海上多功能工作平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)分析方法＊

楊炎華 甘 進(jìn)

（中交第二航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心1） 武漢 430040） （武漢理工大學(xué)交通學(xué)院海洋工程系2） 武漢 430063）

0 引 言

海上多功能工作平臺(tái)是針對(duì)瓊州跨海大橋基礎(chǔ)建設(shè)而設(shè)計(jì)研發(fā)的一種大型海上橋梁施工作業(yè)平臺(tái)，其以施打大直徑鋼管樁功能為主，并具備基槽整平及海上施工人員生活等功能，見圖1.

圖1 海上多功能工作平臺(tái)效果圖

作為一種新型的自升式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)，其樁腿結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期承受波浪等交變載荷的作用，由此產(chǎn)生的疲勞問題不可忽視.管節(jié)點(diǎn)作為結(jié)構(gòu)的傳力部位，其應(yīng)力十分復(fù)雜且結(jié)構(gòu)破壞往往從節(jié)點(diǎn)開始.在管節(jié)點(diǎn)疲勞破話的研究中，應(yīng)力集中系數(shù)（SCF）是評(píng)價(jià)管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命的重要參數(shù).因此，為了更加準(zhǔn)確的評(píng)估海上多功能工作平臺(tái)的疲勞壽命，對(duì)平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)分析必不可少.

國(guó)內(nèi)外對(duì)管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算多采用模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真兩種方法，而在很多的海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)范中，也都給出了平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算公式和方法.為了更好的了解海上多功能工作平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)和疲勞性能，本文以平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)的典型管節(jié)點(diǎn)作為研究對(duì)象，采用模型試驗(yàn)、數(shù)值仿真和規(guī)范計(jì)算3種方法分別對(duì)其應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，并總結(jié)評(píng)價(jià)三種不同方法在海上多功能工作平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)分析中的適用性和優(yōu)缺點(diǎn).

針對(duì)海上多功能工作平臺(tái)樁腿上的管節(jié)點(diǎn)類型較多且結(jié)構(gòu)龐大的特點(diǎn)，本文選取海上多功能工作平臺(tái)中典型管節(jié)點(diǎn)——KK 型管節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，并對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)縮尺簡(jiǎn)化后的管節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行應(yīng)力集中系數(shù)分析，文中所采用的KK 型管節(jié)點(diǎn)的幾何尺寸及相關(guān)參數(shù)見圖2及表1.由于在實(shí)際平臺(tái)結(jié)構(gòu)中KK 型管節(jié)點(diǎn)承受的載荷組合非常復(fù)雜，但通常軸向載荷是占主要地位.因此，本文僅對(duì)空間KK 型管節(jié)點(diǎn)在軸向載荷作用下的應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行分析.

圖2 KK 型管節(jié)點(diǎn)試件的幾何參數(shù)定義圖

表1 KK 型管節(jié)點(diǎn)試件的幾何參數(shù)

1 模型試驗(yàn)方法

采用試驗(yàn)方法來(lái)分析管節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力和應(yīng)力集中系數(shù)等疲勞性能參數(shù)，不僅能直觀的獲得與管節(jié)點(diǎn)疲勞性能相關(guān)的可靠信息，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果還可作為評(píng)價(jià)管節(jié)點(diǎn)壽命評(píng)估的依據(jù).

根據(jù)海上多功能工作平臺(tái)上KK 型管節(jié)點(diǎn)的受力特性，綜合考慮模型加工的方便性、試驗(yàn)條件是否滿足，以及試驗(yàn)結(jié)果的精度等方面的因素，對(duì)管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)模型試驗(yàn)方案進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，力求得到真實(shí)可信的試驗(yàn)結(jié)果.

模型試驗(yàn)中，KK 型管節(jié)點(diǎn)試件由4 根空心圓形鋼管焊接而成，為了消除弦桿端部條件對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響，取弦桿的長(zhǎng)度大于其直徑的6倍.模型試驗(yàn)裝置由固定架與加載架組成.測(cè)試中，試件的弦桿兩端和撐桿的端部由焊接固定于固定架上，以模擬固定邊界條件.撐桿的自由端由螺栓與加載端頭相連，MTS液壓作動(dòng)裝置通過加載端頭對(duì)撐桿施加軸向載荷.圖3為現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)圖.為消除試驗(yàn)中由于焊接及安裝造成的殘余應(yīng)力和加載過程中的載荷偏差等因素，試驗(yàn)中采取預(yù)加載及載荷控制等多項(xiàng)手段確保試驗(yàn)結(jié)果的精度［1］.

