疲勞強度的主要影響因素，通常會有一個常用的應(yīng)力升高系數(shù)表示焊接形式的影響。立柱和上層建筑之間的連接位置是疲勞強度分析的關(guān)鍵部分。撐桿與上層建筑之間的連接有時遇到一種低周疲勞問題，這種疲勞問題不能采用常規(guī)的疲勞分析方法，因為波浪荷載與誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的關(guān)系式高非線性的，

許多第四代的半潛式鉆井平臺和所有的生產(chǎn)平臺不采用撐桿來抵抗總體荷載，這樣彎矩剪力等不就能傳遞到立柱端部，這就要求縱向構(gòu)件，特別是浮筒能提供足夠的彎曲和剪切強度。

對船舶和Spar而言，在水線部分區(qū)域的骨架的疲勞設(shè)計是最重要的。同時，正如海洋平臺主體與上層建筑之間的連接區(qū)域一樣，桁架和硬艙之間的過渡區(qū)域也是疲勞評估的關(guān)鍵區(qū)域。

4.3　主體結(jié)構(gòu)強度設(shè)計

1.主體結(jié)構(gòu)形式

與固定式平臺或建筑工程中常用的空間框架結(jié)構(gòu)相比，建筑中常用的是強箱型梁結(jié)構(gòu)，浮式結(jié)構(gòu)常用的是橫向加筋板結(jié)構(gòu)。

浮式結(jié)構(gòu)與船舶結(jié)構(gòu)主要由加筋板組成。板具有供水密性和抵抗靜水荷載的能力。由加筋板組成的箱型梁結(jié)構(gòu)，具有抵抗彎曲、剪切和扭轉(zhuǎn)的能力。圖4－1為箱形梁單元的總體承載受力。

2.橫向加筋板結(jié)構(gòu)

圖4－1　箱型梁結(jié)構(gòu)單元受力圖

圖4－2　加筋板結(jié)構(gòu)示意圖

如圖4－2所示為常見的加筋板結(jié)構(gòu)。加筋板格（Panel）由板和縱向的加強筋組成，橫向一般由肋骨或橫梁支持。在必要的位置，橫梁可能被桁材或艙壁取代。加強筋可以使用角鋼、T型材或球扁鋼，板和型材通過焊接的方式連接。加強筋和板在結(jié)構(gòu)上被視為一個整體，加上橫梁和縱桁，這幾部分組合到一起形成所謂的加筋板格。加筋板作為結(jié)構(gòu)的主要組成部分，一般通過自動化的工藝程序進行建造。板同時在兩個方向上作為加強筋和橫梁或縱桁的帶板。

圖4－3　加筋柱殼結(jié)構(gòu)示意圖

加筋板有時不一定是平的。半潛式平臺的立柱結(jié)構(gòu)、Spar的外殼結(jié)構(gòu)都是曲面板格的例子。這種有一定曲率的板格稱之為殼結(jié)構(gòu)（Shells）。對較大直徑的柱殼結(jié)構(gòu)，如半潛式平臺、TLp和Spar，加強筋平行于圓柱的軸向，橫向有環(huán)肋支撐。因為局部曲率較小，殼板結(jié)構(gòu)可近似認為是平的，作為平的板格進行分析。圖4－3顯示了Spar的外殼結(jié)構(gòu)。在平臺和柱殼上，加強筋通過環(huán) 肋上的開口穿過。

加筋殼板作為一個整體，具有環(huán)向和軸向兩方向的應(yīng)力，材料利用率高。還可以通過優(yōu)化設(shè)計，調(diào)整板格的間距、板厚等，合理地平衡結(jié)構(gòu)質(zhì)量和建造費用。一般的加強材間距為500～700cm（約24～30in），板厚在立柱頂端一般約有93.5mm（約為3／8in），在浮筒底部為19mm（約為3／4in）以上。對深吃水和大尺度的結(jié)構(gòu)經(jīng)常使用這些尺寸。一般在浮筒和立柱結(jié)構(gòu)中肋骨系統(tǒng)增加的質(zhì)量為板質(zhì)量的60%～90%，在某種程度上要少于內(nèi)部的橫艙壁和平臺的質(zhì)量。

3.船體梁

在箱形截面中，船體板架組裝形成典型的船體梁。常見的浮筒和立柱結(jié)構(gòu)一半采用直的箱形梁構(gòu)型。單個的浮筒和立柱的作用可以類似船體梁功能。立柱和浮筒之間的連接等效為一個集中荷載。

上層建筑的設(shè)計采用相同的強度原理。上層建筑的箱型梁可以為結(jié)構(gòu)總強度提供有力的支持。目前一些新型的半潛式平臺，上層建筑在橫向和縱向都能有效地傳遞總體荷載，這樣就避免了以往常用的復(fù)雜的撐桿系統(tǒng)（braces）。在航空和其他運輸結(jié)構(gòu)設(shè)計中，多蜂窩式的建造是非常常見的形式，也成為“蒙皮結(jié)構(gòu)”建造，目前也在海洋工程中廣泛應(yīng)用。

圖4－1所示為一個平臺主體上的理想的荷載和應(yīng)力分布。注意側(cè)板傳遞的剪應(yīng)力和上下表面的正應(yīng)力。這些應(yīng)力在板的截面上通常是不均勻分布的，這一點在局部結(jié)構(gòu)設(shè)計中將詳細討論。

4.4　局部強度設(shè)計

局部強度設(shè)計重點是確定板厚、板格間距和骨材的截面積等。設(shè)計荷載主要為局部的橫向分布荷載。這部分設(shè)計主要基于浮力荷載，結(jié)合經(jīng)驗公式、入級規(guī)范和最小尺寸限制。支持橫向構(gòu)件的桁材，包括一些橫梁需要進行應(yīng)力分析。分布均勻且大小一致的骨架系統(tǒng)經(jīng)常要進行分析和優(yōu)化。

