用邁納的疲勞累積損傷規(guī)則來估算節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命課件

1、 平臺(tái)所受的地震力與其他動(dòng)力載荷的輸入機(jī)理不同，它是由于地面運(yùn)動(dòng)而將地震力傳給樁 ，再?gòu)臉秱鞯綄?dǎo)管架。 地震力的強(qiáng)度依賴于結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)的剛度，由于結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)單元的非彈性屈服或屈曲，因此當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度較小時(shí)，地震力通?？梢詼p小，這與其他環(huán)境載荷不同。地震力的輸入機(jī)理上節(jié)內(nèi)容回顧在一般術(shù)語(yǔ)中，一個(gè)構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的延性可用下列比值來定義，即破壞時(shí)的變形/屈服時(shí)的變形?！白冃巍笨赏ㄟ^撓度、扭轉(zhuǎn)或曲率計(jì)量。在結(jié)構(gòu)中，延性對(duì)于地震問題特別重要，因?yàn)椋诜菑椥苑秶鷥?nèi)與延性相伴隨的是強(qiáng)度增長(zhǎng)。延性上節(jié)內(nèi)容回顧規(guī)范中給出了設(shè)計(jì)烈度為7、8、9度的地震載荷計(jì)算，對(duì)于設(shè)計(jì)烈度高于9度的地震載荷則要進(jìn)行專門的研究。“烈度”是地

2、震結(jié)果的定性計(jì)量，指的是在規(guī)定地點(diǎn)處震動(dòng)程度，7度時(shí)，地面加速度峰值約為100Gal(cm/s*2)；8度時(shí)，地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值約為200Gal左右；9度時(shí)則約為400Gal。設(shè)計(jì)烈度一般采用所在海域的基本烈度。對(duì)次生災(zāi)害嚴(yán)重的平臺(tái)和特別重要的平臺(tái)，可將基本烈度提高1度作為設(shè)計(jì)烈度。烈度上節(jié)內(nèi)容回顧 為了提高平臺(tái)的吸能能力，可采取下列措施 (1)加強(qiáng)主要構(gòu)件連接處的強(qiáng)度； (2)在結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)中，應(yīng)當(dāng)有一定的強(qiáng)度余量，使在地震中主要構(gòu)件損壞后，還能進(jìn)行載荷重分布； (3)在總體設(shè)計(jì)圖及詳圖中，應(yīng)避免引入會(huì)使剛度和強(qiáng)度產(chǎn)生急劇變化的構(gòu)件； (4)避免選用在強(qiáng)震載荷下的脆性材料； (5)要考慮到由地

3、震運(yùn)動(dòng)引起的相反方向的載荷影響。平臺(tái)的吸能能力上節(jié)內(nèi)容回顧 施工階段的載荷主要有：吊裝力、裝船力、運(yùn)輸力、下水力、扶直力和土壤的安裝反力施工載荷上節(jié)內(nèi)容回顧重力式平臺(tái)的設(shè)計(jì)必須滿足安全與功能兩個(gè)方面的要求：(1)安全要求：使平臺(tái)在建造、運(yùn)概、安裝、作業(yè)等各個(gè)階段都具有一個(gè)可以接受的安全水平；(2)功能要求：使平臺(tái)結(jié)構(gòu)滿足各種特定的功能和正常的使用要求，混凝土重力式平臺(tái)一般都有一臺(tái)多用的特點(diǎn)，既可用于鉆井、采油、生產(chǎn)，又可用于貯油和系泊等。海上混凝土重力式平臺(tái)結(jié)構(gòu)除了安全性與功能要求與陸上結(jié)構(gòu)不同外，在環(huán)境載荷和結(jié)構(gòu)尺寸方面也有很大的區(qū)別。對(duì)于重力式平臺(tái)而言，強(qiáng)度、材料質(zhì)量與耐用性是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主

4、要要求，本節(jié)就強(qiáng)度分析作簡(jiǎn)要介紹。重力式平臺(tái)的設(shè)計(jì)要求上節(jié)內(nèi)容回顧 波浪載荷和地震載荷具有動(dòng)力特征，且起控制作用，因此必須對(duì)混凝土重力平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力分析。重力式平臺(tái)的動(dòng)力分析上節(jié)內(nèi)容回顧(1)把平臺(tái)作為單自由度系統(tǒng)，按等效靜力法計(jì)算，將載荷動(dòng)力放大。(2)把平臺(tái)作為多自由度系統(tǒng)將載荷作為瞬變載荷，按瞬時(shí)反應(yīng)進(jìn)行分析。(3)譜動(dòng)力疲勞分析法，可同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的瞬時(shí)反應(yīng)與循環(huán)載荷作用下結(jié)構(gòu)的疲勞特點(diǎn)。其中第1中方法誤差較大，方法2不能反應(yīng)疲勞特性，方法3還未完全實(shí)用。重力式平臺(tái)動(dòng)力分析的方法上節(jié)內(nèi)容回顧 重力平臺(tái)地基可能發(fā)生破壞的形式一般有三種，即承載力破壞、水平滑移和傾覆。平臺(tái)承載力破壞的模式主要有

