海洋平臺KK型管節(jié)點(diǎn)的疲勞性能試驗(yàn)研究＊

甘 進(jìn) 樂京霞 吳衛(wèi)國 姚晉

（武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1） 武漢 430063） （中國艦船研究設(shè)計(jì)中心2） 武漢 430074）

自升式海洋平臺是針對海洋油氣開發(fā)、跨海橋梁、海底隧道工程建設(shè)、海洋風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝等需求而研制開發(fā)的大型海洋工程結(jié)構(gòu).KK型管節(jié)點(diǎn)作為支撐結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于自升式海洋平臺的樁腿結(jié)構(gòu)中，這些節(jié)點(diǎn)由于常年承受海浪和風(fēng)等循環(huán)載荷的作用而經(jīng)常產(chǎn)生疲勞破壞現(xiàn)象，并嚴(yán)重影響整個(gè)海洋平臺結(jié)構(gòu)的安全性.因此，對KK型管節(jié)點(diǎn)的疲勞性能分析顯得非常重要.

海洋工程結(jié)構(gòu)中，KK型管節(jié)點(diǎn)承受的是非常復(fù)雜的組合載荷.但是在組合載荷中，通常軸向載荷是占主要地位的.在管節(jié)點(diǎn)疲勞性能的研究中，應(yīng)力集中系數(shù)（SCF）、焊趾處熱點(diǎn)應(yīng)力（HSS）是評價(jià)其疲勞壽命的重要參數(shù).因此本文采用模型試驗(yàn)對空間KK型管節(jié)點(diǎn)在軸向載荷作用下的疲勞性能進(jìn)行了測試，確定了沿著焊縫的應(yīng)力集中系數(shù)、最大熱點(diǎn)應(yīng)力值及其位置；通過S－N 曲線預(yù)測了KK型管節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命，指出了現(xiàn)有海洋工程規(guī)范中管節(jié)點(diǎn)疲勞性能參數(shù)計(jì)算值與試驗(yàn)分析結(jié)果的差異性.

1 KK型管節(jié)點(diǎn)模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)試件

空間KK型管節(jié)點(diǎn)試件由4根空心圓形鋼管焊接而成，見圖1.鋼材的屈服應(yīng)力和極限應(yīng)力分別為235MPa和410MPa，延伸率為25%.試件的焊接質(zhì)量采用符合美國焊接協(xié)會(huì)（AWS）［1］規(guī)范要求.

圖1 KK節(jié)點(diǎn)試件的幾何參數(shù)圖

根據(jù)某自升式海洋平臺樁腿結(jié)構(gòu)上的KK型管節(jié)點(diǎn)型式設(shè)計(jì)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀纬叽缂跋嚓P(guān)參數(shù)見圖2及表1.為了消除弦桿端部條件對于試驗(yàn)結(jié)果的影響，取弦桿的長度大于其直徑的6倍.

表1 KK節(jié)點(diǎn)試件的幾何參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置及加載系統(tǒng)

圖3為測試所用試驗(yàn)裝置，該裝置由固定架與加載架組成.測試中，試件的弦桿兩端和撐桿的端部焊接于固定架上，以模擬固定邊界條件，見圖4.撐桿的自由端由螺栓與加載端頭相連，MTS液壓作動(dòng)裝置通過加載端頭對撐桿施加軸向載荷，加載系統(tǒng)見圖5.

圖2 KK節(jié)點(diǎn)試件的幾何參數(shù)定義圖

圖3 KK節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)裝置

圖5 試件加載端

1.3 試驗(yàn)測試

為測得沿焊縫的應(yīng)力分布，在加載端的弦桿和撐桿表面靠近焊縫處沿著焊縫每隔15°貼上對應(yīng)的應(yīng)變片，應(yīng)變片位置見圖6.每個(gè)點(diǎn)處都有一對應(yīng)變片用來測量垂直于焊縫的應(yīng)變分量.這兩片應(yīng)變片的分配遵循CIDECT［2］的線性外推插值區(qū)，其定義如圖7，焊縫處的應(yīng)變通過測量的應(yīng)變線性外推而得.試驗(yàn)中在弦桿上應(yīng)變片離焊縫的最短距離Lr，min和最遠(yuǎn)距離Lr，max分別為7mm和14mm，撐桿上這2個(gè)距離分別為7mm和20mm.在鞍點(diǎn)、冠點(diǎn)和跟點(diǎn)處，分別沿著平行于焊縫方向粘貼應(yīng)變片，以測量平行于焊縫的應(yīng)變.

