第2章修1-有損傷結構可靠性-9750827

有損傷結構可靠性分析一：概述實際結構在使用過程中難免會發(fā)生局部損傷。以近海平臺結構為例，因為它們在復雜惡劣的環(huán)境中工作，除去正常工作和環(huán)境載荷外，由于意外的事故，如給養(yǎng)船只與平臺的碰撞或重物墜落等，造成某些構件局部損傷。這些損傷不斷累積以及加上災難性外界環(huán)境造成1980年“亞歷山大.基蘭德”號海洋平臺在挪威近海傾覆。類似事故還有1967年“海寶”號和1982年“海洋徘徊者”海洋平臺分別在英國北海毀壞和在美國海域傾覆，均造成人員傷亡和巨大財產(chǎn)損失。這些事故使人們對海洋開采平臺在受損傷后的安全問題引起極大關注。研究這些事故發(fā)生原因，有技術性的，也有結構強度方面的。從統(tǒng)計來講，由于結構強度不當引起事故有40%，占現(xiàn)已知事故的首位。可見在海洋平臺的設計、建造和使用過程中，保證結構具有足夠的強度是至關重要的。為了做到這點，以往確定性分析和完整結構可靠性分析就顯得不夠了。有必要引入不完整結構的可靠性問題。無容質疑，損傷降低結構的可靠性，提高了結構的破壞概率?，F(xiàn)有近海平臺主要構件常常由圓柱殼構成。管狀體（充填與未充填）受壓變形模型無容質疑，損傷降低結構的可靠性，提高了結構的破壞概率?，F(xiàn)有近海平臺主要構件常常由圓柱殼構成。管狀體三點彎曲變形分布形式管狀體三點彎曲應力分布形式二：圓柱客體受沖擊后的凹陷模型海洋平臺在波濤滾滾的大海中難免會受到給養(yǎng)船的碰撞，而碰撞等效一個沖擊載荷，為了預測沖擊載荷造成的損傷，現(xiàn)有的研究表明：結構所承受沖擊載荷的能力不是材料的極限載荷，而是結構對沖擊能量的吸收能力大小決定。這樣碰撞的問題可處理為能量的輸入和結構是否有能力吸收這個能量？因此，將碰撞動力學問題轉化為準靜態(tài)載荷作用問題。對于這類問題必須進行一些假設，解決問題的途徑才可能實現(xiàn)。因此，從最壞的情況假設：碰撞物（供給船）為完全剛體，即在碰撞的過程中不吸收能量，全部能量由被碰撞結構所吸收。海洋平臺構件吸收碰撞能的方式主要是局部凹陷變形和整體彎曲變形兩種。由此決定損傷形式如下：1、局部凹陷。一般發(fā)生在園殼構件較短，且薄壁的支撐結構中，由鋒利剛性結構的碰撞所引起；2、無凹陷的整體彎曲。這種可能出現(xiàn)在較長（高）且厚壁的支撐結構中，通常由軟的、可變形的結構作用所引起；3、局部凹陷和整體彎曲同時發(fā)生。此時損傷圓柱殼體一般伴隨著復雜的殘余應力，精確的分析需要借助于三維模型分析。為了驗證這些破壞模式，不少學者做了一些，分析公式均較復雜，可靠性分析使用時較困難。其中邵文蛟等提出一種完全塑性模型。采用了如下假設：（1）、假設材料為各向同性和理想塑性；（2）、只考慮構件的軸向應力,剪切和環(huán)向應力忽略；（3）、殘余應力對塑性極限載荷影響很小，忽略不計；（4）、最深凹陷處有一扁平部分。圓柱殼體受船舶或墜落物的撞擊，其典型的凹陷如圖所示，圖中S為凹陷區(qū)損傷部分的弧長，0為凹陷深度。隨著軸向應力的增加，在達到極限載荷前損傷圓柱殼的力學性能可分成三個階段：階段I：軸力較小時，圓柱殼產(chǎn)生幾乎均布的軸向應力，而不引起初始側向位移。慢慢由于凹陷影響，使凹陷區(qū)產(chǎn)生擠壓和彎曲，達到屈服應力，凹陷區(qū)就塑性化了，這時的軸向力和應力分別記為Ppd,pd。階段II：凹陷區(qū)塑性化后，此部分已不能再承受更大的軸力，進一步增加的外力只能由未損傷部分來承受。慢慢臨近凹陷處的應力達到屈服應力s，此時的軸力為初始屈服載荷Pfs，相應的應力為fs。階段III：隨著軸力的增加，圓柱殼凹陷處整個界面逐漸進入塑性，直到全部塑性化形成塑性鉸，構件已經(jīng)傷失承受更多載荷的能力，此時，軸力為Pu，相應的極限應力為u。首先考慮第I階段，損傷圓柱殼并使凹陷塑性化的應力為pd,則作用于凹陷區(qū)的軸力為：式中:S－為損傷部分弧長；H－殼體厚度。該軸力如偏心作用于凹陷區(qū)引起的彎矩為：－為損傷部分的形心離凹陷區(qū)扁平部分的距離，且滿足上述關系。－損傷部分交角之半。根據(jù)凹陷損傷部分受力圖（如下所示）,最大拉壓應力值不等?當未損傷部分圓柱殼截面全部進入塑性時，在軸力和彎矩共同作用下，截面的應力分布由下圖給出，此時軸力和對中性軸AA’的彎矩分別為：的意義為凹陷區(qū)未損傷部分（D-S)的偏心。的意義為凹陷區(qū)未損傷部分（D-S)的偏心。顯然＝0相當于未損傷圓柱殼情況，如令＝0和彎矩中的＝/2，可得未損傷圓柱殼在軸力和彎矩單獨作用下的完全塑性載荷分別是：得到完全塑性的屈服條件：三、損傷圓柱殼體的極限狀態(tài)方程損傷圓柱殼體的極限狀態(tài)方程如果忽略Mpd和Ppd對中性軸的影響，這是因為它們相比MA,PA是個小量，因此不計Mpd和Ppd對中性軸AA’的影響

