一種包板加強T型管節(jié)點的簡化算法

黃懷州,王海龍,袁玉杰,侯 濤,史 睿,葉茂盛

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)

0 引 言

管節(jié)點是弦桿與撐桿交匯而成的三維空間連接結(jié)構(gòu),應(yīng)力分布十分復(fù)雜,幾乎不可能得到精確解析解,其受力性能一直是個重要研究課題。因為,節(jié)點的破壞往往導(dǎo)致與之相連若干桿件的失效,導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)破壞。包板是弦桿與撐桿間起加強作用的墊板,一方面,可以增加弦桿管壁的受荷面積,改善弦桿的受力性能;另一方面,可以增加連接處弦桿的壁厚,減小弦桿的局部變形。

弦桿加覆包板是現(xiàn)階段管節(jié)點加強的主要方法之一,也是目前結(jié)構(gòu)設(shè)計與理論研究的熱點之一。馮琦[1]和隋偉寧[2]通過實驗研究和有限元分析研究了管節(jié)點參數(shù)與包板加強T型管節(jié)點極限承載力間的關(guān)系,表明包板可以提高T型節(jié)點的強度,但未給出可量化的換算關(guān)系。王明國[3]和肖亞明[4]通過ANSYS有限元驗證了T型管節(jié)點選擇恰當?shù)陌蹇梢允构?jié)點承載力獲得理想的加強效果,但未給出其他受力形式的結(jié)論。Nassiraei[5～7]系統(tǒng)研究了包板加強T型管節(jié)點在軸向拉、軸向壓和面內(nèi)彎等工況下的極限承載能力,并給出了相應(yīng)的計算公式,但是其采用的是寬幅包板(η≥0.25,τd≥1.0),與工程實際不符(η≤0.25,τd≤1.0)。

本文研究了窄幅包板加強T型節(jié)點分別在承受軸向壓、軸向拉與彎曲工況下的節(jié)點承載力放大系數(shù),并將其與API RP2A簡單節(jié)點計算相結(jié)合,給出包板加強T型節(jié)點簡化計算公式以及焊縫強度計算方法。

1 數(shù)值模型

1.1 幾何模型

有關(guān)包板加強T型節(jié)點的術(shù)語和幾何參數(shù)如圖1和表1所示。

圖1 包板加強T型節(jié)點幾何參數(shù)

表1 幾何參數(shù)含義

與節(jié)點承載能力相關(guān)的主要參數(shù)有撐桿直徑與弦桿直徑比β、弦桿直徑與2倍弦桿厚度比γ、撐桿壁厚與弦桿壁厚比τ、包板撐桿外長度與撐桿直徑比η、包板厚度與弦桿厚度比τd、撐桿與弦桿角度θ。

1.2 有限元模型

采用通用有限元軟件ANSYS建立包板加強T型管節(jié)點模型,如圖2所示。

圖2 包板加強T型節(jié)點有限元模型

1.3 有限元單元選取

鑒于殼單元不能充分有效地模擬包板與弦桿間的接觸作用,選用能對層狀殼結(jié)構(gòu)和實體結(jié)構(gòu)進行建模的SOLID185作為模擬包板的單元,該單元由8個節(jié)點構(gòu)成,每個節(jié)點有3個線位移自由度,具有超彈性、應(yīng)力剛化、大變形和大應(yīng)變能力。而其他部位的模擬都采用四節(jié)點SHELL181單元,該單元每個節(jié)點包括3個線位移自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度,非常適用于非線性分析。

1.4 材料特性

構(gòu)件材料選用船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼DH36,該材料下屈服強度為355MPa,彈性模量取2.0×105MPa,泊松比取0.30。材料非線性曲線如圖3所示。

圖3 材料非線性曲線

其中,Fy為下屈服強度,εe為屈服應(yīng)變,E為彈性模量。

1.5 邊界條件

弦桿兩端固支,而在撐桿端部分別施加軸向壓力、軸向拉力和彎曲應(yīng)力。為考慮圣維南效應(yīng),弦桿和撐桿端部距包板作用點至少3倍直徑的距離。

2 極限承載力公式

海洋工程中窄幅值包板撐桿外長度一般都非常小(常取為75mm),厚度一般不超過弦桿壁厚,即η≤0.25,τd≤1.0。在Nassiraei[3～5]研究的基礎(chǔ)上,我們引入修正因子使其滿足窄幅值包板的計算要求,各工況下的承載力放大系數(shù)與節(jié)點幾何參數(shù)有關(guān),相關(guān)系數(shù)計算公式如下。

2.1 撐桿軸向受拉工況

在撐桿軸向受拉工況下,考慮包板對節(jié)點的增強作用,節(jié)點允許應(yīng)力的放大系數(shù)計算如下:

(1)

上式中,UFt為撐桿軸向受拉時包板加強T型節(jié)點承載力放大系數(shù);Fut,d為撐桿軸向受拉時包板加強T型節(jié)點承載力;Fut,u為撐桿軸向受拉時未加強T型節(jié)點承載力。Δ為修正因子,其取值為:

(2)

