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1、王腾 2008.10,第四章 平台上部结构及附属设施设计,平台上部结构：指桩顶以上，包括上部设施与设备的支撑结构在内的所有建筑结构，也称甲板结构。平台上部结构的总体设计主要考虑使用载荷和风载荷等海洋环境载荷。单个构件的设计载荷是由作用于构件的使用载荷与附加载荷最不利的组合确定。平台根据使用要求完成总体工艺布置以后，就可进行上部结构的设计。,4.1 概 述,甲板结构的所有尺度主要取决于各种工艺设备、机械设备与公用设施占有的空间，还要满足工人安全操作所需的空间。上部结构通常根据使用要求和工艺布置按23层设计，设备、设施布置在各层甲板上。通常把设备和设施按工艺流程、安全区和危险区进行划分、在陆上完成
2、组块制造、预装和预试运转。称为模块设计,上部结构设计的主要内容：选择合理的结构形式；进行合理的结构布置。选取合理的计算简图，按最不利载荷组合进行结构内力分析。构件截面选取；节点与支座构造设计附属设施设计,4.2 上部结构型式的选择与计算简图的选取,一、上部结构的型式与结构型式选取,模块结构半组合结构全组合结构板梁结构,二、上部模块与设备的支撑结构型式与特点,空腹式框架结构：梁和立柱组成的整体式结构，空间开阔，整体性差。桁架式结构。整体性好，但空间较小。混合式结构,按支撑结构承载方式与上下层甲板的连接形式分为：,三、上部结构计算简图选取,上部结构设计的目的：是选择组成上部结构各个构件的截面，以满
3、足使用要求和安全要求。实际结构是相当复杂的，为了进行结构内力分析，必须对实际结构进行简化，用简化的图形代替实际结构进行内力计算。用于实际内力计算的图形称为计算简图。计算简图选取的原则： （1）必须反映实际结构的受力状态； （2）便于计算,（一）节点构造、支座及杆件简化,1、上部节点构造与简化节点：主梁与立柱的连接接头，刚节点和铰节点。主梁与立柱的连接有：刚性连接（a)、简支连接（b）、。,2、上部结构支座构造与简化上部结构的支座，就是支承结构的桩顶、支座的连接构造主要有插入式连接（图示）、螺栓连接及连接板连接三种型式。插入式连接可以传递弯距，可简化为刚性连接,3、上部结构杆件的简化杆件的截面尺
4、寸（宽度、厚度）通常比杆件的长度小得多，截面上的应力一般是根据截面的内力（轴力、剪力和弯矩）来计算。计算简图中，杆件用其轴线表示，各杆件之间的连接构造用节点表示，杆长用结点间轴线距离长度表示，而荷载作用点也转移到轴线上。,（二）载荷简化,平台上部设施与设备（模块）的支撑结构通常称为甲板结构。它是由板、次梁和主梁三种构件组成的梁板系统结构。作用在甲板铺板上的载荷传给次梁，再由次梁传给主梁，最后由主梁传给柱（或桩顶）与基础。,1、作用于梁板结构上的载荷固定载荷：作用于结构上的不变载荷，如构件自重、固定设备的重量等。活动载荷：作用于结构上的可变载荷，如可移动的设备重量、散装材料、操作载荷及风载荷和雪
5、载荷等。计算时采用固定载荷与活动载荷最不利的组合进行结构强度计算。,2、载荷分配与计算简图甲板铺板的载荷分配与计算简图,当实际铺板简化为单向板（两边支承板时，长短边之比大于2），若板是多跨连续的板支承于刚度较大的梁格上时，计算一个区格内板，可假定板两端固定在次梁上，采用图4-6 (b)所示的计算简图。,当实际铺板简化为双向板（四边支承板，长短边之比小于2），必须进行两个方向的内力计算，当板上承受最不利均布荷载为q时，它的弯矩计算可以采用查表法。若在板的两个支承方向分别取单位宽度板条来计算图4-6 (a)，则其跨中最大弯矩分别为：,平行于短边方向,平行于长边方向,当铺板（钢质）四周与梁格采用连续
6、焊缝连接，此时四周可视为弹性固定支承，它的弯矩可按下式计算：,梁上载荷分配与计算简图,当梁格采用层迭连接或等高连接，而长短边之比大于2时，板按两边支承在梁上进行简化，板上均布载荷可按铺板区格的中线来划分，分别传给两边的次梁，则次梁所承受的均布载荷（图4-7)为：当梁格为层迭连接时，次梁的计算简图为多跨连续梁，图47（b）。,次梁 自重,固定载荷 (包括板的自重）,活动载荷,当梁格为等高连接或降低连接时，次梁腹板用贴角焊缝直接连到主梁腹板上，其计算简图为单跨简支梁，图47（c）。次梁的跨度为两主梁的间距。 对于主梁 当各跨间主梁为一连续梁时，中间直接搁在柱（桩）顶上，则按多跨连续梁考虑，图4-7
