海洋平台结构设计：第四章平台甲板结构及附属设施设计

1、1,第一节 甲板结构的计算模型 第二节 甲板结构的设计 第三节 附属设施设计,平台甲板结构及附属设施设计,本章主要内容,平台甲板结构及附属设施设计,定义：桩顶以上，包括上部设施与设备的支撑结构在内的所有建筑结构,平台上部结构,第一章 绪 论,Chapter 1 introduction,平台上部结构设计目的：选择组成上部结构各个构件的截面,选取各个构件的截面要先对实际结构进行力学简化，而且计算简图必须反映 实际结构的受力状态和计算简便,甲板结构,模块设计：为减少昂贵的海上安装费用，把设施与设备按工艺流程、安全区和危险区进行分组，在陆上完成组块构造、预装和预试运转，最后在海上进行安装的设计方法

2、平台按模块与设备在支撑结构上的安装方法，对平台上部结构的型式进行分类,上 部 结 构 的 型 式,模块结构,半组合结构,设施设备以模块的形式在陆上完成组装、 试运转，在海上直接吊装在支撑框架上,全组合结构,板梁结构,在海上完成模块与支撑结构的连接，较常用的上部结构型式,不采用模块形式，把设备直接安放在支撑框架内,单层梁板结构，可设计成自撑式平板梁或桁架，用于支承上部设备，适用于设备重量较轻、数量较少的情况,按承载方式（柱或桁架）与上下层甲板的连接形式，对支撑结构的结构型式分类,支 撑 结 构 的 型 式,空腹式框架结构,桁架式结构,包括梁和立柱等构件。甲板间通过立柱相连。此结构层间开阔，设备维

3、修和安装方便，用钢量省；结构整体稳定性差,混合式结构,由梁、撑杆构成的平行桁架构成。此结构整体稳定性好；但由于撑杆过多，设备移动、安装、维修不方便，用钢量大,由梁、立柱、桁架构成。此结构综合了前两种结构的特点；对受力较大、振动大的部位采用桁架结构；对受力较小、无振动大的部位采用空腹式结构,确定甲板结构计算模型需先对上部结构进行简化，包括结构简化和荷载简化 结构简化是否正确会直接影响结构内力计算的可靠性,结构简化,结点构造与简化,支座构造与简化,荷载简化,作用于梁板结构上荷载的选取,荷载分配与计算简图,第一节 甲板结构的计算模型,杆件的简化,上部结构计算简图的选取,结点构造、支座和杆件的简化属于

4、结构局部构造的简化,1.上部结构结点构造与简化,一、结点构造、支座及杆件简化,上部结构的结点：主梁与立柱的连接接头；包括刚结点和铰结点,主梁与立柱有简支连接和刚性连接两种连接方式,简支连接既能承受轴力、剪力，不能承受弯矩，所对应的结点为铰结点,确定结点简图时，既要考虑结点的实际构造，又要考虑结构的几何组成,刚性连接只能承受轴力、剪力，又能承受弯矩，所对应的结点为刚结点,上部结构结点连接型式,刚性连接,简支连接,2.上部结构支座构造与简化,支座的连接构造方式：螺栓连接、连接板连接、插入式连接（较常用）,插入式连接支座可传递弯矩， 故支座可简化为刚性连接,支承结构的桩顶,3.上部结构杆件的简化,各

5、杆件之间的连接构造用结点表示,荷载作用点在杆件轴线上,杆长用结点间轴线距离长度表示,在计算简图中，杆件用它的轴线表示,甲板结构：由板、次梁、主梁三种构件组成的梁板系统结构,结构竖向荷载传递路线：,二、荷载简化,荷载 甲板铺板次梁 主梁 柱（桩顶） 基础,1.作用于梁板结构上的荷载,恒载：作用在结构上的不变荷载,作用时间较长的活载，可视为恒载,活载：作用在结构上的可变荷载，应考虑活载的最不利布置方式,作用于梁板结构上的荷载包括恒载、活载,有动力荷载作用时，可视为静荷载，再乘以动力放大系数,2.荷载分配与计算简图,次梁与主梁将铺板分为许多区格，各区格板按受力分为两边支承板和四边支承板,1）甲板铺板

6、的荷载分配与计算简图,当 时，假定板两边固定在次梁上，简化为两边支承板,当 时，简化为四边支承板，两个方向的内力必须都要计算,取单位宽度板计算板上的内力，最大弯矩为：,（平行于短边方向）,（平行于长边方向）,1,2 弯矩系数，取决于板的长短边之比 q 铺板上的均布线荷载,梁上的荷载分配与计算简图取决于梁格布置的形式和板的支承情况,2）梁上荷载分配与计算简图,次梁计算简图： a.当梁格布置采用层叠连接或等高连接，且 时，板两边支承于次梁，板上均布荷载按铺板区格的中线来划分，分别传给两边的次梁，则次梁上的均布荷载为：,b.当梁格为层叠连接时，次梁的计算简图为多跨连续梁,q1,q2 作用在铺板上的恒