2.2 撐桿軸向受壓工況

在撐桿軸向受壓工況下,考慮包板對節(jié)點的增強作用,節(jié)點允許應(yīng)力的放大系數(shù)計算如下:

(3)

上式中,UFc為撐桿軸向受壓時包板加強T型節(jié)點承載力放大系數(shù);Fuc,d為撐桿軸向受壓時包板加強T型節(jié)點承載力;Fuc,u為撐桿軸向受壓時未加強T型節(jié)點承載力;Δ為修正因子。

2.3 撐桿受彎工況

在撐桿受彎工況下,考慮包板對節(jié)點的增強作用,節(jié)點允許應(yīng)力的放大系數(shù)計算如下:

(4)

上式中,UFb為撐桿受彎時包板加強T型節(jié)點承載力放大系數(shù);Mub,d為撐桿受彎時包板加強T型節(jié)點承載力;Mub,u為撐桿受彎時未加強T型節(jié)點承載力。Δ為修正因子。

以上公式的適用范圍見表2。

表2 幾何參數(shù)有效范圍

2.4 有限元模擬結(jié)果與簡化計算結(jié)果的對比

本文以Nassiraei提出極限應(yīng)變作為管節(jié)點失效的判斷條件,給出ANSYS有限元計算結(jié)果與相應(yīng)的簡化計算公式給出的結(jié)果間的對比,如圖4和表3所示。

(a) 撐桿軸向受拉工況

(b) 撐桿軸向受壓工況

(c) 撐桿受彎工況圖4 包板在不同受力工況下的變形

表3 數(shù)值計算結(jié)果與簡化計算結(jié)果的對比

η0.100.150.100.15τd0.660.660.800.80模型1.2991.4221.3881.399公式1.2391.3041.2901.367

η0.100.150.100.15τd0.660.660.800.80模型1.1861.2131.2041.292公式1.1161.1101.1411.132

由表3可以看出,數(shù)值計算結(jié)果與簡化公式計算結(jié)果之間的趨勢相同,且簡化計算結(jié)果相對保守,可以避免數(shù)值計算結(jié)果誤差大的缺點,有較強的可靠性。

2.5 包板加強T型管節(jié)點校核公式

結(jié)合API RP 2A中有關(guān)簡單節(jié)點的沖剪計算,將包板的作用轉(zhuǎn)化為相應(yīng)受力情況下的承載能力放大系數(shù),使得包板計算可以定量分析:

撐桿軸向受拉時

(5)

撐桿軸向受壓時

(6)

2.6 包板焊縫校核公式

包板連接主要采用角焊縫,而焊縫高度是角焊縫抗剪強度重要指標,通過允許最小焊縫高度與設(shè)計值對比校核包板焊縫強度,亦即:

剪應(yīng)力

彎曲應(yīng)力

(7)

Von Misses應(yīng)力

(8)

所需包板焊縫高度

(9)

式中,hf為焊縫的計算厚度;L為包板與結(jié)構(gòu)焊縫長度;Py、Pz為與撐桿軸向垂直的力;My、Mz為與撐桿軸向垂直的彎矩;Sy為包板的抗彎截面模量;Fy為材料的屈服強度。

2.7 典型算例

以南海某深水項目裝船固定為例核實包板在節(jié)點校核中的作用,具體如圖5所示,

圖5 典型裝船固定結(jié)構(gòu)形式

2.7.1 幾何參數(shù)

該典型結(jié)構(gòu)相關(guān)幾何參數(shù)如表4所示。

表4 典型節(jié)點幾何參數(shù)

2.7.2 輸入荷載

取該處節(jié)點對應(yīng)的弦桿與撐桿處的桿件荷載,如表5所示。

表5 典型節(jié)點輸入荷載

2.7.3 不考慮包板時節(jié)點校核

以API RP 2A中簡單節(jié)點計算公式核實該處的節(jié)點沖剪,如表6所示。

表6 簡單節(jié)點輸出結(jié)果

2.7.4 包板修正系數(shù)

包板對該處節(jié)點增強因子核實結(jié)果,如表7所示。

表7 典型節(jié)點包板修正系數(shù)

2.7.5 考慮包板時節(jié)點校核

考慮包板的影響,核實該處節(jié)點沖剪結(jié)果,如表8所示。

表8 考慮包板時節(jié)點校核結(jié)果

2.7.6 包板焊縫校核

核實包板角焊縫的所需焊高如表9所示。

表9 焊縫校核結(jié)果

由上例可以看出,包板加強T型管節(jié)點簡化計算可以考慮包板對節(jié)點的加強作用,是可以是適用于工程項目的,并且顯著提升計算效率,將由20工時的工作量壓縮到0.1工時左右。

3 結(jié) 語

本文在寬幅包板的基礎(chǔ)上提出了可量化的適用于工程實踐中的窄幅值包板加強T型節(jié)點校核計算公式,并給出包板與弦桿連接角焊縫選擇方法。通過與有限元數(shù)值計算結(jié)果的一致性對比結(jié)果可以看出,包板加強T型管節(jié)點簡化計算方法有較強的擬合度,可靠性比較強,可以避免數(shù)值建模費時費力的低效率,給包板計算提供了簡易快速的通道,為工程實際問題的解決提供了具體的解決措施。