。損傷殼體承受的軸力和彎矩分別表示為：損傷圓柱殼體的極限狀態(tài)方程基于凹陷殼體的屈服線破壞結構理論用屈服條件求損傷構件的極限載荷[89]J.Taby,T.Moan.NorwegianMaritimeResearch,1981,2:26-33.[90]C.P.Ellinas,ASCE,No.Se2,1984,110:245-259極限應力四、損傷圓柱殼體的可靠性分析BACLaLVH為簡化起見，取如圖所示的門式結構為例，在B點受水平和鉛垂載荷作用。假設桿件AB為圓柱殼體，在C點受到其他結構的碰撞而發(fā)生凹陷損傷，桿件AB及凹陷數(shù)據(jù)取自文獻[89]，如表所示。變量平均值COV圓柱殼直徑D(mm)圓柱殼厚度H(mm)凹陷深度0(mm)彎曲位移d0(mm)載荷V=0.4Pp(N)載荷H=0.01Pp(N)125.142.046.252.5965442.51636.10.001110.028750.200000.200000.200000.20000由結構的平衡方程得到C點的軸力P和彎矩M分別為：假定載荷V和H是相關的且相關系數(shù)為0.3，而其他變量均是相互獨立，根據(jù)損傷圓柱殼體的極限狀態(tài)方程，求得可靠性指標：相應的破壞概率為：如果圓柱殼體AB沒有出現(xiàn)損傷，則C點不會發(fā)生凹陷。此時，圓柱殼體AB的最危險點在B點，以B點作為危險截面，求得不發(fā)生損傷的可靠性指標=3.1515。則相應的破壞概率為P’f=0.0812%。BACLaLVH由此可見，因撞擊將大大降低結構的可靠性。隨著載荷的增大，可靠度逐漸降低，由于凹陷參數(shù)d和的增加，使得結構破壞概率上升很快。五、管接頭極限強度公式

近海采油平臺以圓柱殼體為主要構件，在圓柱殼之間的交接點，其應力集中系數(shù)和極限強度是整座海洋平臺使用壽命的最要指標。為此，管接頭強度問題長期以來被人們所重視。常見的管接頭形式管接頭受載方式判定管接頭破壞準則：試驗中得到最大載荷；首次出現(xiàn)開裂的載荷被認為是極限載荷；位移達到一定值時，載荷為極限載荷。影響管接頭強度的幾個幾何參數(shù)影響管接頭強度的因素很多，如加載方式、焊接形式、材料特性等。但在實際中同一材料和相同加工情況下，幾何參數(shù)影響管接頭強度成了主要因素。如圖所示的三種常見管接頭為例，考慮幾何參數(shù)的變化導致的強度變化。影響管接頭強度的幾何參數(shù)一般以無量綱參數(shù)表示：＝d/D——它代表支管向弦管傳遞載荷的集中因子，直接影響弦管與支管交接處的應力分布，是管接頭強度分析的重要參數(shù)；＝D/(2H)——它是弦管的徑向柔度參數(shù)，當較小時，對管接頭強度影響不大，但當>0.6時，一般不能忽視的影響；＝h/H——它表示弦、支管相對的抗彎剛度。它是管接頭應力分布的一個重要參數(shù)，但對管接頭的強度影響不大；——為支管與弦管軸線傾斜角度，因為支管軸向載荷主要通過弦管局部彎曲和沿厚度的剪切來承擔，因此只有垂直于弦管軸向分量的載荷才有意義，而水平分量載荷則通過弦管壓縮或拉伸來傳遞；＝g/D——它的物理意義是表示載荷從一支管傳遞到另一支管時在弦管壁上產(chǎn)生局部彎曲的相互作用的影響；除上述幾何參數(shù)對強度的影響外，還需考慮交接面長度因子Ka、交接面截面因子Kbi、Kb0；管接頭強度的幾個計算公式軸向壓縮：T、Y型接頭類型雙T型接頭類型K型接頭類型管接頭強度的幾個計算公式軸向拉伸：T、Y型接頭類型面內(nèi)彎曲：T、Y型接頭類型面外彎曲：T、Y型接頭類型實際管接頭往往是上述載荷的組合下工作的，為此需要建立組合載荷下的管接頭強度公式?？紤]到可靠性分析中不便于使用復雜的數(shù)學公式，通常有：面內(nèi)彎曲面外彎曲六、有損傷構件海洋平臺的可靠性分析