加筋板架中板的一部分認為是加強材、橫梁和縱桁的帶板，其屬性與加強材相同。通過局部強度設(shè)計確定的艙壁、甲板和殼板的厚度通常是最小厚度，有時需要通過進一步的強度分析而加強。一般來說，局部強度設(shè)計確定的構(gòu)件尺度可以形成一個既滿足局部強度要求，又在一定程度上滿足總強度要求的構(gòu)件剖面。其他作業(yè)荷載如鉆井甲板、基座、立管懸掛機構(gòu)、錨泊和張力筋的連接器等，這些特殊結(jié)構(gòu)的設(shè)計通常是以局部強度要求為主，結(jié)合應(yīng)力分析、設(shè)計實踐及相關(guān)特定的規(guī)范（AISC和API　2A）。

局部強度設(shè)計適合于液艙、空艙（Void Tank）、殼板等一些內(nèi)部或外部的水密和非水密結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)包括TLP、半潛、Spar和船舶，這里介紹的很多結(jié)構(gòu)主要依據(jù)ABS的MODU規(guī)范。為了闡述的需要，DNV的規(guī)范也拿來進行了比較，這些規(guī)范在主要方面是一致的。設(shè)計者應(yīng)該參考規(guī)范公約的最新版本。

ABS的MODU規(guī)范中的板、梁和桁材的最小尺寸規(guī)定請參閱規(guī)范的具體內(nèi)容。板的設(shè)計基本分兩類：水密和非水密。DNV采用相似的結(jié)構(gòu)尺度的設(shè)計公式，沒有把結(jié)構(gòu)正常服務(wù)和破艙進水狀態(tài)分開，只是針對破艙的情況使用了較高的安全系數(shù)。

1.設(shè)計荷載

局部荷載主要為靜態(tài)的重力荷載，可能會包含一部分動態(tài)的環(huán)境荷載。主要形式為水壓力，包括靜水壓力和水動壓力，也可以理解為包括因為波浪導(dǎo)致的液面升高的外部海水的靜壓力。除此之外，艙室內(nèi)液體或破艙進水導(dǎo)致的水壓力也要包括在內(nèi)。內(nèi)部進水可能來自于外板的破損或管線的失效。

在甲板、平臺或上層建筑等結(jié)構(gòu)表面的局部荷載通常使用給定的量值，采用分布荷載的形式，一般不超過1　209kg／m2。某些設(shè)備質(zhì)量和作業(yè)荷載要根據(jù)具體情況而定，板上面的幾種荷載通常根據(jù)實際而定。對于特殊的構(gòu)件，如輪印區(qū)或系纜樁等，需要參考特殊的標(biāo)準(zhǔn)。

雖然分布荷載可以使用各種單位表達，傳統(tǒng)的表達形式仍然使用相對海水壓頭的形式。海水的密度一般取值1　024kg／m3。34.8m的水壓是0.307MPa。使用等效的水壓頭的形式可以更直接地判定使用的荷載是否正確。

入級規(guī)范也設(shè)置了最小的設(shè)計荷載。這些荷載恰好對應(yīng)于結(jié)構(gòu)的最小尺度限制，如板厚／加強材的間距和尺度、橫向構(gòu)件的尺寸等。在某些方面，這些規(guī)范有些是說明性和輔助性的，其中部分源自于設(shè)計經(jīng)驗。它們適用于各種建造的結(jié)構(gòu)形式，考慮到局部結(jié)構(gòu)的功能作用，壓力的形式及大小及將來的使用目的。

總之，局部強度設(shè)計基本上決定了主體結(jié)構(gòu)的用鋼（80%），也就是說局部強度大部分起控制作用，其他5%～15%的材料由總強度和屈曲等因素決定，包括很多細節(jié)都由多個標(biāo)準(zhǔn)的綜合要求來決定。

設(shè)計壓頭應(yīng)用本章4.2節(jié)中給出的設(shè)計尺寸的公式，共分為四類：液艙空艙浸水區(qū)域和最小尺寸。根據(jù)這些分類設(shè)計壓頭定義說明，如圖4－4所示。

圖4－4　局部強度設(shè)計壓力示意圖

液艙用來承載、壓載水或者液體消耗品，通常需要管系和泵組，還需要通風(fēng)或溢流口來釋放內(nèi)部壓力或吸力。因此，液艙通常有一個蓋子防止結(jié)構(gòu)搖蕩時進水。液艙的設(shè)計壓力需要根據(jù)通風(fēng)管的高度來設(shè)定，艙內(nèi)任一點的設(shè)計壓力水頭取為該點到液艙從艙頂?shù)酵L(fēng)口高度的2／3，但至少0.9m以上。

不是液艙的任何內(nèi)部空間稱之為空艙。所以，閑置的艙室也稱為空艙。水密的空艙在臨近外殼或有管路穿過時可能進水，其設(shè)計壓力應(yīng)該是最大的裝載水線。這本質(zhì)上是對所有殼板和內(nèi)部艙室的一個最小的要求。

可進入水下的區(qū)域，在不考慮任何要求的情況下，一般要求保證水密外板能抵抗的最小水壓力為7m。

關(guān)于最小尺度的設(shè)計，要求所有的水密邊界，包括殼板，其設(shè)計壓力應(yīng)選擇最危險的一艙進水時的水線，這僅適用于自由浮式結(jié)構(gòu)。

液艙設(shè)計強調(diào)艙式的內(nèi)壓，特別注重由泵組導(dǎo)致的額外壓力。這樣的艙室需要設(shè)置通風(fēng)管消除過載。DNV規(guī)范實際上考慮了注水時的動壓力?？张撛O(shè)計本質(zhì)上是一個適用于所有的殼板和內(nèi)艙壁的最小要求。它反映了所有的水密區(qū)域都能抵抗設(shè)計水線位置的壓力。這兩個分類被用來設(shè)計艙式的尺寸。