5、三種： (1)局部剪切破壞。破壞直接發(fā)生于基底，滑動(dòng)體一般為開始于基底邊緣的楔形塊體； (2)整體剪切破壞。破壞時(shí)具有一個(gè)完整的、確定的破壞面，常發(fā)生在基礎(chǔ)埋置較淺的密實(shí)砂土層中； (3)沖剪破壞。一般發(fā)生于基礎(chǔ)埋置較淺的松散土中，尤其在平臺(tái)下沉至海底的瞬間。重力式平臺(tái)地基破壞形式上節(jié)內(nèi)容回顧重力式平臺(tái)拖船、安裝受力分析1施航穩(wěn)性與船舶一樣，當(dāng)重力平臺(tái)漂浮在水面時(shí)，受到環(huán)境力的作用，也具有初穩(wěn)性與大傾角穩(wěn)性的問題，但由于其長(zhǎng)，寬方向尺度基本相等，因此無縱傾與橫傾之別。在拖航過程中，應(yīng)用模型試驗(yàn)確定拖輪的數(shù)量和布置，以及拖纜的作用力。2安裝平臺(tái)的安裝對(duì)平臺(tái)的壽命有很大的影響，平臺(tái)拖運(yùn)至海上安裝點(diǎn)

6、后，一般可用加入海水壓載的方式使平臺(tái)下沉，下沉速度要精確控制。當(dāng)巨大的沉箱頂面沉沒時(shí)，由于平臺(tái)水線面積變小，穩(wěn)心高度損失很大，此時(shí)平臺(tái)很容易傾覆。在安裝過程中，必須對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。上節(jié)內(nèi)容回顧第七章 節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度與疲勞分析平臺(tái)的節(jié)點(diǎn)，由于不可避免地存在著結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性和焊接、加工的缺陷，因此有很高的應(yīng)力集中，此外焊接殘余應(yīng)力又會(huì)造成金屬的局部塑性變形，這樣在交變載荷、低溫、海水腐燭等作用下接頭高應(yīng)力區(qū)的危險(xiǎn)點(diǎn)將會(huì)首先發(fā)生疲勞裂紋，并逐漸擴(kuò)大而使節(jié)點(diǎn)破壞，甚至完全裂開(見圖7-1)。 在不少平臺(tái)以及其它海洋工程結(jié)構(gòu)中，整個(gè)結(jié)構(gòu)的破壞往往就是在交變載荷作用下節(jié)點(diǎn)首先出現(xiàn)疲勞破壞而引起的。因此如何合理設(shè)

7、計(jì)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，提高其疲勞壽命已經(jīng)成為海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要課題。圖7-1 平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)(1)管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分析；(2)管節(jié)點(diǎn)承載能力研究；(3)管節(jié)點(diǎn)疲勞試驗(yàn)研究；(4)焊接管節(jié)點(diǎn)海水腐蝕試驗(yàn)研究；(5)管節(jié)點(diǎn)制造工藝研究；(6)管節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì)方法研究。(7)管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命的斷裂力學(xué)分析方法研究； (8)進(jìn)口材料管節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究；(9)管節(jié)點(diǎn)用鋼的研究； (10)平臺(tái)規(guī)范中有關(guān)管節(jié)點(diǎn)條文的修訂。3.5.2 弦桿、撐桿和管結(jié)點(diǎn)3.5.2.1 撐桿的壁厚應(yīng)不超過弦桿，且通常應(yīng)使弦桿受到較大的內(nèi)力。弦桿在結(jié)點(diǎn)處應(yīng)有足夠加強(qiáng)。3.5.2.2 焊縫接頭應(yīng)盡量布置在應(yīng)力集中區(qū)域之外，且應(yīng)符合本篇 1.5.5 的焊接

8、要求。3.5.2.3 管結(jié)點(diǎn)的要求可參照本社海上固定平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范。CCS海上移動(dòng)平臺(tái)入級(jí)與建造規(guī)范(2005)規(guī)定CCS 淺海固定平臺(tái)規(guī)范5.7.3 簡(jiǎn)單管結(jié)點(diǎn)及其分類 5.7.3.1 簡(jiǎn)單管結(jié)點(diǎn)是指主要的撐桿間不搭接、不用結(jié)點(diǎn)板、隔板或加筋板的結(jié)點(diǎn)。 5.7.3.2 根據(jù)撐桿受力情況,管結(jié)點(diǎn)的類型可分為 K、T、Y 和交叉型。K 型結(jié)點(diǎn)就是一撐桿中的沖剪載荷實(shí)質(zhì)上為位于結(jié)點(diǎn)同一邊的同一平面內(nèi)的其他撐桿所平衡。對(duì)于 T 和 Y型結(jié)點(diǎn)，撐桿中的沖剪載荷被弦桿中的剪力平衡。交叉型結(jié)點(diǎn)中，一側(cè)撐桿的沖剪力是通過弦桿傳給另一側(cè)撐桿的。對(duì)于部分像K結(jié)點(diǎn),部分像 T 和 Y或交叉結(jié)點(diǎn)那樣承受載荷的撐