圖3 現(xiàn)場(chǎng)模型試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)圖

試驗(yàn)測(cè)試主要內(nèi)容是加載端的焊縫周圍應(yīng)變值的測(cè)量［2］，應(yīng)變片位置如圖4所示.通過對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭泻缚p處垂直于焊縫的應(yīng)變和平行于焊縫的應(yīng)變數(shù)據(jù)的測(cè)量，并通過CIDECT［3］的線性外推插值及Hooke定律得到應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系計(jì)算得到管節(jié)點(diǎn)焊縫周圍的熱點(diǎn)應(yīng)力值和分布情況.本試驗(yàn)得到的KK 型管節(jié)點(diǎn)在240kN 軸向力作用下的弦桿和撐桿上的最大熱點(diǎn)應(yīng)力值分別為211.6 MPa和129.2 MPa.

圖4 應(yīng)變片布置圖

2 數(shù)值仿真方法

試驗(yàn)測(cè)試方法和數(shù)值仿真方法是分析管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)的兩種常見方法.用數(shù)值仿真方法替代試驗(yàn)方法并準(zhǔn)確的計(jì)算得到管節(jié)點(diǎn)的相關(guān)疲勞性能參數(shù)是研究者不斷追求的目標(biāo).

本文采用有限元通用軟件ANSYS，針對(duì)管節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒K 型管節(jié)點(diǎn)的有限元分析模型［4］.為了真實(shí)地模擬KK 型管節(jié)點(diǎn)在試驗(yàn)中的受力特性及邊界條件等關(guān)鍵因素，保證有限元模型的準(zhǔn)確性以及與試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牡刃裕瑢?duì)所采用的采用能夠應(yīng)力沿壁厚變化的實(shí)體單元Solid95建立數(shù)值仿真模型；網(wǎng)格劃分按照高應(yīng)力梯度區(qū)域采用高質(zhì)量網(wǎng)格，遠(yuǎn)離高應(yīng)力梯度區(qū)域采用較粗糙網(wǎng)格的原則；軸向載荷根據(jù)試驗(yàn)所測(cè)得加載撐桿遠(yuǎn)離焊趾處的應(yīng)力值進(jìn)行施加，邊界條件為固支.KK 型管節(jié)點(diǎn)的有限元模型見圖5.

圖5 KK 型管節(jié)點(diǎn)有限元仿真模型

采用數(shù)值仿真得到的KK 型管節(jié)點(diǎn)在240 kN 軸向力作用下的弦桿焊縫區(qū)域應(yīng)力分布云圖見圖6.由圖6可以看出數(shù)值仿真所得最大熱點(diǎn)應(yīng)力位置與試驗(yàn)結(jié)果相同.

采用CIDECT 的線性外插值方法計(jì)算對(duì)應(yīng)焊趾處的熱點(diǎn)應(yīng)力值，弦桿焊趾處熱點(diǎn)應(yīng)力分布與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見圖7.由圖7可知數(shù)值仿真結(jié)果大于試驗(yàn)結(jié)果，這是由于數(shù)值仿真模型模擬的焊縫尺寸比試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃缚p尺寸小，且仿真無(wú)法考慮試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭杏捎诤附庸に嚨纫蛩匾鸬臒狳c(diǎn)應(yīng)力值和分布的差異.

圖6 弦桿焊縫區(qū)域應(yīng)力分布云圖

圖7 弦桿焊趾處熱點(diǎn)應(yīng)力分布曲線比較

3 應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算

應(yīng)力集中系數(shù)為焊趾處的熱點(diǎn)應(yīng)力與由軸向荷載在撐桿上的名義應(yīng)力的比值，即

式中：σHSS為熱點(diǎn)應(yīng)力；σn為名義應(yīng)力.

由式（2）可知，如果確定了管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)和名義應(yīng)力，可計(jì)算獲得熱點(diǎn)應(yīng)力.

當(dāng)空間KK 型管節(jié)點(diǎn)承受軸向載荷作用時(shí)，其名義應(yīng)力σn為加載端撐桿遠(yuǎn)離焊縫處的應(yīng)力，根據(jù)材料力學(xué)原理計(jì)算公式

式中：F 為軸向載荷；d為撐桿直徑；t為撐桿壁厚.