圖6 應(yīng)變片布置圖

圖7 外推插值區(qū)域的定義

測試之前對試件在一個(gè)方向上施加一組遞增荷載，以消除焊接及安裝造成的殘余應(yīng)力.然后對撐桿逐級加載軸向載荷，并實(shí)時(shí)采集相應(yīng)的應(yīng)變值.為保證所加荷載為單一軸向載荷，加載過程采用荷載控制［3－5］.本試驗(yàn)中，撐桿端所加載的最大軸向載荷為240kN.

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

在KK管節(jié)點(diǎn)模型試驗(yàn)中，垂直于焊縫的應(yīng)變和平行于焊縫的應(yīng)變可分別根據(jù)應(yīng)變片測得的應(yīng)變線性外推插值得到.然后根據(jù)基于Hooke定律的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)焊縫周圍的熱點(diǎn)應(yīng)力值，沿著焊縫的應(yīng)力分布如圖8所示.由圖8可見，最大熱點(diǎn)應(yīng)力點(diǎn)位于弦桿冠點(diǎn)與鞍點(diǎn)之間（距離跟點(diǎn)225°），最大應(yīng)力值是211.6MPa.

圖8 軸向力作用下弦桿與撐桿沿焊縫處熱點(diǎn)應(yīng)力分布

2 疲勞性能分析

2.1 應(yīng)力集中系數(shù)

由試驗(yàn)得到的熱點(diǎn)應(yīng)力值可計(jì)算出，軸向載荷作用下KK型管節(jié)點(diǎn)弦桿處最大應(yīng)力集中系數(shù)為5.2，位于其冠點(diǎn)與鞍點(diǎn)之間（距離跟點(diǎn)225°附近）；撐桿處的應(yīng)力集中系數(shù)為3.1，位于其跟點(diǎn)與鞍點(diǎn)之間（距離跟點(diǎn)75°附近）.

在海洋工程設(shè)計(jì)中，DNV規(guī)范［6］和API規(guī)范［7］提供了軸向載荷作用下K型管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算方法.DNV規(guī)范分別給出弦桿和撐桿在冠點(diǎn)和鞍點(diǎn)位置的應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算公式（1）；API規(guī)范僅列出弦桿和撐桿的最大應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算公式（2）.表2列出KK型管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)的試驗(yàn)方法與規(guī)范方法的計(jì)算結(jié)果.

由表2可以看出，采用DNV規(guī)范的得到試件弦桿和撐桿的最大應(yīng)力集中系數(shù)都出現(xiàn)在焊趾的鞍點(diǎn)處，值分別為7.1和5.3.采用API規(guī)范計(jì)算的試件最大應(yīng)力集中系數(shù)分別為6.6和4.4.對比試驗(yàn)分析結(jié)果，采用規(guī)范得到的應(yīng)力集中系數(shù)均大于試驗(yàn)測試結(jié)果，DNV給出的最大應(yīng)力集中系數(shù)產(chǎn)生位置與試驗(yàn)測試結(jié)果有一定差異.

表2 KK型管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)

2.2 疲勞壽命

估算管節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命最常用的方法是S－N曲線法.當(dāng)KK型節(jié)點(diǎn)承受疲勞載荷時(shí)，熱點(diǎn)應(yīng)力區(qū)的應(yīng)力范圍可通過試驗(yàn)測試得到，節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命就可以從S－N曲線上得到.