正如空艙設(shè)計中提到的設(shè)計水線，主要指浮式結(jié)構(gòu)的最大的操作吃水，這個水線被用作重力荷載（靜態(tài)）。任何在此水線下的浸沒，或者結(jié)構(gòu)的向下運動、水面的升高，都被認為是環(huán)境荷載導(dǎo)致的。例如一些平臺（TLP）通過某些方式與海底連接，潮汐或海底沉降能使水線升高。

最小尺度要求適用于所有的水密結(jié)構(gòu)，不管是內(nèi)部的還是外部的?？紤]到結(jié)構(gòu)破損的情況，應(yīng)具有獨立的尺度最小限制。這些結(jié)構(gòu)尺度相對靜水力荷載要求的要小一些，但具有一個較大的荷載。這些主要為了防止結(jié)構(gòu)破損后進水（flooding）導(dǎo)致的破壞。DNV具有相似的要求，但把它作為一個特別的荷載，使用了較小的安全系數(shù)。對TLP來說，進水破壞致使張力筋的張力減小，但并沒有改變水線面位置。結(jié)構(gòu)進水后是否改變了水線面的高度，其帶來的破壞應(yīng)在最小尺度設(shè)計中予以考慮。

關(guān)于可浸水的區(qū)域，例如平臺立柱水線以上的臨近區(qū)域。最小7m的設(shè)計壓頭，通常用來考慮波浪動壓力造成的影響。然而，這些以靜力形式考慮動壓力的效果也是不準(zhǔn)確的，有時動壓力應(yīng)該特別指定。

規(guī)范關(guān)于動壓力的規(guī)定不是非常明確，只是簡單的說明對于波浪和流導(dǎo)致的響應(yīng)要符合一般許用應(yīng)力的規(guī)定。至于結(jié)構(gòu)局部設(shè)計應(yīng)該考慮使用靜水和環(huán)境荷載（動壓力）的組合時，可以只采用靜態(tài)荷載，把原設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)減少1／4來作為新的標(biāo)準(zhǔn)。

如果平均吃水為ds，基線上方點z的動壓力為

式中,H——波高；

k——波浪衰減系數(shù)；

zf——基線上方某點z的吃水。

這僅是簡單的采用線性波浪理論給出的波浪導(dǎo)致的壓力，沒有包括結(jié)構(gòu)運動導(dǎo)致的繞射效應(yīng)。對于平臺于海底有連接的結(jié)構(gòu)，ds應(yīng)該包括水線變化。在平均水線以上，理論不適用。較為簡單的假設(shè)是近似認為壓力從z＝－ds到水面從p（z）線性變化為零。在水線以上，采用微幅波假設(shè)的輻射繞射波浪理論計算結(jié)果也不準(zhǔn)確。為了準(zhǔn)確確定波浪動壓力，特別是結(jié)合平臺運動，重點是考慮各種荷載分量的相位關(guān)系。

2.板的設(shè)計

板的設(shè)計一般采用線彈性理論假設(shè)。然而，實際板在橫向荷載作用下的響應(yīng)并不遵循理論分析簡單公式。板的分析有時涉及大變形理論和邊界條件的專業(yè)處理。這是因為實際焊接的板不會像簡單的理論假定那樣初始是水平的，可能帶有未確定的面內(nèi)應(yīng)力。這些不確定因素可以通過經(jīng)驗總結(jié)或?qū)嶒灥姆椒ㄟM行彌補。基于此，幾乎所有的船級社采用相對簡單的形式規(guī)定了板的最小厚度。一般地，這些公式還包括其他因素如腐蝕等的影響。

板的分析模型采用均布荷載作用下，長邊為加強材支撐，短邊為肋骨或橫梁支撐的線彈性強度理論。加強筋的跨距和間距分別是l和s。圖4－5所示為一個板架結(jié)構(gòu)的獨立板格。根據(jù)強度理論，板表面橫向荷載導(dǎo)致的彎曲應(yīng)力在長邊中點最大。圖示板彎曲時，在加強材中點處沿短邊方向，上表面受拉，下表面受壓，拉應(yīng)力用σb表示，板邊受到加強材約束，總體還受到拉應(yīng)力σa，這兩個應(yīng)力的組合為σa＋σb；在長邊方向，還有正應(yīng)力σx。

圖4－5　板彎曲的形式和符號示意圖

圖4－6中顯示了典型的板的彎曲情形，相鄰的板格之間變形是連續(xù)的。特別要注意固定端的邊界條件，因為在局部范圍內(nèi)可以認為各相鄰的兩個板格是對稱的，所以可以認為板在場邊和短邊轉(zhuǎn)角為零，撓度為零，即剛性固定的邊界條件。實際上，板的變形可能超出線彈性理論的假設(shè)范圍，對于板的大變形的情況，要用到大變形理論。更復(fù)雜的情況是，分析時還要考慮焊接時的板的凹陷和應(yīng)力，即初始缺陷和殘余應(yīng)力的影響。雖然理論方面的精確分析尚存困難，但規(guī)范中使用的公式相對簡單，其中包含了設(shè)計這些復(fù)雜因素的許多經(jīng)驗因素。

圖4－6　板的彎曲示意圖

對于板、加強材和橫梁的設(shè)計，ABS規(guī)范基本上分為兩大類：水密和非水密。除此之外，因為要考慮總強度的要求，實際用到的板厚要大于局部要求。在此，不考慮屈曲和疲勞強度。因此，局部強度設(shè)計常被表示為最小要求，即僅是靜力荷載的要求。