7、(d）4-7(e)。若主梁在柱（桩）顶处断开，则按简支梁考虑。,若主梁与柱采用刚性连接且两者之间的线性刚度比小于4，则柱子对主梁内力影响较大，按刚架横梁考虑。图4-7(e)中间各主梁上所受的载荷为各次梁的支反力p（集中荷载）及主梁自重荷载q（均布载荷）。集中载荷pql2，q为作用在次梁上的均布载荷。,当梁格采用等高连接，且长短边之比小于2时，板为四边支承于主次梁上。板上的均布载荷可按等分角线分配给次梁和主梁，图4-8(a)。这样，主、次梁分别为承受集中载荷、三角型载荷、梯形载荷以及结构自重产生的均布载荷的连续梁或简支梁，图4-8(b),4-8(c)。,在实际工程中，作用在主次梁上的集中载荷、三
8、角型载荷、梯形载荷及均布荷载可以按表4- 2简化为等量均布荷载计算。,平台上部结构是一个多层多跨的复杂空间结构，完全按照结构的实际状态进行力学分析是不可能的，也是不必要的。因此，在对上部结构进行力学分析之前必须按照前面给出的简化原则，对实际结构进行化简，忽略不重要的细节，表现其基本特征，用一个简化而合理的结构计算图式代替实际结构，进行内力计算。,对于导管架型平台，根据吊装和构造的实际特点，在进行受力分析时，通常是将上部结构与下部结构分开考虑。当进行上部结构受力分析时，将下部结构的桩顶视为上部结构的支座，当进行下部结构受力分析时，则将上部结构自重，设备重量及外载荷作为下部给构的外载荷。这样，我们
9、就可以把整个上部结构简化为如图所示的计算模型。,按平面结构计算单元,4.3 甲板结构的内力计算与经济截面确定,平台上部结构典型计算单元包括：简支梁、多跨连续梁、刚架与排架结构、桁架桔构等。这些计算单元可通过力学计算得到杆端内力（轴力，剪力及弯距）。,对四边支承板，其板厚：, 板的容许抗弯应力 Mmax 板上的最大弯距,一般甲板厚度不应小于6mm，板厚范围在612mm，平台底层如果铺设铺板，通常用1213mm厚钢板。,一、平台甲板铺板厚度确定,甲板铺板厚度取决于甲板上预计要放置的设备重量、尺度、梁格布置、铺板挠曲限量以及打算采用的梁的尺寸等。通常的做法是兼顾选择铺板厚度、梁的尺度及梁的间距。对两
10、边支承板，其板厚：,t 铺板厚度 q 均布载荷 板的容许抗弯应力 l1 板的计算跨度,二、梁格的布置与连接型式,梁格系统的布置型式：,简式梁格：只设主梁，铺板上的载荷传递：主梁 支座。普通式梁格：主梁间设置若干次梁，铺板上的载荷传递：次梁 主梁 支座。复式梁格：设横向次梁，再在横向次梁间设置纵向次梁，使铺板的区格尺寸与厚度保持在经济合理的范围内。铺板上的载荷传递：纵横次梁 主梁 支座。,梁格的连接型式：,层迭连接（a） ：次梁直接支承在主梁顶面上用贴角焊缝或螺栓与主梁上翼缘连接。稳定性差，一般不用。,等高连接（b、d） ：把次梁连接到主梁腹板上，主、次梁的上翼缘位于同一水平面上。整体稳定性好，
11、广泛采用。,降低连接（c） ：横次梁连接到主梁腹板上，但其上翼缘低于主梁上翼缘，以便纵次梁支承在横次梁顶面，使纵次梁和主梁顶面齐平。,三、梁与立柱的内力计算和截面选择,（一）次梁的内力计算与截面选择,次梁可简化为两端固定的梁、简支梁、多跨连续梁。,截面选择步骤：,首先计算次梁的最大弯距Mmax和最大剪力Qmax 。根据初步选定的截面对次梁进行强度、整体稳定和挠度验算。, 强度验算：,梁所需的截面抵抗矩：,如最大弯距处有螺栓孔：W值应增大1015。,弯曲正应力：,抗弯容许应力,计算截面最大弯距,净截面 抵抗矩,剪应力验算：,计算截面最大剪力,计算剪应力处以上毛截面 对中和轴的面积矩,毛截面 惯性矩,腹板 厚度,抗剪容许应力,腹板园角根部截面处的局部压应力验算：,跨中集中载荷处：,支座处：,集中载荷,支座反力,集中载荷或支座反力 沿梁跨度方向作用的实际长度,自梁承载的边缘 到腹板园角根部的距离, 挠度验算：,梁的挠度验算：,载荷系数； 受均布载荷作用的简支梁5/384； 简支梁跨中作用一集中载荷时1/48,梁承受的载荷总值,梁的刚度,连续梁：,梁的跨中最大弯距,与Mx同时产生的两端支座负弯距（公式代入绝对值）, 整体稳定性验算：,梁最大刚度平面内 的最大弯距,梁受压最大的 毛截面抵抗矩,梁的整体 稳定系数,
