塔形井架半剛性節(jié)點(diǎn)的初始剛度研究

鄒龍慶，熊 敏 ，崔曉華

（東北石油大學(xué) 井架檢測(cè)部級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 大慶163318）①

塔形井架具有承載能力大、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，成為陸地超深井鉆機(jī)井架和海洋鉆機(jī)井架最主要的一種結(jié)構(gòu)形式。井架結(jié)構(gòu)通過(guò)焊接、銷座耳板連接和螺栓連接3種形式組裝成整體。從連接剛度和連接傳力方面分析，井架構(gòu)件間的連接可分為剛性、半剛性和鉸接3種類型。

剛性連接的特點(diǎn)是傳力時(shí)保持相交構(gòu)件間原有的夾角不變，可傳遞各種內(nèi)力。在鉆機(jī)底座結(jié)構(gòu)中的焊接連接以及部分井架的焊接連接，由于構(gòu)件較粗大，節(jié)點(diǎn)處剛度大，可視為剛性連接。半剛性連接在傳力時(shí)不能保持相交構(gòu)件原有夾角不變，但能可靠地承受各種內(nèi)力。試驗(yàn)和分析表明，大多數(shù)的井架焊接節(jié)點(diǎn)以及螺栓連接節(jié)點(diǎn)均屬于此種連接。鉸接連接僅能傳遞軸力，允許構(gòu)件繞節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。銷座耳板連接允許連接構(gòu)件繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，所以在銷軸中心方向?qū)儆阢q接連接，在其他方向上不屬于鉸接連接［1］。

在對(duì)塔形井架進(jìn)行研究時(shí)，通常假設(shè)鋼架結(jié)構(gòu)是完全剛接或理想鉸接［2］，以達(dá)到簡(jiǎn)化計(jì)算的目的，并沒(méi)有考慮其連接的半剛性，這與現(xiàn)場(chǎng)使用多年的在用井架的實(shí)際工作情況不相符，計(jì)算結(jié)果必然會(huì)帶來(lái)誤差。為此，應(yīng)該充分考慮半剛性連接對(duì)其結(jié)構(gòu)性能的影響，真正達(dá)到安全和經(jīng)濟(jì)的統(tǒng)一。本文提出了單、雙螺栓連接節(jié)點(diǎn)初始剛度的理論計(jì)算方法，并利用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析，獲得了連接節(jié)點(diǎn)的初始剛度值。

1 節(jié)點(diǎn)的初始剛度

1.1 雙螺栓連接結(jié)構(gòu)

圖1為井架大腿與拉筋之間采用雙螺栓連接結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)圖。在彎矩M（M為當(dāng)外力矩T大于預(yù)緊力矩時(shí)，外力矩與預(yù)緊力矩的差值，以下同）的作用下，節(jié)點(diǎn)在水平和豎直方向都將發(fā)生形變，產(chǎn)生轉(zhuǎn)角，如圖2所示。

圖1 雙螺栓連接結(jié)構(gòu)示意

圖2 螺栓節(jié)點(diǎn)變形示意

假設(shè)井架結(jié)構(gòu)材料為線彈性材料，在彎矩的作用下產(chǎn)生的變形很小，即處于彈性變形階段，節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角變形為［3］

式中：Δuf為受拉翼緣的軸向變形；Δtf為受壓翼緣的軸向變形；Db為兩螺栓間距離；tbf為螺栓的公稱直徑。

式中：Δep為座板的變形；Δcf為大腿翼緣的彎曲變形；Δbo為螺栓的變形；Δs為節(jié)點(diǎn)域剪切變形；Δwc為節(jié)點(diǎn)區(qū)腹板的受壓變形。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，認(rèn)為上、下兩螺栓承擔(dān)所有的彎矩，則拉筋翼緣受拉端和受壓端的力F與節(jié)點(diǎn)彎矩M 的關(guān)系式為

初始剛度是指加載初期連接的彎矩與轉(zhuǎn)角之間為線性時(shí)的剛度，由此連接節(jié)點(diǎn)的初始剛度可寫為

1） 銷座受力分析如圖3，座板在彎矩M作用

下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力為

應(yīng)變?yōu)?/p>

得到變形結(jié)果為

圖3 銷座受力

2） 上、下兩螺栓承受到剪力為

每個(gè)螺栓在連接長(zhǎng)度上受到的均布力如圖4所示，可以得到均布載荷q為

式中：l1為座板厚度。

通過(guò)力學(xué)計(jì)算可以得到中點(diǎn)最大撓度，即螺栓的變形為

圖4 螺栓受力

3） 柱腹板的變形按照純剪板件的公式計(jì)算［4］，節(jié)點(diǎn)域剪切變形Δs為

式中：Dc、tcw分別為柱截面高度、腹板厚度；E為鋼材彈性模量；γ為腹板鋼材的泊松比。

因?yàn)榫茉阢^載作用下拉筋受力很小，對(duì)柱變性影響小，Δcf、Δwc在計(jì)算中可以忽略。

1.2 單螺栓連接結(jié)構(gòu)