應(yīng)該注意到當(dāng)α＞3時為較通用的情況。設(shè)定k＝1對于多數(shù)情況是足夠的，其中α是板的長寬比。

式（4－2）和式（4－3）僅是簡單的梁的公式，調(diào)整了某些系數(shù)以適應(yīng)實際情況（服務(wù)和研究）。公式最后的常量，是考慮腐蝕余量的影響，也包括服務(wù)經(jīng)驗、檢測和其他研究考慮。最后一條應(yīng)該注意的是，以上板的厚度僅為最小局部荷載的要求，板的最終厚度還需要考慮總強度的要求，包括屈曲強度。

3.加強材設(shè)計

加強材通常用來抵抗板的橫向荷載，一般由滾軋型鋼制造，還有專門用于防止屈曲的加強材。加強材一般由橫梁支撐，連續(xù)穿過支撐橫梁的腹板。在間斷處需要特別考慮支撐端的連接形式。

加強材的彎曲采用連續(xù)的多跨梁模型，如圖4－7所示。圖的上部為加強材的物理形式和分析模型的選??；下部表明了典型的彎曲應(yīng)力分布。

圖4－7　加強材的彎曲示意圖

加強材的設(shè)計主要取決于它們的間距和剖面。采用梁的理論，間距體現(xiàn)了其支撐面積，間接決定了外部荷載的大??；剖面的尺度主要體現(xiàn)在橫向剛度上，其中包括彎曲強度和屈曲強度。圖4－8為常用的典型加強材的剖面，其中有球扁鋼（tube）、T型鋼、角鋼（不等邊，angle）和扁鋼（flat bar）。球扁鋼和不等邊角鋼在實際建造中被廣泛應(yīng)用，主要針對中小型的型材。對于一些超大型結(jié)構(gòu)或承載較大的區(qū)域一般使用T型材，如大型油輪的加強材。T型材可以有效地分配材料，但在穿過橫梁時工藝連接繁瑣并且造價較高。國際船舶建造使用歐洲標(biāo)準(zhǔn)和JIS角鋼，兩者主要用來船舶的建造，有效且具有較多的型號。后者比前者腹板高，翼板厚，材料分配更加有效。相關(guān)型材的尺寸可以查閱鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊，一般以列表的形式給出了型材剖面的幾何物理屬性。

圖4－8　加強材的剖面形式示意圖

在此之前，先介紹一下關(guān)于剪切滯后（shear－lag）和等效寬度（effective breadth）的概念。剪切滯后指在受剪力作用的薄壁梁中，距剪力作用點較遠的突緣上的正應(yīng)力小于按平截面假設(shè)求得值的現(xiàn)象。剪切滯后取決于結(jié)構(gòu)中力的擴散（傳播）。里的擴散是指作用在結(jié)構(gòu)某一部分上的非自身平衡的力系，向結(jié)構(gòu)其他部分傳遞，直至與外力或約束反力相平衡的過程。由于內(nèi)力是由受剪腹板經(jīng)與其相連的翼緣桿逐步向遠處傳播的，所以在力的擴散過程求得的值就是剪切滯后。

圖4－9　剪切導(dǎo)致的箱型梁的應(yīng)力分布和有效寬度示意圖

剪切滯后造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力不均勻，影響結(jié)構(gòu)材料的利用率。例如，由于剪力的作用，在圖4－9所示的箱型薄壁結(jié)構(gòu)的上下蓋板中就出現(xiàn)剪切滯后現(xiàn)象（正應(yīng)力在腹板附近大，中間部分?。?，甚至當(dāng)腹板附近的蓋板接近破壞時，蓋板的中間部分還處于低應(yīng)力狀態(tài)。為了估計剪切滯后對蓋板利用率的影響程度，可采用有效寬度概念，即假定寬為2b的一塊板的承載能力恰好相當(dāng)于一塊僅為2be而充分發(fā)揮了承載能力的板，be稱為有效寬度，而比值φ＝be／b稱為減縮系數(shù)。φ值小說明材料的利用率低，通常蓋板越寬φ值越小。在工程設(shè)計中，應(yīng)考慮減少腹板的間距，以提高材料的利用率。

圖4－10　加強材的應(yīng)力分布和有效寬度示意圖

圖4－11　有效寬度和跨長的關(guān)系示意圖

圖4－10表示加筋板上的彎曲應(yīng)力分布，為了簡化，把加強材附近等效為應(yīng)力分布是均勻的一定寬度的區(qū)域，這個寬度即為板的有效寬度（be）。圖4－11所示為板的有效度與加強材跨距的關(guān)系，其中使用了無量綱參數(shù)。縱坐標(biāo)為有效寬度與加強材半個間距的比值，橫坐標(biāo)為有效跨長與板的寬度的比值（cL／b）（因為剪切滯后比較復(fù)雜暫不在此討論），跨中c＝0.577，骨材端部c＝0.432。重要的是當(dāng)l＞4s時，所有的板近似是有效的，也就是be＝b。

應(yīng)該注意的是，如果有效寬度較小，骨材的中性軸距板面很近。這將使截面在翼板位置的剖面模數(shù)相對有效板面極不敏感。圖4－12（a）所示是一個中性軸位置與有效寬度的關(guān)系的典型形式。圖4－12（b）所示為剖面模數(shù)與有效寬度的關(guān)系（φ從0.4到0.6），剖面模數(shù)SM不超過最大值的80%。這點說明忽略剪切滯后的影響對骨材設(shè)計的有效寬度精確與否影響不是很大。為方便起見，可以令有效寬度be＝b。