9、桿,應(yīng)根據(jù)各自所承擔(dān)的總載荷的份額確定其結(jié)點(diǎn)形式。本章主要內(nèi)容7.1 平臺(tái)的節(jié)點(diǎn)型式7.2 管狀節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)和破壞形式7.3 管狀節(jié)點(diǎn)的沖剪應(yīng)力校核7.4 管狀節(jié)點(diǎn)的疲勞校核 7.1 平臺(tái)的節(jié)點(diǎn)型式平臺(tái)的節(jié)點(diǎn)按其結(jié)構(gòu)型式分為管狀節(jié)點(diǎn)和箱型節(jié)點(diǎn)兩大類。一、管狀節(jié)點(diǎn) 這種節(jié)點(diǎn)直接由管子焊接而成。這類節(jié)點(diǎn)主要用于鋼質(zhì)固定式平臺(tái)的導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)和自升式平臺(tái)的桁架式樁腿結(jié)構(gòu)等。圖7-2(a)為管狀節(jié)點(diǎn)的示意圖。其中直徑較小的稱為撐管，直徑較大的稱弦管，撐管被截?cái)嗪笾苯雍附拥秸w的(不開孔的)弦管上。撐管與弦管有不同的連接形式，并且一根弦管上不止連接一根撐管。因而形成圖示的T型、Y型、K型和TK型的管狀節(jié)點(diǎn)

10、。7-2管狀節(jié)點(diǎn)示意圖 (a)管型節(jié)點(diǎn) (b)箱型節(jié)點(diǎn)漸變段為了增加節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度，采取局部加強(qiáng)措施。將節(jié)點(diǎn)附近的弦管壁局部加厚。這種增厚的部分稱為節(jié)點(diǎn)罐。在接頭處加肘板或撐板。加撐板的目的是為了增加撐管與弦管的焊縫長(zhǎng)度，以便使撐管傳來的載荷分散到較大的面積上。但撐板與管子連接線處的應(yīng)力集中仍很嚴(yán)重。因此近年來加撐板的管節(jié)點(diǎn)使用較少，大多數(shù)管節(jié)點(diǎn)的加強(qiáng)措施還是用局部增厚或者用具有更高屈服強(qiáng)度的材料鑄造成節(jié)點(diǎn)罐的形式。圖7-3 節(jié)點(diǎn)局部加強(qiáng)措施 二、箱型節(jié)點(diǎn) 這種節(jié)點(diǎn)主要用于半潛式平臺(tái)的立柱與下浮體、立柱與桁撐、桁撐與平臺(tái)甲板的連接處。 半潛式平臺(tái)下浮體，立柱及桁撐等結(jié)構(gòu)的尺寸較大，因此半潛式平臺(tái)的

11、接頭屬于大型節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。目前大型節(jié)點(diǎn)大多采用從管型到箱型的過渡，從而出現(xiàn)了箱型節(jié)點(diǎn)。 特點(diǎn)：1.與管型節(jié)點(diǎn)相比，箱型節(jié)點(diǎn)的外形比較簡(jiǎn)單，制作比較容易。箱型節(jié)點(diǎn)可采用直線焊縫，因而焊接條件好，有利于提高焊接質(zhì)量；焊縫探傷也較管型節(jié)點(diǎn)的曲線焊縫方便，容易保證探傷的精度。箱型節(jié)點(diǎn)的載荷傳遞比較平順，應(yīng)力分布均勻，若設(shè)計(jì)得好其應(yīng)力集中系數(shù)可不超過2.而管型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布復(fù)雜，應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)6-10或更高。雖然在某種程度上箱型節(jié)點(diǎn)在重量和水阻力上不可避免地有所增加，但它們只相當(dāng)于在結(jié)構(gòu)鋼材總重量上增加0.1%-0.4%，這在實(shí)際上可忽略不計(jì)。7.2 管狀節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)和破壞形式 在平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，管狀節(jié)

