导管架海洋平台梁柱节点抗火承载力研究

第40卷第7期建 筑 结 构2010年7月导管架海洋平台梁柱节点抗火承载力研究*靳 猛1, 赵金城1, 常 静2, 刘明路1(1上海交通大学土木工程系,上海200240;2山东交通学院,济南250000)[摘要] 利用ABAQUS 软件建立了火灾下导管架海洋平台圆管柱与H 型钢梁外加强环节点的有限元计算模型,分析了节点在高温下的抗火性能。

根据海洋平台火灾的特点,借助火灾模拟软件(FDS)计算舱室温度场的分布,分析了不同温度场下梁柱加强环节点的高温承载力及临界温度,讨论了影响节点承载力的主要参数。

经分析可得,增加外加劲板厚度可显著提高该节点抗火临界温度和破坏时的极限承载力,为梁柱节点的抗火设计提出了建议。

[关键词] 海洋平台;梁柱节点;临界温度;极限承载力Study on fire resistance of beam column joints in offshore platformJin Meng 1,Zhao Jincheng 1,Chang Jing 2,Liu Minglu1(1Department of Civil Engineering,Shanghai Jiao Tong University ,Shanghai 200240,China;2Shandong Jiaotong Universi ty,Jinan 250000,China)Abstract :ABAQUS program was used to establish the fini te element calculation model of beam column joints in offshore platform,and the fire resistance of the joint under differen t temperature was analyzed.Fire Dynamics Simulator (FDS)was adopted to establish the distribution of environ ment temperature according to characteri stics of fire in offshore platform.The bearing capacity and critical temperature of beam colu mn joints under different dis tributi on of temperature were analyzed.The influence of geometric pararmeters on the ulti mate strength was investigated and explained graphically.The fire resistance critical temperature and bearing capaci ty of the joint will significantly increase wi th the increasing of the thickness of outer stiffening ring,and suggestions to fi re resistance design are provided.Keywords :offshore platform;beam colu mn joints;critical temperature;bearing capacity*中国高技术研究发展(863)计划(2007AA09Z322)。

作者简介:靳猛,博士研究生,Email:54jinmeng@ 。

0 引言火灾是海洋平台结构破坏的重要原因之一。

我国近海已建成使用的海洋石油钻采平台大多数是导管架式固定平台。

导管架式海洋平台是由导管腿、水平弦杆、斜撑及工字钢梁等钢结构薄壁杆件构成的空间钢架结构,圆管柱与H 型钢梁外加劲环节点是其主要的节点形式,节点性能直接影响平台的受力情况和结构的整体性,所以研究梁柱节点的抗火性能、火灾中的行为及破坏形式很有必要。

对于钢管相贯和钢管混凝土节点在常温和高温下的性能研究,国内外学者已经做了大量工作[1 4],但至今很少见有研究海洋平台梁柱节点高温性能的文献。

因此,结合中国海洋石油生产状况,进行火灾环境下的海洋平台圆管柱与工字钢梁外加劲环节点的承载力和破坏模式研究,对提高平台结构抗火能力具有重要意义。

1钢材高温性能钢材抗火性能差,其强度和变形性能都随着温度的升高而发生急剧的变化[5],结构升温后,虽然作用在结构上的荷载不变,但由于钢材的弹性模量和屈服强度都急剧下降,致使构件的刚度下降、变形增大、承载能力明显下降,并引起平台结构的内力重分布。

因此,平台结构在火灾作用下的力学反应,包括内力、变形和承载力等,都取决于构件的温度场变化和材料的高温性能。

图1 D36钢高温应力应变关系欧洲规范Eurocode3[6]对钢材在高温下的性能等做了明确规定,理论也较成熟。

文中在分析计算时涉及的钢材在不同温度下的各项力学性能均采用Euroc ode3所规定的数值。

海洋平台主体结构一般采用D36钢[7],其常温下屈服应力为355MPa,弹性模量为2 06 1011N m 2。

图1和表1分别给出了D36钢在不同温度下不考虑强化的应力 应变关系,并取应变为2 0%时的应力为屈服应力。

热膨胀系数 s 取1 4 10-5m (m !);泊松比受温度的影响较小,高温下与常温下相同,取 =0 3。

D36钢不同温度下的力学性能表1温度 !201002003004005006007008009001000比例极限 MP a 355355286 5217 6149 1127 863 926 617 813 38 9屈服极限 MP a 355355355355355276 9166 981 739 121 314 2弹性模量 103N m m 2206206185 4164 8144 2123 663 926 818 513 99 3比例极限应变 10-31 721 721 551 321 031 031 000 990 960 960 962火灾温度场计算模型以我国南海西部海域一气田中心平台为模型。