圖4－12　加強材剖面模數(shù)與有效寬度的關(guān)系示意圖

如同板設(shè)計時一樣，加強材設(shè)計需要剖面的最小的模數(shù)為

MODU規(guī)范給出了系數(shù)的值。在艙邊界和外板處，不管骨材是固定還是連續(xù)穿過，c＝1.00；如果端部有肘板，c＝0.90；在水密隔艙處端部沒有構(gòu)件連接時，c＝0.6；在非水密甲板、平臺和艙壁中，c＝0.6。對于一般的情況，在殼板和艙室邊界處，加強材連續(xù)穿過支撐橫梁，作為固定端考慮。當(dāng)骨材在甲板、平臺或艙壁斷開時，應(yīng)由肘板加強。對于水密隔艙的內(nèi)部構(gòu)件，該系數(shù)反映了進水后的破壞問題。船舶規(guī)范具體應(yīng)用時給出了參數(shù)c的值，對于底部的縱骨，c＝1.3；其他位置的骨材，c＝1.0。不同的取值是因為一般認為底部的縱骨除局部的彎曲外，也參與了總強度。比較常用的取值都在1.0～1.3之間。

規(guī)范給了一些確定有效跨長的法則。如果沒有肘板有效跨長就是支撐中心點之間的距離。然而，有效跨長可以因為某些形式的肘板而減少。

系數(shù)Q主要是反映高強度鋼的影響。如果一般強度鋼（235MPa），對應(yīng)的Q值為單位值1，那么高強度鋼（屈服極限355MPa）對應(yīng)的Q值為235／355＝0.67。

加強材剖面模數(shù)SM的計算應(yīng)涉及帶板的面積。對邊長比為l／s＜4的板，有效寬度的確定應(yīng)根據(jù)剪切強度理論。附連帶板的組合剖面的中和軸非?？拷鼛О?，帶板寬度的精確與否對剖面模數(shù)的影響不大。剖面中一般翼板位置到中性軸的距離是板到中性軸的距離的三倍或更多。當(dāng)l／s＝3時，有效寬度是0.65b，使用完全的板的寬度不會有較大問題。在任何情況下，如果總體應(yīng)力比局部應(yīng)力大時，需要校核。在這些情況下，結(jié)構(gòu)經(jīng)常會存在總體壓縮，導(dǎo)致屈曲強度分析比較關(guān)鍵。當(dāng)加強材由屈曲強度控制設(shè)計時，板的有效寬度也需要縮減。

另外，對加強材應(yīng)該注意的是，考慮到結(jié)構(gòu)的腐蝕，在進行應(yīng)力分析時應(yīng)扣掉構(gòu)件的腐蝕余量，使用結(jié)構(gòu)的凈尺寸來計算。

4.橫梁／肋骨設(shè)計

橫梁或肋骨是相互連接的橫向框架梁系，用來支撐縱向骨材，提供橫向強度?？蚣芟嗷ミB接，形成封閉環(huán)。橫向框架將板和骨材的荷載傳遞到結(jié)構(gòu)主體。一般認為橫向框架不參與總強度。

圖4－13（a）所示為三維的橫向框架與其他組成構(gòu)件。獨立的橫梁通常與毗連的板格相關(guān)，形狀上更像梁或桁材。當(dāng)具有較高的腹板時，橫梁常被稱為深腹板梁，翼板常被稱為面板。圖4－13（b）所示的部分是典型的腹板或立柱的剖面。除了矩形之外，也可能是圓形或其他具有一定曲率的形狀。圖4－13（c），圖4－13（d）顯示了其他形式的橫梁。圖4－13（c）中橫梁左右貫通，中間由正交的桁材支撐，有時中間桁材為縱向艙壁。圖4－13（d）中橫梁為垂向的形式，兩個衡量之間使用了支柱，這在FPSO的液艙中比較常見。

在平臺結(jié)構(gòu)中，橫梁經(jīng)常要承受較大的軸向荷載，這在橫梁設(shè)計時也是非常重要的影響因素。對于跨距短、腹板高的橫梁和縱桁，剪切應(yīng)力和變形就比較重要

圖4－13　典型的肋骨／橫梁框架示意圖

（a）框架梁系?。╞）立柱剖面?。╟）縱向艙壁?。╠）垂向橫梁

屈曲是另一個影響橫梁和桁材設(shè)計的重要因素。上面已經(jīng)提到過，可以用加強筋提高腹板的穩(wěn)性，使用防傾肘板提高翼板的橫向穩(wěn)性。

實際應(yīng)用中很多橫梁的設(shè)計方法來自于船舶規(guī)范，但這些規(guī)范有時不能完全適用于海洋浮式結(jié)構(gòu)，還需要基于應(yīng)力的分析方法。其主要原因是，船舶中應(yīng)用的橫梁主要用來橫向承載，而海洋結(jié)構(gòu)中封閉連接的橫梁需要傳遞軸向荷載。在外壓和液艙內(nèi)壓的聯(lián)合作用下，應(yīng)結(jié)合不同的裝載情況，如圖4－14所示為浮筒剖面，左面為空艙，右面為液艙，這樣空艙上部和下部的橫梁就有可能受到橫向和軸向荷載的聯(lián)合作用。不管怎樣，規(guī)范可以給出橫梁的初始設(shè)計，但還要進行應(yīng)力分析來最終確定設(shè)計結(jié)構(gòu)。

圖4－14　橫梁的典型荷載示意圖

橫梁的剖面設(shè)計與加強材的設(shè)計非常相似，都沒有考慮軸向荷載和彎曲的重力分配。橫梁通常是二維的，一般可以使用二維的簡化分析方法。然而，對一些復(fù)雜的橫梁，需要三維的分析模型，如橫梁或與之連接的桁材具有一定的曲率的情況。在海洋工程結(jié)構(gòu)中，大多數(shù)橫梁與結(jié)構(gòu)主體的總強度方向是正交的。這樣，橫梁的應(yīng)力主要來自于橫向局部荷載，因為總應(yīng)力方向與橫梁是垂直的，對其沒有較大影響。

在板的設(shè)計時，局部強度應(yīng)力需要與總強度應(yīng)力組合才能建立板屈曲的極限狀態(tài)。從這個意義上說，橫梁的設(shè)計可以不用考慮后續(xù)總強度的影響，設(shè)計過程相對簡化。但如果對平行于總應(yīng)力方向的桁材來說，設(shè)計過程則要復(fù)雜得多。