12、點(diǎn)應(yīng)力分析是在平臺(tái)總強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。 首先對(duì)平臺(tái)總強(qiáng)度作分析，計(jì)算出各管狀構(gòu)件的總體應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為名義應(yīng)力。在一般情況下，管狀節(jié)點(diǎn)的名義應(yīng)力包括軸向(拉、壓)應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。但實(shí)踐證明，在這些名義應(yīng)力中，對(duì)撐管來說主要是軸向應(yīng)力，彎曲應(yīng)力占第二位，扭轉(zhuǎn)應(yīng)力則更小。因此在目前的管狀節(jié)點(diǎn)分析中常認(rèn)為撐管只受軸向力作用，并認(rèn)為撐管通過弦管來傳遞載荷。這樣，管狀節(jié)點(diǎn)的基本受力狀態(tài)就是撐管受軸向力的狀態(tài)。對(duì)K型節(jié)點(diǎn)則總是一根撐管受拉而另一根撐管受壓，常見的力學(xué)計(jì)算模型如圖7-4所示。圖7-4 管狀節(jié)點(diǎn)力學(xué)計(jì)算模型 一、最大應(yīng)力及應(yīng)力集中系數(shù)節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)雖然相當(dāng)簡(jiǎn)單，但其應(yīng)力分布卻

13、是比較復(fù)雜的。這主要是由于撐管與弦管在連接處的幾何形狀不規(guī)則，加上撐管在軸向有較大的剛度，而弦管在連接線上各點(diǎn)沿受力方向的剛度又不相同，這就使得撐管與弦管在連接線處相互作用的力分布很不均勻，從而導(dǎo)致管狀節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布比較復(fù)雜。現(xiàn)以T型節(jié)點(diǎn)為例，加以說明，并假定撐管受拉力。如果這個(gè)拉力均勻的傳給弦管且弦管能自由變形的話，則弦管的截面將由原來的圓形變?yōu)闄E圓形。但事實(shí)上撐管是焊接在弦管上的，弦管的變形受到約束。這樣弦管的變形將介于圓形與橢圓形之間。這種變形的產(chǎn)生就相當(dāng)于在自由弦管上增加了一組附加應(yīng)力。這種應(yīng)力在撐管與弦管連接線的最高點(diǎn)為壓應(yīng)力，而在最低點(diǎn)為拉應(yīng)力，并形成一自身平衡力系(圖7-5(c)

14、。若此附加應(yīng)力與均布的拉應(yīng)力疊加就使得節(jié)點(diǎn)在連接線處出現(xiàn)駝峰狀的形狀。圖7-5 管狀節(jié)點(diǎn)力學(xué)計(jì)算模型圖7-6 T型節(jié)點(diǎn)力的應(yīng)力分布現(xiàn)有理論分析和試驗(yàn)研究結(jié)果表明，簡(jiǎn)單T型節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布如圖7-6所示。 從圖7-6可以看出，對(duì)于弦管，它在與撐管相交處在最低點(diǎn)A點(diǎn)沿周向有最大應(yīng)力，然后沿周向衰減并改變符號(hào)(見圖7-7(a)。這種應(yīng)力分布規(guī)律基本上適應(yīng)于弦管各個(gè)斷面。但應(yīng)力的幅值隨距節(jié)點(diǎn)距離的增加很快衰減。對(duì)于撐管，最大應(yīng)力也發(fā)生在與弦管相交處的A點(diǎn)。這個(gè)應(yīng)力隨距節(jié)點(diǎn)距離的增加而趨于均勻?？傊?，無論對(duì)于撐管或者弦管，其最大應(yīng)力總是發(fā)生在兩管交線最低點(diǎn)(A點(diǎn))附近的極小區(qū)域內(nèi)。這個(gè)發(fā)生最大應(yīng)力的點(diǎn)稱為

15、熱點(diǎn)，相應(yīng)的最大應(yīng)力稱為熱點(diǎn)應(yīng)力。圖7-7 某T型節(jié)點(diǎn)承拉試驗(yàn)結(jié)果為了更方便地表達(dá)這個(gè)最大應(yīng)力，在節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)分析中引入節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)，常用符號(hào)SOF表示，它被規(guī)定為最大應(yīng)力與撐管名義軸向應(yīng)力之比，即 (7-1) 式中： ， 為最大應(yīng)力或熱點(diǎn)應(yīng)力，它可以是弦管的周向最大應(yīng)力或撐管的軸向最大應(yīng)力； 撐管的軸向名義應(yīng)力，如遠(yuǎn)離節(jié)點(diǎn)處的撐管斷面的平均應(yīng)力，可從平臺(tái)(或樁腿)的總強(qiáng)度分析中算出。若撐桿所受的軸向力為P，撐管的斷面積為A，則 按此定義，對(duì)于圖7-6的節(jié)點(diǎn)， 故得應(yīng)力集中系數(shù)為SOF=7.25。 一般認(rèn)為，管狀節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)小于10是可用的。為確定應(yīng)力集中系數(shù)，近年來已進(jìn)行了許多理論分