井架大腿與拉筋之間單螺栓連接如圖5所示。在彎矩M的作用下，在水平和豎直方向發(fā)生形變。如圖6。水平方向變形Δ1包括座板伸長(zhǎng)變形，縱向變形Δ2為座板彎曲的縱向位移。

圖5 單螺栓連接結(jié)構(gòu)示意

圖6 節(jié)點(diǎn)變形示意

拉筋相對(duì)大腿的轉(zhuǎn)角包括座板平面內(nèi)轉(zhuǎn)角、螺栓扭轉(zhuǎn)角。其中

Δs1為螺栓剪切變形，其大小為

γ為切應(yīng)變，τ為切應(yīng)力，則

在豎直方向的位移為

設(shè)螺栓的扭轉(zhuǎn)角為φ

整個(gè)轉(zhuǎn)角為

則初始剛度為

2 有限元求解初始剛度

銷座耳板連接一般由銷軸、座板、耳板和別針等4個(gè)零件組成。耳板和座板分別裝在被連接的構(gòu)件上，通過(guò)銷軸連接在一起。別針裝在銷軸的一端，防止銷軸松脫。銷座耳板連接的結(jié)構(gòu)形式按銷軸數(shù)目分為單銷軸連接和雙銷銷軸連接。按照耳板的數(shù)目可分為單耳板連接和雙耳板連接。銷座耳板連接允許連接構(gòu)件繞銷軸轉(zhuǎn)動(dòng)，在銷軸中心方向?qū)儆阢q接連接，在其他方向?qū)儆诎雱傂赃B接，應(yīng)該按照半剛性連接來(lái)進(jìn)行分析。

針對(duì)TJ2－41型塔型鉆機(jī)井架的銷座耳板連接節(jié)點(diǎn)，建立了三維有限元模型，如圖7所示。將銷軸與銷座、耳板之間設(shè)為接觸連接，如圖8所示。實(shí)體模型采用Solid185單元，通過(guò)網(wǎng)格劃分得到了螺栓連接結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體有限元模型。ANSYS選用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，計(jì)算時(shí)鋼材選用Q345鋼，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，材料本構(gòu)關(guān)系如圖9所示。在實(shí)際受力時(shí)，座板應(yīng)該受到全約束的作用。在這里為了計(jì)算方便，將雙耳板固定，外力以位移的方式施加于座板耦合端面的主節(jié)點(diǎn)上。

圖7 銷座耳板連接有限元模型

圖8 定義的接觸對(duì)

圖9 材料本構(gòu)關(guān)系模型

圖10～11分別為模型的應(yīng)力和位移云圖，圖12為銷軸的應(yīng)力云圖。

圖10 應(yīng)力云圖

圖11 位移云圖

圖12 銷軸應(yīng)力云圖

由圖10～12可以看出：銷軸與耳板接觸處的應(yīng)力較大，在側(cè)向載荷的作用下，最容易發(fā)生強(qiáng)度破壞。梁柱連接節(jié)點(diǎn)處的初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度，近似為鋼材在彈性階段彎矩－轉(zhuǎn)角關(guān)系的比值。節(jié)點(diǎn)的彎矩近似為M＝P×L，其中P是座板自由端作用的載荷值（計(jì)算中采用銷座端面主節(jié)點(diǎn)的反力值，大小為230.53kN），L是座板端面到螺栓中心的長(zhǎng)度值；節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角近似為θ＝ΔF／L，其中ΔF是節(jié)點(diǎn)沿力的方向產(chǎn)生的位移。經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到了銷座耳板連接節(jié)點(diǎn)的側(cè)向初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度值為3 417kN·m／rad。

3 結(jié)論

1） 本文以塔形石油井架螺栓、銷座耳板連接節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，推導(dǎo)了單、雙螺栓連接節(jié)點(diǎn)初始剛度的理論計(jì)算公式。

2） 以TJ2－41型鉆機(jī)井架結(jié)構(gòu)為例，根據(jù)銷座耳板連接節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造和受力特點(diǎn)，建立了單銷軸連接的雙耳板結(jié)構(gòu)的有限元模型，并進(jìn)行了仿真分析，發(fā)現(xiàn)銷軸與耳板接觸處的應(yīng)力較大，最容易發(fā)生強(qiáng)度破壞。通過(guò)計(jì)算求得了連接節(jié)點(diǎn)的側(cè)向初始轉(zhuǎn)動(dòng)剛度值。

［1］常玉連，劉玉泉.鉆井井架、底座的設(shè)計(jì)計(jì)算［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1994：62－63.

［2］鄒龍慶，付海龍，任國(guó)友.JJ160／41－K型井架有限元分析與承載能力研究［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2004，33（6）：33－35.

［3］曾 意.門式剛架廠房半剛性梁柱節(jié)點(diǎn)在高強(qiáng)螺栓欠擰和超擰下的數(shù)值模擬分析［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

［4］趙必大，郝際平.鋼框架梁柱焊接連接的半剛性及其對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率影響的研究［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2008，24（6）：90－91.