海洋中作業(yè)的平臺有很多類型，本教程以固定式平臺的導管架型平臺為例介紹其結構可靠性分析方法。導管架型平臺一般由下列幾部分組成：

樁——與海底固定受側向和垂直載荷。導管架——作為樁的側向支撐物。上部結構——由框架和甲板組成，用來支撐作業(yè)載荷和其它載荷。

對于這類結構可近似處理成框架系統(tǒng)。由于這類平臺中節(jié)點都是圓柱殼相交而成的管接頭，因管接頭效應使得節(jié)點的極限承載能力下降，從而使整座平臺的可靠性降低。

在海洋中作業(yè)，時常發(fā)生供應船與平臺的碰撞，為計算由碰撞所引起的對平臺構件的損傷影響，可用前面提到的全塑性模型，該模型較好地計算損傷構件地極限承載能力。

設供應船的質量為m，碰撞速度為Vi,被碰撞平臺圓柱殼構件的直徑為D，厚度為H，則被碰撞點的凹陷深度為：

可靠性分析是把各種不定因素匯集在一套計算方法中，然后用它去預測大量可能的破壞事件中每一事件發(fā)生的概率。根據(jù)計算結果及各種失效后果的了解，就可對結構體系作出合適的決策。

在可靠性分析中需要確定隨機變量的統(tǒng)計數(shù)字特性以及隨機變量的分布特性等。

對海洋平臺的隨機變量主要是環(huán)境載荷及結構自身的材料等參數(shù)，如風、浪和海流引起的外力。由風引起的載荷估計為：風速（km/h)形狀系數(shù)受風物體的面積

對作用于海洋平臺的波浪載荷是具有動力性質的，對近海大多數(shù)設計水域，這些載荷可以用等效晶粒載荷來簡化處理，它們作用在圓柱殼上的波浪力可分為曳(ye)力和慣性力之和：F2——在單位長度上，垂直作用于構件軸線的波浪矢量(N/m);FD——在單位長度上，垂直作用于構件軸線的曳力矢量(N/m);FI——在單位長度上，垂直作用于構件軸線的慣性力矢量(N/m);Cd——曳力系數(shù)；——單位體積水的重量(N/m3);D——圓柱體構件的直徑(m);Cm——質量系數(shù)；u——垂直于構件軸線的水質點的速度分矢量(m/s),且

Hw——波高；T——波周期；K——2/L；L——波長(m)；d——水面到海底垂直距離(m)；Z——構件離水面的垂直距離；du/dt——垂直于構件軸線的水質點的加速度分矢量(m/s2)。

海流在固定平臺的設計中是很重要的一項，因為它影響到船舶、平臺及防撞裝置的位置和方位，也是作用在平臺上的主要外力之一。根據(jù)美國石油協(xié)會(ADI)標準建議的計算海流力公式：F3—在單位長度上的曳力(N/m);Cd——曳力系數(shù)；Vs——海流速度(m/s);A——單位長度上的投影面積(m2/m);注意的是：根據(jù)這些參數(shù)，可以進行海洋簡易平臺的可靠性分析。不同海域的設計平臺，各規(guī)范要求不同的風速Vw，波高Hw和海流流速Vs。建議考慮取Vw服從極值I型分布，其變異系數(shù)為0.13，其余兩項服從正態(tài)分布，其變異系數(shù)均為0.3。而曳力系數(shù)和質量系數(shù)建議分別取值為0.75和1.8，它們的變異系數(shù)均為0.2且服從正態(tài)分布。如果考慮供給船靠近平臺其碰撞速度Vd的平均值為2m/s，也服從正態(tài)分布，變異系數(shù)為0.2。1.270m0.762m0.508m1.270m甲板支撐構件的直徑D=1.2192m，厚度H=0.0762m，斜桿直徑D’=0.6096m，H’=0.0128m，上部結構重量W=2205kN，上部結構尺寸為16m8m3m。變量分布平均值變異系數(shù)敏感系數(shù)完整有損風速Vw極I型141km/h0.13-0.553-0.549波高Hw正態(tài)7.5m0.3-0.667-0.663海流速度正態(tài)1.1m/s0.3-0.272-0.265