16、析和試驗(yàn)研究，并得出不少實(shí)用公式。鄺等等人用有限元法分析了T型、K型以及TK型簡(jiǎn)單節(jié)點(diǎn)在受軸向力和彎矩作用時(shí)的應(yīng)力情況，得出了相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)，現(xiàn)列于表7-1中。另外有研究采用半解析變分解法對(duì)T、Y、K型節(jié)點(diǎn)在各種載荷作用下的應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，在此基礎(chǔ)上結(jié)合國(guó)內(nèi)外131例實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了修正和可靠性分析，得出了可供工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)時(shí)查用的應(yīng)力集中系數(shù)表，表7-2和表7-3為該表的部分內(nèi)容。表7-1 鄺等的應(yīng)力集中系數(shù)表7-2 軸向載荷下T型接頭的弦管應(yīng)力集中系數(shù)（部分）續(xù)表 7-2表7-3 軸向載荷下T型接頭的撐管應(yīng)力集中系數(shù)（部分）續(xù)表7-3續(xù)表7-3 二、沖剪應(yīng)力 節(jié)點(diǎn)受力過程中

17、，在一般情況下，即使外載荷不很大，熱點(diǎn)應(yīng)力有可能已超過材料的屈服極限。也就是說，熱點(diǎn)首先屈服。隨著外載荷逐漸增加，節(jié)點(diǎn)應(yīng)力將重新分布，使交線熱點(diǎn)以上的部分相繼屈服，最后節(jié)點(diǎn)破壞，通常把節(jié)點(diǎn)最后破壞的載荷與初始屈服的載荷的差值稱為儲(chǔ)備強(qiáng)度。管狀節(jié)點(diǎn)中應(yīng)力的不均勻性使節(jié)點(diǎn)具有很大的強(qiáng)度儲(chǔ)備，即節(jié)點(diǎn)在開始初屈服后還可以繼續(xù)承受更大的載荷，圖7-7為一T型節(jié)點(diǎn)承受拉力時(shí)的試驗(yàn)結(jié)果。(a)圖表示節(jié)點(diǎn)在彈性范圍內(nèi)工作，此時(shí)弦管的周向應(yīng)力在點(diǎn)A最大，沿周向衰減并改變符號(hào)；(b)圖表示節(jié)點(diǎn)中最大應(yīng)力已超過屈服應(yīng)力，并發(fā)生了明顯的塑性變形，(c)圖表示示節(jié)點(diǎn)最終破壞的情況；(d)圖中的曲線表示了上述三個(gè)階段載荷

18、與變形的關(guān)系。從圖中可以看出，節(jié)點(diǎn)破壞時(shí)的載荷約為初始屈服載荷的5倍。在一般情況下，節(jié)點(diǎn)的破壞載荷(極限載荷)與初始屈服載荷的比約在2.5-8之間。如果撐管受壓，也有類似的結(jié)果。圖7-7 某T型節(jié)點(diǎn)承拉試驗(yàn)結(jié)果 從圖7-7(c)中的破壞現(xiàn)象可以看出，撐管最終是從弦管表面被拉開的。很明顯，此時(shí)被拉斷的弦管截面上所受的應(yīng)力為剪應(yīng)力，因此弦管的抗剪能力在一定程度上可以用來反映管狀節(jié)點(diǎn)的最終強(qiáng)度。所以當(dāng)前在管狀節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度分析中引入了一個(gè)“沖剪應(yīng)力”的概念，它已成為管狀節(jié)點(diǎn)靜強(qiáng)度的一個(gè)重要衡準(zhǔn)。 對(duì)如圖7-8(a)的簡(jiǎn)單T型節(jié)點(diǎn)，沖剪應(yīng)力定義為 (7-2)式中：P為沖剪荷重(即撐管的軸向載荷)。若撐管的

19、軸向應(yīng)力為fa。(即前面的名義應(yīng)力 )，則 (7-3)從而 (7-4)對(duì)于Y型節(jié)點(diǎn)(圖7-8(b)，將撐管的軸向力P沿弦管的徑向分解，則得沖剪應(yīng)力 (7-5)如果考慮到撐管上還有彎曲應(yīng)力(圖7-8(e)，其最大名義值為fb，則目前是將fb直接加到軸向應(yīng)力fa上，于是得到現(xiàn)行的通用公式： (7-6)圖7-8 沖剪應(yīng)力由于在Y型接頭中，撐管與弦管的相交線不是正圓形，所以公式(9-5)和(9-6)中的沖剪應(yīng)力是個(gè)近似表達(dá)式。美國(guó)石油協(xié)會(huì)(API)考慮到Y(jié)型和K型接頭相交線的非圓形修正，得出以下的沖剪應(yīng)力表達(dá)式： (7-7)式中：Ka、Kb分別為計(jì)及撐管與弦管相交線非圓形的修正系數(shù)。它們與撐管和弦管的