以上討論幾乎都集中在強度方面，在建造方面也有一些要考慮的因素。雖然橫梁對整個結(jié)構(gòu)來說只占很少的一部分，但是橫梁的建造和裝配是勞動密集型工作。如何在空間上簡化橫梁體系，使之更容易連接，是節(jié)省勞動力的關(guān)鍵。除裝配外，可重復(fù)性的設(shè)計對減少建造的勞動力也是非常有利的。橫梁建造裝配效率的重要性，往往使橫梁的設(shè)計由建造，而不是由材料的利用率驅(qū)動。

橫梁的設(shè)計過程有多種，常推薦的是一個三階段的過程。這一階段是在主體結(jié)構(gòu)設(shè)計時快速建立包括橫梁在內(nèi)的主體結(jié)構(gòu)的必要的幾何形式，同時也需要確定各構(gòu)件初始的、最小的尺寸。第一階段的方法較簡單，允許用迭代的方法通過多方調(diào)整得到一個合理的結(jié)構(gòu)形式。第二階段是對第一階段所確定尺度的細化和校核，完成后可以畫出結(jié)構(gòu)圖并且開始第三階段的有限元分析，校驗設(shè)計并確認不足之處。這些階段可根據(jù)實際需要來設(shè)定，有時第二階段可以省略。

1）第一階段

（1）確定板格的局部設(shè)計荷載（靜態(tài)）。

（2）考慮內(nèi)部分艙，進行可行的橫梁系統(tǒng)設(shè)計。

（3）確定每個橫梁或桁材的可能的控制荷載。

（4）確定基本的構(gòu)型，特別是節(jié)點連接。

（5）確定橫梁和荷載，檢查單個構(gòu)件的強度，估計剪力和軸向力。

（6）按剪切和軸向強度確定承載面積。

（7）根據(jù)規(guī)范確定需要的剖面模數(shù)。

（8）確定截面尺寸，考慮最小模數(shù)、剪切面積和軸向要求。

（9）完成簡單的應(yīng)力校核。

2）第二階段

（1）建立剪力梁單元框架模型，包括剪切變形。

（2）建立考慮剪切效應(yīng)的截面屬性。

（3）施加荷載。

（4）準(zhǔn)備彎矩和剪力。

（5）根據(jù)許用應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)確定最終的腹板高度和厚度，包括屈曲校核。

（6）最終確定翼板，校核腹板高度。

（7）優(yōu)化角隅連接，有效地傳遞荷載。

3）第三階段

第三階段為選擇的橫梁截面的有限元分析。此階段僅為了驗證第二階段的設(shè)計，特別是關(guān)鍵的橫梁或大量相似的橫梁的設(shè)計。

（1）檢查梁剖面尺寸，包括加強材腹板、細化連接節(jié)點，提出質(zhì)量模型。

（2）外板、加強材可以簡化或忽略。

（3）邊界條件合理現(xiàn)實。

（4）荷載可以忽略自重和總應(yīng)力。

規(guī)范中橫梁和桁材的最小尺度要求剖面模數(shù)不小于：

對有曲率的殼板和液艙邊界，系數(shù)c＝1.5；對水密隔艙，c＝1.0。如果荷載位為局部荷載和環(huán)境荷載的組合，壓力h可以使用0.75hd來計算。

有效跨距的影響依賴于端部的連接。在沒有肘板的情況下，取為兩端橫梁翼板之間的距離。如果橫梁使用了大的肘板，則有效跨距要減少。規(guī)范提供了一個計算跨距的方法，對加強材，在肘板至少為45°的情況下有限跨長可以為75%的肘板長度。規(guī)范還指定了中小型肘板的尺寸。有效跨距的確定要注意實際細節(jié)，特別是對具有曲邊的肘板。

圖4－15所示闡明了在各種肘板的形式下橫梁和縱桁的有效跨距。其中圖4－15（a）所示是艙底圓角連接，為一種完全連續(xù)的面板端部連接。桁材的間距在水平方向為1.25倍的腹板高度（dw），與具有倒角的腹板相連。

圖4－15（b）所示有兩個直邊的肘板，肘板上帶面板，面板完全連續(xù)。如果肘板傾斜角度為45°或更大，那么橫梁的跨長將減少肘板長的1／4；如果傾角不到45°，作為端部具有不等截面處理，面板必須截斷并保證有效抵抗彎矩。

圖4－15（b）中左端桁材的翼板水平并且貫通，在端部截斷。如具有足夠的傾角，面板必須在端部截斷。面板與桁材的翼板連接，厚度至少要保證為翼板厚度的一半，采用穿透焊。另一種方式是把桁材的翼板與面板倒角平滑連接。

圖4－15（c）表明了一個非連續(xù)面板的連接。這在船舶結(jié)構(gòu)中比較常用，也適用于具有較小的周期性荷載的海洋結(jié)構(gòu)。在這種布置中，橫梁／縱桁和翼板是平直連續(xù)的，艙壁對艙壁，翼板在端部截斷。肘板位于翼板的頂端，沒有面板連接，兩端截斷。這里面板的功能主要是防止屈曲，傾斜角度至少需要45°。

防傾肘板呈三角形垂直橫梁或桁材腹板放置，提供橫向穩(wěn)定性。一般要求具有3m的間距，不需要按加強筋的位置設(shè)置。如果有寬度大于203mm（8in）的翼板，防傾肘板需要連接到翼板上。

橫梁的有效寬度與加強材不同，有效寬度比實際的橫梁間距要小得多。設(shè)計時必須要考慮橫梁間距s和拐點cL的位置。因為橫梁與桁材的剖面相對均衡，所以精確地計算帶板寬度是分析時比較重要的步驟。