本研究采用CIDECT（2001）繪制的空心圓管節(jié)點(diǎn)的S－N曲線對上述KK型管節(jié)點(diǎn)在軸向載荷作用下的疲勞壽命進(jìn)行估算（見圖9）.t為弦桿的厚度.由試驗(yàn)測試結(jié)果可知，在軸向載荷的最大值和最小值分別為240kN和0的情況下，KK型管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力幅值為211.6MPa.當(dāng)弦桿厚度t為16mm時(shí)，通過S－N 曲線及熱點(diǎn)應(yīng)力幅值推算出KK型管節(jié)點(diǎn)的疲勞循環(huán)次數(shù)約為31.6萬次.

圖9 CIDECT的S－N 曲線

通過以上分析研究可以得到，KK型管節(jié)點(diǎn)在承受0～240kN的軸向循環(huán)載荷時(shí)，其疲勞壽命為31.6萬次，且弦桿冠點(diǎn)與鞍點(diǎn)之間焊縫處是疲勞裂紋最容易萌生和擴(kuò)展的位置.

3 結(jié) 論

1）應(yīng)用模型試驗(yàn)方法評價(jià)空間KK型管節(jié)點(diǎn)的疲勞性能具有重要的工程實(shí)用價(jià)值.軸向荷載下，KK型管節(jié)點(diǎn)弦桿與撐桿的焊趾處熱點(diǎn)應(yīng)力較大，為節(jié)點(diǎn)易產(chǎn)生疲勞破壞位置，設(shè)計(jì)中應(yīng)得到一定重視.

2）當(dāng)KK型管節(jié)點(diǎn)撐桿承受軸向載荷時(shí)，其最大應(yīng)力集中系數(shù)位于弦桿冠點(diǎn)與鞍點(diǎn)之間距跟點(diǎn)225度的焊趾處，其值為5.2，大于撐桿焊趾處的最大應(yīng)力集中系數(shù)，因此裂紋在此處萌生，弦桿冠點(diǎn)與鞍點(diǎn)之間焊趾處也是應(yīng)力集中的關(guān)鍵部位.

3）采用規(guī)范計(jì)算得到的應(yīng)力集中系數(shù)均大于試驗(yàn)結(jié)果，且在最大應(yīng)力集中系數(shù)的位置判斷上有一定差異.因此，采用規(guī)范方法得到的結(jié)果偏于保守，不利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性.

4）本研究通過試驗(yàn)測試結(jié)果與S－N曲線相結(jié)合的方法對KK型管節(jié)點(diǎn)的疲勞性能進(jìn)行評估，研究結(jié)論可作為自升式海洋平臺桁架式樁腿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考依據(jù).

［1］American Welding Society.Structural welding code－steel［S］.ANSI／AWS，D1.1－2000.Miami，USA，2000.

［2］Zhao X L，Herion S，Packer J A，Puthli R S，Sedlacek G，Wardenier J.Design guide for circular and rectangular hollow section welded joints under fatigue loading［M］.K·ln：TüV－Verlag，2001.

［3］曲淑英，張寶峰.完全疊接K型管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)的試驗(yàn)研究［J］.工程力學(xué)，2009，26（7）：83－88.

［4］張寶峰，曲淑英，邵永波，等.海洋平臺 K型管節(jié)點(diǎn)的疲勞裂紋擴(kuò)展分析I：試驗(yàn)測試［J］.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24（5）：645－647.

［5］張寶峰，曲淑英，邵永波，等.海洋平臺 K型管節(jié)點(diǎn)的疲勞裂紋擴(kuò)展分析I：試驗(yàn)測試［J］.計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2007，24（6）：800－805.

［6］DNV.Recommended practice DNV－RP－C203.In：Fatigue design of offshore steel structures［S］.Norway：Det Norske Veritas，2008.

［7］API.American Petroleum Institute.In：Recommended practice for planning，designing and constructing fixed offshore platforms［S］.API RP2A－LRFD，Washington D C，1993.