20、夾角有關(guān)，可由圖7-9中查得。圖7-9 修正系數(shù)Ka與Kb三、管狀節(jié)點(diǎn)的破壞形式除了上述節(jié)點(diǎn)在沖剪應(yīng)力作用下破壞以外，管狀節(jié)點(diǎn)還有其他的破壞形式。圖7-10表示了簡(jiǎn)單的T型和T型節(jié)點(diǎn)的破壞形式圖7-10中(a)、(b)、(c)均為撐管受拉力的情況。其中(a)為撐管在臨近焊縫以上處被拉斷；(b)是因?yàn)楹缚p強(qiáng)度不足而使節(jié)點(diǎn)在焊縫處拉斷；(c)為雙T型節(jié)點(diǎn)因撐管受拉力而產(chǎn)生了較大的塑性變形，并最終在焊縫附近出現(xiàn)裂紋而破懷；(d)是在弦管跨度相當(dāng)大時(shí)，弦管因彎曲嚴(yán)重而導(dǎo)致管壁受壓發(fā)生局部皺析。 圖7-10中的(e)是在撐管受拉的情況下，弦管沿壁厚方向產(chǎn)生“層狀撕裂”，即層裂破壞。它實(shí)際上是金屬材料問題

21、。 圖7-10中的(f)則為T型節(jié)點(diǎn)當(dāng)撐管受壓時(shí)的破壞形式，它是由于弦管與撐管相交處發(fā)生局部失穩(wěn)所引起的，通常節(jié)點(diǎn)在撐管受壓時(shí)的極限強(qiáng)度要比撐管受拉時(shí)的極限強(qiáng)度低一些。因此在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)受壓載荷應(yīng)予注意。圖7-10 管狀節(jié)點(diǎn)破壞形式7.3 管狀節(jié)點(diǎn)的沖剪應(yīng)力校核 該方法是美國(guó)石油協(xié)會(huì)推薦用于固定式平臺(tái)靜強(qiáng)度校核的，也用得比較普通成為一種公認(rèn)的方法。沖剪應(yīng)力校核的衡準(zhǔn)是，節(jié)點(diǎn)的沖剪應(yīng)力應(yīng)小于許用沖剪應(yīng)力。由前節(jié)得節(jié)點(diǎn)在外載荷作用下的沖剪應(yīng)力為 節(jié)點(diǎn)的許用沖剪應(yīng)力與節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)及載荷的形式有關(guān)，我國(guó)規(guī)定固定式平臺(tái)規(guī)范和API第十三版(1982年)建議許用沖剪應(yīng)力用下式表示： (7-8) 式中：Vp為

22、弦管管壁的沖剪應(yīng)力，在極端環(huán)境狀態(tài)下，Vp可提高1/3；Fy為材料屈服極限； 為R/T；Qq、Qf、Qp為對(duì)節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)以及載荷形式進(jìn)行修正的系數(shù)；其具體意義如下。 1修正系數(shù)Qq 主要用來考慮節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù) 、 、 ( )以及載荷形式的影響。Qq不是一個(gè)簡(jiǎn)單的修正系數(shù)。對(duì)K型節(jié)點(diǎn)，Vp與 有關(guān) (7-9)當(dāng)g較大時(shí)，Qq較低，亦即撐管之間的間隙較大時(shí)，Vp稍低。由于節(jié)點(diǎn)在撐管受軸向拉力或軸向壓力時(shí)，沖剪應(yīng)力是不同的，API對(duì)此提出修正。對(duì)T、Y型節(jié)點(diǎn)： 軸向拉力 軸向壓力 (7-10)式中： 是考慮參數(shù) 影響的系數(shù)， (7-11)如上式所示，當(dāng)撐管受拉時(shí)，許用沖剪應(yīng)力較撐管受壓時(shí)為高。表7-

23、4 修正系數(shù)Qq2修正系數(shù)Qf 主要考慮弦管本身受力的影響，實(shí)驗(yàn)證明弦管本身受力情況不一樣，Vp值是不同的。 Qf取決于參數(shù)A， (7-12) 在極端環(huán)境狀態(tài)下，式(7-12)的分母值可增加1/3，式中： 、 分別為弦管的軸向應(yīng)力和彎曲應(yīng)力；Fy 為弦管的材料屈服極限。 (7-13) 由式(7-12)和(7-13)可見，弦管本身受力越大，則Qf下降，Vp值也會(huì)有所下降。3修正系數(shù)Qp。Qp的表達(dá)式為 (7-14)式中：fa、fb分別為撐管的軸向名義應(yīng)力和彎曲應(yīng)力。上式當(dāng)fb0時(shí)，Qp1，因此可理解為Qp是對(duì)撐管彎曲應(yīng)力fb的修正。 由于一般fbfa，在此條件下，若fb越大，則Qp越大(當(dāng)fbf