根據(jù)式（1）和式（3）可以計(jì)算得到KK 型管節(jié)點(diǎn)采用模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真方法得到的應(yīng)力集中系數(shù).

在海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中，多國(guó)的船級(jí)社也同樣提供了相關(guān)的海洋平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)的計(jì)算方法，式（4）和式（5）分別為DNV 規(guī)范［5］和API規(guī)范［6］提供的K 型管節(jié)點(diǎn)在軸向載荷作用下應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算公式.表2列出了采用模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真得到的KK 型管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)，以及采用不同規(guī)范計(jì)算得到的結(jié)果.

C 為弦桿端部固定系數(shù)，0.5≤C≤1.0，取C＝0.7.

表2 KK 型管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)

由表2可以看出，規(guī)范計(jì)算得到的應(yīng)力集中系數(shù)值均大于采用模型試驗(yàn)和數(shù)值仿真方法分析的結(jié)果，這是由于規(guī)范中對(duì)平臺(tái)的管節(jié)點(diǎn)是按K型節(jié)點(diǎn)考慮的，沒有考慮KK 型節(jié)點(diǎn)2個(gè)K 平面間的影響.規(guī)范計(jì)算結(jié)果無(wú)法準(zhǔn)確反映管節(jié)點(diǎn)熱點(diǎn)應(yīng)力分布規(guī)律和最大應(yīng)力集中系數(shù)出現(xiàn)的準(zhǔn)確位置.

4 結(jié) 論

1）采用模型試驗(yàn)可以較為準(zhǔn)確地得到管節(jié)點(diǎn)焊趾處的熱點(diǎn)應(yīng)力分布情況和最大應(yīng)力集中系數(shù)出現(xiàn)位置.由于模型試驗(yàn)環(huán)節(jié)復(fù)雜、耗時(shí)耗力且成本較高，一般多用于特殊管節(jié)點(diǎn)的科學(xué)研究和對(duì)數(shù)值計(jì)算方法的驗(yàn)證當(dāng)中.

2）通過數(shù)值仿真方法可以較為準(zhǔn)確的判斷焊趾處的最大熱點(diǎn)應(yīng)力位置，并能進(jìn)行復(fù)雜受力狀態(tài)下的管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度分析，可作為管節(jié)點(diǎn)初步設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的工具.該方法無(wú)法準(zhǔn)確反映焊縫周圍的熱點(diǎn)應(yīng)力分布規(guī)律情況，因而對(duì)影響數(shù)值仿真結(jié)果精度的因素有待進(jìn)一步的研究和探討.

3）海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)規(guī)范中的管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算方法與模型試驗(yàn)方法得到的結(jié)果相比均偏于保守，這是由于海洋平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)受力狀態(tài)十分復(fù)雜且為影響結(jié)構(gòu)安全的主要部位.因此，對(duì)管節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的要求非常高，需要設(shè)計(jì)者得到一定的重視.

4）在海上多功能工作平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可以先采用數(shù)值仿真的方法計(jì)算得到受力最不利的管節(jié)點(diǎn)位置，并將所設(shè)計(jì)的管節(jié)點(diǎn)按規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行強(qiáng)度校核，如果滿足規(guī)范要求則可在規(guī)范要求范圍內(nèi)采用數(shù)值仿真方法進(jìn)行優(yōu)化，使所設(shè)計(jì)的管節(jié)點(diǎn)既能滿足結(jié)構(gòu)安全性又能具備一定的經(jīng)濟(jì)性.

［1］曲淑英，張寶峰.完全疊接K 型管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)的試驗(yàn)研究［J］.工程力學(xué)，2009，26（7）：83－88.

［2］甘 進(jìn)，樂京霞，吳衛(wèi)國(guó)，等.海洋平臺(tái)KK 型管節(jié)點(diǎn)的疲勞性能試驗(yàn)研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版，2011，35（5）：980－983.

［3］ZHAO X L，HERION S，PACKER J A，et al.Design guide for circular and rectangular hollow section welded joints under fatigue loading［M］.CIDECT，TUV，2001.

［4］甘 進(jìn).海上多功能工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

［5］DNV.Recommended practice DNV－RP－C203.Fatigue design of offshore steel structures［S］.Det Norske Veritas，Norway，2008.

［6］American Petroleum Institute.Recommended practice for planning，designing and constructing fixed offshore platforms［S］.API RP2A－LRFD，Washington D C.，1993.