7、载和活载 q3 次梁的自重 l1 次梁的间距,c.当梁格为等高连接或降低连接时，次梁的计算简图为单跨连续梁,次梁计算简图,主梁计算简图： a.当主梁为连续梁、中间搁置在柱（桩顶）上时，视其为多跨连续梁,b.当主梁在柱（桩）顶处断开，视其为简支梁,c.主梁上所受的荷载为各次梁的支座反力p加主梁自重荷载q。中间次梁施加的支反力为ql,两边次梁施加的支反力为ql/2,d.当梁格采用等高连接，且 时，板四边支承于主梁和次梁上。板上的均布荷载安等分角线分配给次梁和主梁。故主梁、次梁分别为承受集中荷载、三角形荷载、梯形荷载，以及结构自重产生的均布荷载的连续梁和简支梁。,e.实际工程中，作用在主梁和次梁上的

8、集中荷载、三角形荷载、梯形荷载、均布荷载均可按公式简化为等量均布荷载,3.上部结构计算简图的选取,初步设计阶段，常把平台上部结构简化为若干平面结构进行受力分析,对于导管架平台，根据吊装和构造的实际特点，进行受力分析时，通常将上部结构与下部结构分开考虑,右图中，上下层甲板主梁和层间 立柱组成一个多跨封闭的横向框架,上部结构典型计算单元：简支梁、多跨连续梁、刚架结构、排架结构、桁架结构,甲板结构的设计,平台甲板铺板厚度确定,梁格的布置与连接型式,第二节 甲板结构的设计,梁与立柱的内力计算和截面选择,单个构件应按最不利组合取设计荷载来计算截面内力，由此选择构件的经济截面,一、平台甲板铺板厚度确定,甲

9、板铺板的厚度取决于甲板预计要放置的设备重量、尺度、梁格布置、铺板挠曲许可量、打算采用的梁的尺寸。通常要兼顾选择铺板厚度、梁的尺度、梁的间距,目前海上平台甲板铺板普遍采用钢板,铺板厚度t：,（两边支承板）,（四边支承板）,q作用在铺板上的最不利均布荷载 钢板的容许抗弯应力 l1板的计算跨度（短边长度） Mmax作用在甲板上的最大弯矩,为了保证板厚能抵抗各种机具设备对板可能产生的冲击和磨损，要求：,实际设计时，为了得到合适的板厚、合理的次梁布置、板和梁的总用钢量最小，确定板厚往往要与次梁间距布置一起考虑,选用甲板铺板时尽量选用较薄的钢板,通常,铺板厚度t：,钢结构 Steel Structure,

10、梁格是由许多梁排列而成的平面体系。梁格上的荷载一般先由铺板传给次梁，再由次梁传给主梁，再传给支座。,二、梁格的布置与连接型式,根据梁的排列方式，梁格可分成下列三种典型的形式： 简单式梁格只有主梁，适用于梁跨度较小的情况 普通式梁格有次梁和主梁，次梁支承于主梁上 复式梁格除主梁和纵向次梁外，还有支承于纵向次梁上的横向次梁,1）梁格布置是梁格结构设计的关键,影响因素：,目的：合理地决定板、次梁、主梁的尺度、跨度、间距，在满足使用要求的前提下，使结构总用钢量最少,梁格系统布置时需综合考虑多种因素，力求找出多种方案中的最优方案,主梁跨度,次梁跨度,柱或桩基的布置,梁的设计,钢结构 Steel Stru

11、cture,2） 梁格的连接型式:主次梁的连接型式,主次梁的连接可以是叠接、平接或降低连接。,层叠连接（即叠接)是把次梁直接放在主梁顶面上，用焊缝或螺栓固定。该方法方法制造、安装简便，但建筑高度大，且主梁受压翼缘没有直接与板连接，整体稳定性差；结点为铰结,等高连接(即平接）指次梁与主梁顶面齐平，其上铺板；结点为铰结或刚结,降低连接指主梁、次梁的上翼缘位于同一水平面上。该方法建筑高度小，主梁受压翼缘直接与板连接，整体稳定性好；但制造费工；结点为铰结或刚结,钢结构 Steel Structure,1.次梁的内力计算与截面选择,三、梁与立柱的内力计算和截面选择,在平台将结构中，次梁常采用型钢梁，主梁

12、采用组合梁,次梁截面选择步骤：先根据强度和刚度要求，同时考虑经济和稳定性等各个方面，初步选择截面尺寸，再由计算简图计算次梁的最大弯矩和最大剪力，对次梁进行强度、刚度、整体稳定验算,强度验算：,挠度验算：,整体稳定性验算：,钢结构 Steel Structure,2. 次梁的组合截面,当次梁直接焊在铺板上时，次梁两侧的一部分铺板可兼作次梁的 翼缘参与次梁的抗弯。,铺板有效宽度B的选取：,（1）铺板作为梁的受压翼缘，需保证其局部稳定条件的有效宽度：,（2）考虑铺板沿宽度上应力分布不均匀而折算的有效宽度：,钢结构 Steel Structure,3. 主梁与立柱的内力计算和截面选择（以刚架结构为例)

13、,1）内力计算,一般对于无结点线位移的刚架，宜采用弯矩分配法,一般对于无结点角位移的刚架，宜采用位移法或剪力分配法,对于既有结点角位移又有结点线位移的刚架，宜采用力法或弯矩分配法与位移法联合求解,钢结构 Steel Structure,2）主梁截面选择,组合梁截面的选择是主梁设计的关键，具体步骤：,a. 确定梁高h和腹板高度h0 b. 确定腹板厚度 c. 选择翼缘尺寸b1和t1 d. 组合梁的强度、整体稳定性、挠度验算,钢结构 Steel Structure,3）立柱截面选择,平台上部结构的立柱，除了承受轴向力外还受弯矩作用，故立柱为偏心受压构件。通常设计成等截面实腹式柱。截面选择步骤：,a.