24、a時(shí)，Qp1.207)，所以Vp亦越大。 API第十五版(1984年)提出節(jié)點(diǎn)的靜強(qiáng)度可按：沖剪應(yīng)力校核或名義載荷校核。 (1)沖剪應(yīng)力，API第十五版作了如下修改 (7-15)式中，f為撐管中的軸向應(yīng)力、面內(nèi)彎曲應(yīng)力或面外彎曲應(yīng)力(對(duì)每一種應(yīng)力分別獨(dú)立計(jì)算其沖剪應(yīng)力)。 (7-16)式中符號(hào)的意義與式(7-8)相同，但其表達(dá)式并不一樣。表7-5中表7-5 修正系數(shù)Qp表7-6 修正系數(shù)Qu 同樣在撐管受到軸向和彎曲載荷組合作用時(shí)，亦應(yīng)滿足相互作用方程： (7-22) (7-23)式中：P和M分別為作用于撐管的軸向載荷和彎曲載荷。 從以上看，API第十五版對(duì)節(jié)點(diǎn)的靜強(qiáng)度除提出了沖剪應(yīng)力校核的要

25、求外，也比較強(qiáng)調(diào)采用極限載荷的校核。二、沖剪應(yīng)力衡準(zhǔn)的應(yīng)用 這里仍以我國(guó)固定平臺(tái)規(guī)范及API第十三版為依據(jù)進(jìn)行介紹。應(yīng)用沖剪應(yīng)力衡準(zhǔn)對(duì)簡(jiǎn)單的T、Y、DT、X及平衡受力的K節(jié)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度校核是沒有問題的，但對(duì)非平衡受力的K節(jié)點(diǎn)及KT節(jié)點(diǎn)則有一個(gè)如何計(jì)算沖剪應(yīng)力，及如何選擇許用沖剪應(yīng)力的問題。API對(duì)此類問題給了一個(gè)圖例，如圖7-11所示。為了實(shí)際應(yīng)用，下面舉實(shí)例說明。圖7-11 沖剪應(yīng)力的計(jì)算圖例P1=1400kNP2=500kN7.4 管狀節(jié)點(diǎn)的疲勞校核 海洋平臺(tái)長(zhǎng)期在惡劣的海洋環(huán)境里作業(yè)，作用在平臺(tái)結(jié)構(gòu)上的波浪載荷周期一般約為 5-10s。這樣，海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)在20-25年的使用期限內(nèi)將受到很多

26、次的周期性載荷，再加上平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)有很高的應(yīng)力集中，因此，平臺(tái)節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷概率遠(yuǎn)比一般的陸上結(jié)構(gòu)高。近年來，海洋平臺(tái)的作業(yè)范圍不斷向深水區(qū)域發(fā)展，作業(yè)水深越大，平臺(tái)的剛度就越低，平臺(tái)的自振周期將從淺水的2s左右提高到4-5s范圍，這與波浪載荷的周期十分接近，從而極容易引起平臺(tái)的共振，加劇了管節(jié)點(diǎn)的疲勞。一個(gè)平臺(tái)有數(shù)百個(gè)甚至上千個(gè)管節(jié)點(diǎn)，實(shí)踐證明，只要有少數(shù)幾個(gè)管節(jié)點(diǎn)發(fā)生疲勞破壞，就可能導(dǎo)致平臺(tái)的整體事故，產(chǎn)生極嚴(yán)重的后果。因此世界備主要的海洋石油開發(fā)國(guó)家對(duì)平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度研究都非常重視。管節(jié)點(diǎn)的疲勞分析已成為平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必不可少的內(nèi)容。當(dāng)前平臺(tái)節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度分析大致有以下三種方法： (1

27、)疲勞設(shè)計(jì)； (2)疲勞分析； (3)斷裂力學(xué)分析法。斷裂力學(xué)分析法是用斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)研究節(jié)點(diǎn)疲勞裂紋的存在與發(fā)展，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)的疲勞損傷是由初始裂紋擴(kuò)展到某一臨界裂紋而造成的。用斷裂力學(xué)分析法預(yù)報(bào)疲勞壽命是比較合理的，且比繪制S-N曲線更為經(jīng)濟(jì)。近年來，這個(gè)方法越來越受到重視，是管節(jié)點(diǎn)疲勞研究的方向。但是，出于斷裂力學(xué)分析法中還有一些具體的參數(shù)和因素未得到很好的解決，加上受傳統(tǒng)的影響，目前大多數(shù)規(guī)范還是首先推薦用常規(guī)的疲勞分析法。本節(jié)主要介紹上述的第(1)及第(2)種方法，關(guān)于斷裂力學(xué)分析法可參閱其它文獻(xiàn)。 一、疲勞設(shè)計(jì) 這種方法不需要進(jìn)行管節(jié)點(diǎn)疲勞累積損傷分析，而是規(guī)定了管節(jié)點(diǎn)的允許應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)，

