考慮節點局部柔度的鋼管結構靜力性能研究

逯 寧

(煙臺大學土木工程學院，山東 煙臺 264005)

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考慮節點局部柔度的鋼管結構靜力性能研究

逯 寧

(煙臺大學土木工程學院，山東 煙臺 264005)

針對節點局部柔度對結構靜力性能的影響，提出了考慮管節點局部柔度的鋼管結構靜力分析計算模型，推導出該簡化模型的計算公式，使用有限元分析方法驗證了模型準確性，并進行參數分析。

鋼管結構，局部柔度，計算模型，參數分析，靜力性能

0 引言

鋼管結構因其質量輕，強度大，對風和海浪的摩阻系數小等性能被普遍應用在海洋石油平臺導管架結構、大跨橋梁及高聳建筑中。在實際工程中，管節點的支管主要承受軸向力，主管則承受支管傳來的徑向荷載。

由于節點處主管徑向剛度小于支管軸向剛度，在受載情況下主管壁將發生局部變形，因此具有局部柔度，研究表明管節點局部柔度對結構的靜力性能將產生重要影響，它將導致結構名義應力的重新分布，使結構變形，降低構件的臨界荷載。

Bouwkamp[1，2]首先研究了局部柔度在焊接管結構中的作用，之后許多學者如Romeijin[3],Mirtaheri[4]等研究了局部柔度在焊接管結構整體分析中的作用，發現局部柔度在結構靜力及動力性能都能產生重要影響，徐漢濤等[6]用塑料制造的Y型和TY型管節點模型進行局部柔度的實驗研究。本文參照以上研究內容提出了考慮節點局部柔度的鋼管結構的靜力性能計算方法。

1 考慮節點局部柔度的焊接管結構計算方法

如圖1所示，支管和主管都被簡化成了梁構件，支管所簡化成的梁構件同主管之間存在軸向和扭轉局部柔度，此處用兩個等效彈簧代替，一個彈簧可以模擬軸向局部柔度，一個模擬扭轉局部柔度，它們相對的軸向和扭轉剛度分別為LJFn和LJFm，LJF的確定采用日本學者Ueda[5]提出的參數方程，如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，Kn，Km均為局部剛度；α，β，γ分別為主支管夾角，支管與主管的直徑比，主管外徑同兩倍壁厚的比值；D為主管外徑；E為鋼材的彈性模量。

依據上述方法將如圖2所示鋼管結構簡化成為如圖3所示節點處引入彈簧的計算模型，這個結構被分解成15個簡單梁構件。

如圖3所示，每個梁構件單元節點的位移和外力關系如下：

[K]e[a]e=[F]e

(5)

其中，[K]e為單元的剛度矩陣，假設梁構件兩端分別為A，B點，依據計算結構力學求解單元剛度矩陣的方法將平面剛架單元剛度矩陣中剛度引入局部柔度的影響進行修改，其結果如下：

(6)

rij=2/rAB,rAB=1+8γmA+8γmB+48γmAγmB。

但需要做標準轉換時，將各個構件在局部坐標系下的剛度矩陣通過坐標轉換為整體坐標系下的剛度方程，并將各個構件的剛度方程組裝起來形成整個結構的整體剛度矩陣[K]，最后求得整個結構的分析方程為：

[K][a]=[F]

(7)

其中,[a]和[F]分別為每個節點的位移和所受的外部荷載。

通過引入一些節點的邊界條件，式(7)可以使用高斯消元法來進行求解。依此使用Fortran語言編寫了考慮節點局部柔度的整體鋼管結構的計算程序，并用來對整體結構進行線彈性分析。

2 簡化計算模型的驗證及參數分析

為了驗證以上簡化模型的精確度及可靠性，并進一步研究幾何參數(β，γ)對于考慮節點局部柔度的鋼管結構靜力性能的影響規律，建立了9個有限元模型FE-01～FE-09，其幾何尺寸、參數取值見表1，α為主支管之間夾角，β為支管直徑(d)與主管直徑(D)

之間的比，γ為主管直徑(D)與兩倍主管壁厚(T)的比，L為鋼架的總體長度。

采用以下方法進行分析：1)3-D有限元分析法，即用六面體單元來離散整個結構；2)采用現行結構設計中通常用的簡化方法，將鋼管結構簡化為不考慮節點局部柔度，每個構件都是剛接的框架模型；3)將鋼管結構簡化成主管與支管之間節點考慮局部柔度，其他節點為完全剛接的模型。其中3-D有限元分析方法采用商業軟件ABAQUS進行求解，對于簡化模型，采用自行編寫的計算程序進行求解。為明確幾何參數(β，γ)對結構位移分析的影響，其各節點處豎向位移用折線圖表達如圖4a)～圖4i)所示。

表1 參數分析模型的幾何尺寸及各參數取值

3 結語

1)現行結構設計中采用完全的剛接節點的簡化計算模型，過高估計了結構的整體剛度，對結構的變形給出的計算結果過小，參數支管主管直徑比β和主管外徑同兩倍壁厚之間的比值γ，對于結構的變形有較大影響，并且當參數在一定范圍之內時(β=0.3～0.8，γ=10～20)，隨著β,γ的逐漸增大，采用現有完全剛接計算模型所求的位移同真實值之間的誤差逐漸增大。

2)考慮節點局部柔度的計算模型，具有很高的精確度，并且很好的提高了計算效力。

3)局部柔度對于結構的整體靜力性能具有非常顯著的影響，在結構設計時應該被考慮。

[1] Bouwkamp JG. An improved joint model and equations for flexibility of tubular joints[J].Journal of Petroleum Technology,1966,18(11):1491-1499.

[2] Bouwkamp JG, Hollings JP, Maison BF, et al.Effect of joint flexibility on the response of offshore towers. Proceedings of Offshore Technology Conference, Houston, Texas, 1980:455-464.

[3] Romeijin A, Karamanos SA, Wardenier J. Effects of joint flexibility on the fatigue design of welded tubular lattice structures. Proceedings of the Seventh International Offshore and Polar Engineering Conference, Honolulu, USA,1997：90-97.

[4] Mirtaheri M, Ali Zakeri H, Alanjari P, et al. Effect of joint flexibility on overal behavior of jacket type offshore platforms[J].American Journal of Engineering and Applied Sciences,2009,2(1):25-30.

[5] Ueda Y, Rashed S M H, Nakacho K. An improved joint model and equations for flexibility of tubular joints [J]. Journal of Offshore Mechanics and Aretic Engineering,1990(112):157-168.

[6] 徐漢濤，潘 皓，陳伯真，等.TY型管節點局部柔度的參數分析及試驗研究[J].海洋工程，1995，13(2):9-18.

Static behavior of tubular structures considering Local Joint Flexibility

Lu Ning

(SchoolofCivilEngineering,YantaiUniversity,Yantai264005,China)

In light of the impact of Local Joint Flexibility(LJF) upon structural static behavior, a simplified analytical model to analyze the static behavior for a tubular structure with LJF is presented, and the theoretical equations of the simplified analytical model are deduced. Through comparison with finite element results, the accuracy and reliability of the presented model are evaluated, and the parameter analysis is presented.

tubular structure, Local Joint Flexibility(LJF), analytical model, parameter analysis, static behavior

1009-6825(2016)05-0037-03

2015-12-04

逯 寧(1989- )，男，在讀碩士

TU311

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