14、 截面尺寸选择 d. 强度、整体稳定性、刚度验算,附属设施包括与生产设施与设备有关的生产、生活、交通通信等服务设施,附属设施设计,生活区结构设计,直升飞机甲板设计,第三节 附属设施设计,栈桥设计,火炬塔结构设计,生活模块：将生活区制作而成的独立的吊装单元,一、生活区结构设计,生活模块总体布置的特点：,1.区别于房屋设计：不仅用于居住、休息、娱乐，还有生活相关的公用设施,2.模块规模取决于居住人员数量、政府规定的生活标准、公用设施的安排,3.模块设计要综合考虑防火、防爆、防震、防潮、保温、隔音、通风、采光等要求，以及与生活膳宿相关的问题,生活区布置方式： （1）布置生活平台 （2）与钻井区、生产

15、共同布置综合平台 （3）布置为生活模块,1.设计荷载（按海上固定平台入级与建造规范确定荷载值）： 1）静荷载（结构自重、固定设备及备品） 2）风荷载 3）活荷载（人员移动、家具、当屋顶作为直升飞机甲板的飞机降落时的冲击荷载、雪荷载等）,2.结构内力分析方法：采用迭代法,生活模块是一个多层的框架结构，通常可简化为平面横向刚架。,生活模块结构的受力分析：,注意：一般荷载满布是较少的，需对各层传到主梁、柱和基础的荷载予以折减,将静荷载引起的内力与活荷载在最不利位置引起的内力相叠加，即可得到各截面的最不利内力组合。,二、直升飞机甲板设计,直升飞机甲板设计依据：,1.直升飞机甲板的功能：确定是停泊单直升

16、飞机亦或多直升飞机,2.直升飞机的性能：飞机的毛重、总长、总高、旋翼直径、主轮间距,对直升飞机甲板的总体要求： （1）具有足够的面积供直升飞机起落和装卸作业 （2）具有足够的强度去承受直升飞机降落时的冲击荷载,3.直升飞机甲板位置,4.环境条件,1.直升飞机甲板一般布置在生活区建筑物的屋顶上，面积不够时设计成悬臂式结构型式,直升飞机甲板一般布置：,2.直升飞机甲板包括圆形的、方形的、六角形的平面型式,3.确定甲板尺度时，要考虑平台的轮廓、设备布置、平台方位、到障碍物的距离、所选飞机型号、环境条件；通常根据飞机的总长确定甲板的基本尺寸,4.应合理考虑平台地面气垫区域的布置,6.布置直升飞机甲板上

17、的设备时，应避免阻碍直升飞机区域,5.当平台结构型式和设备布置对甲板有影响时，应把甲板架高，并充分考虑甲板上部空气扰动,7.要在甲板上布置适当的排水设施；甲板表面应防滑；对于恶劣环境下作业的直升飞机，甲板应提供锁紧装置；甲板上应布置系留点；沿甲板周边铺设至少1.5m宽的安全网或安全架；甲板四周要布置灯具,直升飞机甲板的荷载组合（基本组合）：,1.静荷载+活荷载,2.静荷载+设计着陆荷载,直升飞机甲板的设计荷载： 1）静荷载：甲板结构自重、加强杆、支承结构、设备重量 2）活荷载：人员活动、货物的移动、旋翼的向下气流、积雪和冰荷载；应把最小活荷载设计为2kN/m2 3）环境荷载：主要为风荷载 4）

18、直升飞机着陆荷载：根据飞机制造厂提供的数据计算冲击荷载，但要不小于3W（W为直升飞机最大起飞重量）,3.静荷载+活荷载+风荷载,注意：还要考虑直升飞机甲板建造、安装过程中出现的静荷载和动荷载,直升飞机甲板设计的主要内容：,1.根据机型确定甲板的轮廓尺度、进行甲板梁格布置,2.有悬臂甲板时，确定悬臂甲板的支承结构型式（可采用三角形桁架支承）,直升飞机甲板结构设计： 直升飞机甲板结构由飞行甲板、飞行甲板的支承结构两部分组成；甲板、梁、柱等构件应按照直升飞机最不利的着陆位置来设计,3.进行甲板铺板和梁的截面选择,4.进行支承结构构件的截面选择,5.进行结点构造设计,三、栈桥设计,栈桥的结构型式及一般布置：,1.通常栈桥把设计成直的、单跨的、矩形的或三角形断面型式的钢管结构桥,2.人行走道