28、認(rèn)為凡符合一定海況條件的海洋平臺(tái)，滿足允許應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)就能夠保證平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度。API和我國(guó)固定平臺(tái)規(guī)范中規(guī)定的允許應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)如下。 (1)對(duì)于自振周期小于3s的導(dǎo)管架平臺(tái)，采用延性鋼材，在設(shè)計(jì)環(huán)境載荷作用下，撐管的名義應(yīng)力峰值(fa+fb)不大于1317.2N/mm2。同時(shí)，簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)的最大沖剪應(yīng)力：對(duì)K型節(jié)點(diǎn)不大于68.6N/mm2，對(duì)T和Y型節(jié)點(diǎn)不大于49.0N/mm2，對(duì)未加強(qiáng)的X型節(jié)點(diǎn)不大于34.3N/mm2，若 1則不大于49.0N/mm2。 (2)管節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力不大于413.6N/mm2或者熱點(diǎn)應(yīng)變不大于0.2%。 根據(jù)API的解釋，上述的疲勞設(shè)計(jì)是根據(jù)墨西哥灣的環(huán)境資料分析得

29、到的，墨西哥灣水深一般小于122米，平臺(tái)自振周期小于3秒，相應(yīng)于18米波高的波浪載荷加上風(fēng)載，當(dāng)節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力峰值為413.6N/mm2時(shí)，結(jié)構(gòu)疲勞壽命不小于100年。當(dāng)用此熱點(diǎn)應(yīng)力作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)時(shí)，雖然各構(gòu)件的疲勞壽命不完全相同，但均可期望在50-100年之間，所以API制定了此允許應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。 在節(jié)點(diǎn)應(yīng)力為413.6N/mm2的前提下，API又分析了節(jié)點(diǎn)的名義應(yīng)力，并認(rèn)為典型的應(yīng)力集中系數(shù)為3.0，這樣就得到了撐管的名義應(yīng)力為137.2N/mm2。 疲勞設(shè)計(jì)方法十分簡(jiǎn)單。我國(guó)固定平臺(tái)規(guī)范也規(guī)定，當(dāng)平臺(tái)的自損周期小于3秒時(shí)，可只進(jìn)行疲勞分析，但在應(yīng)用時(shí)必須注意，只有當(dāng)平臺(tái)所處的環(huán)境條件與墨

30、西哥灣的海況基本相同時(shí)，使用此方法才是合理的。二、常規(guī)疲勞分析方法 對(duì)于不符合墨西哥灣海況條件的平臺(tái)，目前常用疲勞分析法來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命估算。疲勞分析法又分確定性法和譜分析法，兩種方法的共同之處都是基于S-N曲線，用邁納的疲勞累積損傷規(guī)則來估算節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命，而其主要區(qū)別在于對(duì)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的處理，現(xiàn)將疲勞分析法介紹如下。1S-N曲線 S-N曲線是管節(jié)點(diǎn)疲勞分析的衡準(zhǔn)和疲勞累積損傷計(jì)算的基礎(chǔ)。目前可供使用的有API、AWS(美國(guó)焊接學(xué)會(huì))、DNV、美國(guó)能源部等的S-N曲線。圖7-13所介紹的是API的S-N曲線。圖7-13 S-N曲線圖中：S為節(jié)點(diǎn)所經(jīng)受的交變應(yīng)力范圍即交變應(yīng)力的峰與谷之間的值；N為節(jié)點(diǎn)在某一交變應(yīng)力范圍作用下發(fā)生疲勞破壞時(shí)的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。以上圖為例，表示節(jié)點(diǎn)在S(ksi)的應(yīng)力范圍作用下，作用N次出現(xiàn)疲勞破壞。 S-N曲線一般考慮了節(jié)點(diǎn)的型式(T、Y、K型等)、焊接情況(是否焊透、焊縫外型等)、應(yīng)力種類(名義應(yīng)力、沖剪應(yīng)力或熱點(diǎn)應(yīng)力等)，使用時(shí)必須根據(jù)這些因素來適當(dāng)選取。以圖7-13的S-N曲線為例，此組曲線適用于海水環(huán)境中經(jīng)受波浪載荷的原狀焊縫的管節(jié)點(diǎn)。其中和X與X曲線適用于管節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力范圍或熱點(diǎn)應(yīng)變范圍；D及E曲線適用于撐管名義應(yīng)力范圍；K及K曲線適用于弦管沖剪應(yīng)力范圍。 當(dāng)節(jié)點(diǎn)的焊縫完全焊進(jìn)并和母材光滑過渡，焊縫