该平台是一座集生产、计量、油气处理和输送、生活、动力为一体的8腿导管架中心平台。

平台设有上、中、下3层主甲板、一个工作甲板和一个直升机甲板,如图2所示。

上、中、下层甲板尺寸分别为60m 29 4m,57 5m 29 4m,48 5m 29m,工作甲板尺寸为21m 15m,平台总高129m,其中导管架桩腿设计长度108m 。

圆钢管柱截面为!1200 45,主梁为H900 300 16 28,次梁为H600 300 12 20。

H 型钢梁通过外加劲环与钢管焊接连接,导管架钢材采用D36钢。

影响海洋平台火灾的因素很多,包括火灾发生的条件、位置、空气流通条件等。

根据海洋平台火灾的特点,选取中层甲板高压分离器为泄漏源进行火灾模拟计算,燃烧物质主要成分为甲烷,设定燃烧时间为600s,借助FDS(Fire Dyna mics Si mula tor 即火灾动力学模拟器)模拟海洋平台发生火灾舱室烟气流动和梁柱节点处的温度场分布。

考虑了燃烧物质的热释放能量和风速的不同,取4种火灾工况见表2,计算节点温度时程曲线如图3所示。

图2 平台整体有限元模型及火灾舱室模型不同火灾工况节点区的温度分布表2工况燃烧功率 MW燃烧面积 m2风速m s最高温度 !134 50300234 551003208 507004208 55500从表2可以看出,在4种火灾工况作用下,节点区的温度随着燃烧面积的增大而升高;同时无风时的温度高于有风时的温度,这是由于海洋平台为半开敞空间,无风时,周围热气流层的温度迅速升高,烟气带着热量上升,通过对流和辐射直接加热火源舱室的梁柱节点;有风时,部分热量被风吹到相邻区域,而使上升至节点区的热量减少,所以温度降低。

从图3的曲线还可以看出,由于风的作用,节点区温度波动较大,而在无风情况下节点区温度相对平稳。

3梁柱外加强环节点计算及结果分析3 1节点有限元模型取发生火灾舱室梁柱外加强环节点进行有限元分析,采用ABAQ US 中4节点四边形有限薄膜应变线性减缩积分S4R 壳单元。

节点尺寸为柱!1200 45,H 型钢梁截面为H900 300 16 28,外加强环厚度同梁翼缘厚度,钢管柱长6m,两端铰接;钢梁一端与柱通过加强环连接,另一端悬臂,悬臂长度为3m,并将节点区域网格细化,节点如图4所示。

图3 不同工况下节点区温度曲线图4 梁柱外加强环节点3 2恒载升温为研究节点在不同荷载下的临界温度,将荷载直接作用在梁悬臂端,加载方式采用恒定荷载逐步升高温度(假定梁腹板和翼缘温度均匀),确定其临界温度,图5给出了节点在600!时的应力云图。

该节点梁端在常温下的承载力为:F u =1425 5kN 。

通过调整梁端集中力的大小,得到不同荷载下梁端温度 位移曲线如图6所示,从图中可以看到常温下在梁端集中力作用图5 梁柱外加强环节点应力云图 Pa下均有较小的初始位移(向下为正),其后由于热膨胀效应位移减小,随着温度的继续增加,材料的屈服强度和弹性模量降低,刚度减小,位移增大直到最后节点区加劲板出现局部屈曲破坏。

同时随着梁端集中荷载的增大,临界温度逐渐降低,当集中力大于0 6F u 时其临界温度下降较大。

3 3恒温加载为研究节点在不同温度分布时的变形情况、应力分布及极限承载力,加载方式采用恒定温度逐步增加荷载。

采用多荷载步和荷载子步方法,收敛准则为位移控制,当计算节点反力出现下降段时,标志着节点破坏,则此荷载步对应的荷载值为该节点的极限承载力,如图7所示。

从图中看出随着温度升高节点极限承载力逐渐降低,当温度大于500!时降低幅度较大。

图6 不同荷载下节点梁端温度 位移曲线图7 不同温度下节点的荷载 位移曲线3 4各参数对承载力的影响为研究各参数对节点抗火性能的影响,文中进行了6个算例(SP1~SP6)的分析,梁柱截面尺寸及节点承载力见表3。

梁柱节点参数表3试件编号圆管柱 mmd t1加劲板t2 mm工字梁截面参数 mmb f h t f t w极限温度 !极限承载力 k NSP1120045283009002816613553 SP2120030283009002816596511 SP3120045203009002016577422 SP4120030203009002016567413 SP5120045283009002812594502 SP6120030283009002812592498 注:d为圆管柱直径;t1为圆管柱壁厚;t2为节点加劲板厚度;b f为梁翼缘宽度;h为梁高度;tf 为梁翼缘厚度;tw为梁腹板厚度。