前面關(guān)于剪切滯后和有效板寬度的討論只是針對加強材而言。圖4－16所示為橫梁的有效寬度和應(yīng)力分布。對加強材來說，這個曲線的應(yīng)用依賴于拐點的估計。與加強材的端部不同，橫梁的端部由于肘板和其他連接的構(gòu)件相對比較復(fù)雜。

圖4－15　橫梁的有效跨長示意圖

圖4－16　橫梁帶板的有效寬度示意圖

4.5　總強度設(shè)計

總強度的分析依賴結(jié)構(gòu)的總布置，其通常有兩種：一種是細長梁模型，一種是空間框架模型。前者包括Spar平臺和各種船型結(jié)構(gòu)，如FPSO和鉆井船、起重船等；后者包括半潛式平臺和TLp等。每種特定的結(jié)構(gòu)類型都與主體截面的屬性有關(guān)。半潛式平臺的橫向強度與其他平臺是不同的。

1.總強度荷載系統(tǒng)

總強度荷載主要包括重力／浮力荷載與環(huán)境荷載。波浪慣性荷載屬于基本的環(huán)境荷載。

圖4－17所示是重力荷載作用在半潛式平臺，其中包括理想化分布的甲板荷載、以集中力體現(xiàn)的立柱和浮筒的浮力和重力。上層建筑的重力荷載與集中在兩端的浮力平衡，導(dǎo)致平臺中垂的趨勢，這樣就需要撐桿抵抗較大的張力。中間的斜撐使甲板質(zhì)量沿對角線直接傳遞到立柱。特別重要的撐桿端部與立柱的連接處，是保證荷載流有效傳遞的關(guān)鍵。圖4－17所示，系泊系統(tǒng)的荷載也以張力的形式通過撐桿傳遞。

圖4－17　半潛平臺受力示意圖

圖4－18　半潛式平臺的總強度荷載示意圖

縱向看，一般傳統(tǒng)的半潛式平臺在其兩邊沿縱向有3或4根距離較近的立柱，每邊的立柱由連續(xù)的浮筒支撐。圖4－18所示為一個8立柱的半潛平臺。半潛式鉆井平臺一般比生產(chǎn)平臺小，荷載分布更合理，嚴重的縱向彎曲和剪切問題相對較少，所以不需要對角線的斜撐。從圖中可以看到，上層建筑的重力荷載可以很好地由下部結(jié)構(gòu)支撐，甲板受支撐的間距較短，縱向強度連續(xù)。浮筒截面能提供較好的抗剪切強度。在立柱頂端或底端與浮筒連接的位置也可能會發(fā)生較大的彎矩，因為甲板荷載和浮筒壓載等的分布不均勻，但這些節(jié)點位置的應(yīng)力通常很小。另一個需要注意的是浮筒的端部壓力，雖然較小，但是不能忽略。8立柱的典型半潛式平臺在浮筒前后兩段立柱直徑大，中間立柱直徑小。內(nèi)部的立柱更像輔助構(gòu)件，通常應(yīng)力水平較高，因為其設(shè)計主要用來承載而不是用來提供水線面。6立柱的半潛平臺立柱一般相同，盡管立柱間距較大，但縱向應(yīng)力仍然不大。不過，Pacesetter Class具有縱向撐桿。

2.環(huán)境荷載

從環(huán)境荷載角度考慮，結(jié)構(gòu)的總強度存在兩種波浪荷載的情況。一個是壓縮／分離（squeeze／pry）荷載，是一種橫向荷載效應(yīng)。垂向荷載除了斜浪情況外影響不大，特別是對寬的雙浮筒形式來說更是如此。第二種重要的環(huán)境荷載形式是扭轉(zhuǎn)（racking）荷載。

圖4－19所示系統(tǒng)地解釋了半潛式平臺的壓縮／分離情形。所示的這個荷載系統(tǒng)有兩個階段。分離極端波峰在船中，波浪力有由里向外把結(jié)構(gòu)分開的趨勢。壓縮階段波谷在船中，波浪力把結(jié)構(gòu)由外向里壓縮。這些影響包括所有的浪向，但結(jié)構(gòu)很容易受到橫浪的破壞。波長和周期相對浮筒和立柱的空間位置非常重要。

圖4－19　半潛式平臺的分離／壓縮荷載示意圖

圖4－20所示為更復(fù)雜的情況——傾斜荷載的狀態(tài)。每一個浮筒和立柱都可以看作為一個獨立的系統(tǒng)，當(dāng)處于斜浪狀態(tài)時，作用在一個浮筒上的垂向力在一端，作用在另一個浮筒上的垂向力在另一端。這樣力的組合導(dǎo)致平臺總體的扭轉(zhuǎn)，或稱之為扭矩（racking moment）效應(yīng)。浮筒上垂向力的分布如圖4－20所示，這個彎矩可能由于橫向力作用位置的改變和增大而擴大。

圖4－20　半潛式平臺的扭轉(zhuǎn)荷載示意圖

正如分離／壓縮荷載，扭轉(zhuǎn)荷載也有兩個階段。當(dāng)斜浪時，波谷位于結(jié)構(gòu)的一角；另一種則是相對的，波峰位于一角。圖4－20所示為中垂階段的情況，波浪力把平臺從一邊向另一邊交替扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)發(fā)生于任何斜浪情況，關(guān)鍵的浪向和波長每個位置稍有不同。傳統(tǒng)的方法使用單個的波浪，一般是浪向沿平臺對角線方向。另外，相對于立柱和浮筒的波長非常重要，這種情況關(guān)鍵波長比S／P更長一些。

