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)
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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)
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。
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
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。
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)
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。
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。
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。