3.Spar平臺的結(jié)構(gòu)布置

Spar主體和某些TLP平臺（如SEASTAR）的主體與半潛式平臺的單個立柱類似。典型的Spar的外殼、內(nèi)殼（中央井）、甲板和艙壁都是加筋板架結(jié)構(gòu)，主要根據(jù)局部強度設(shè)計。注意，在中央井和外殼的肋骨之間的鏡像支柱減少了肋骨的有效跨長，也就降低了要求的剖面模數(shù)。因為Spar的主體直徑很大，大直徑中央井的存在降低了外殼的環(huán)向應(yīng)力。局部設(shè)計規(guī)范通常能較好的配合總體和屈曲方面的強度。Spar平臺設(shè)計的一個特殊情況是在運輸和立直時引起的總的彎曲可能控制主體中剖面或者桁架與硬艙的連接位置的設(shè)計。

4.總體荷載分析

FPSO和MODU的總體分析需要得到組合環(huán)境荷載中的運動響應(yīng)和受力情況。合成的重力、慣性力和環(huán)境力都要施加到模型上來決定內(nèi)部結(jié)構(gòu)的受力響應(yīng)。

如果立柱直徑

那么求解水動力荷載時可以忽略繞射效應(yīng)。在實際應(yīng)用中，對于直徑小于12m（40ft）的構(gòu)件可以忽略繞射的影響。在這些情況下，應(yīng)用為細長桿件的修訂Morison方程。Morison方程需要求解結(jié)構(gòu)和波浪之間的相對運動。圖4－21和式（4－7）表明了修訂的Morison方程對浮式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。

圖4－21　Morison公式符號及應(yīng)用示意圖

在立柱和浮筒上的端部力對模型很重要。應(yīng)用方程（4－7）對立柱頂端有

式（4－8）中第一項是Froude－Krylov力，這個力與入射的未擾動的波浪壓力有關(guān)；第二項為圓盤附加質(zhì)量的一半；第三項是曳力，Cna和Cnd大約等于1。

總強度分析需要映射水動壓力、重力和慣性力到結(jié)構(gòu)模型上。模型由板、梁和桁架等組成。這些荷載可以在頻域或時域內(nèi)分析，頻域方法相對成熟，計算分析速度較快，但可能得不到一些重要的非線性效應(yīng)，如大傾角下的重力荷載。目前一些商業(yè)軟件只有少數(shù)幾個集成了水動力和結(jié)構(gòu)模型，其他就需要手動把荷載映射到結(jié)構(gòu)單元上去。海洋工程領(lǐng)域常用的商業(yè)軟件有WAMIT，SESAM，ASAS／AQWA，MOSES等。

外板荷載的映射目前僅限于線性理論，梁荷載的映射基于修訂的Morison公式，是非線性的。

梁分析荷載的施加相關(guān)的程序有STRUCAD，SACS，ABAQUS等。

在指定作業(yè)海況下大型的浮式結(jié)構(gòu)的繞射／輻射分析時求解環(huán)境荷載的主要手段，包括FTSO的設(shè)計分析。映射這些波浪荷載的FEA模型是一個特殊的問題。工業(yè)界的設(shè)計方結(jié)合有限元分析軟件制定了適合自己的一些輻射一繞射映射程序，這些程序?qū)δＰ徒Y(jié)構(gòu)分析更加快速有效。

5.FPSO總強度

FPSO荷載包括空荷載Dead load、貨物、壓載水、系泊、立管和波浪荷載。對于柱穩(wěn)式平臺，簡單的可以使用Morison公式來計算波浪荷載。FPSO類似于船舶結(jié)構(gòu)，在受力和分析方法上與上述不同，其局部荷載設(shè)計仍然作為控制因素，而總縱強度控制需要的船體梁的剖面屬性，貨物裝載管理程序通常用來防止特殊的裝載造成的危險強度工況。波浪誘導(dǎo)荷載在指定作業(yè)地點通常比船舶規(guī)范規(guī)定的要小，最關(guān)鍵的工況來自貨物和壓載水裝載導(dǎo)致的總強度。一般FPSO液艙檢查不在船塢中進行，而是在作業(yè)地點進行，這就意味著當(dāng)其他艙室正常裝載時被選擇檢驗的艙室必須是空的。這樣的荷載可能導(dǎo)致大的中拱或中垂，超過正常情況。

FPSO的設(shè)計通常基于使用直接計算的許用應(yīng)力法，特別是在設(shè)計轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)中，這種方法應(yīng)用最多。然而，它也可以通過入級規(guī)范進行初始設(shè)計。下面討論一些剛船規(guī)范的內(nèi)容。

船舶的設(shè)計歷史悠久，方法規(guī)范相對成熟。大型海船船舶規(guī)范一般針對無限航區(qū)設(shè)計，典型使用的是北大西洋環(huán)境，海洋工程傳統(tǒng)設(shè)計用直接計算方法，該方法需要建立水動力模型和結(jié)構(gòu)有限元模型，進行系統(tǒng)的應(yīng)力評估。針對FPSO的部分比較研究表明，規(guī)范方法和直接計算方法可以得到大體一致的結(jié)構(gòu)設(shè)計。ABS的規(guī)范對150m以上的FPSO都需要有限元分析，并且其FPSO的建造指南允許使用船舶規(guī)范修改部分參數(shù)以進行指定作業(yè)的環(huán)境的設(shè)計應(yīng)用，不同的環(huán)境使用環(huán)境服務(wù)系數(shù)（ESF）來區(qū)別，環(huán)境服務(wù)參數(shù)考慮了不同的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。ABS使用α和β分別用于疲勞和強度分析。這樣，使用環(huán)境參數(shù)就可以把FPSO的設(shè)計者從無限制航區(qū)的限定中解放出來。ABS已經(jīng)設(shè)定了荷載和強度的最小值。具體的數(shù)值指標(biāo)請參閱具體規(guī)范內(nèi)容。

思　考　題

1.浮式結(jié)構(gòu)設(shè)計分為哪幾個階段？

2.設(shè)計荷載包括哪些內(nèi)容？

3.總強度設(shè)計的主要過程是怎樣的？

4.局部強度的設(shè)計重點是什么？