考慮節(jié)點(diǎn)局部柔度的鋼管結(jié)構(gòu)靜力性能研究

逯 寧

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

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考慮節(jié)點(diǎn)局部柔度的鋼管結(jié)構(gòu)靜力性能研究

逯 寧

(煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

針對(duì)節(jié)點(diǎn)局部柔度對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能的影響，提出了考慮管節(jié)點(diǎn)局部柔度的鋼管結(jié)構(gòu)靜力分析計(jì)算模型，推導(dǎo)出該簡(jiǎn)化模型的計(jì)算公式，使用有限元分析方法驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確性，并進(jìn)行參數(shù)分析。

鋼管結(jié)構(gòu)，局部柔度，計(jì)算模型，參數(shù)分析，靜力性能

0 引言

鋼管結(jié)構(gòu)因其質(zhì)量輕，強(qiáng)度大，對(duì)風(fēng)和海浪的摩阻系數(shù)小等性能被普遍應(yīng)用在海洋石油平臺(tái)導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)、大跨橋梁及高聳建筑中。在實(shí)際工程中，管節(jié)點(diǎn)的支管主要承受軸向力，主管則承受支管傳來(lái)的徑向荷載。

由于節(jié)點(diǎn)處主管徑向剛度小于支管軸向剛度，在受載情況下主管壁將發(fā)生局部變形，因此具有局部柔度，研究表明管節(jié)點(diǎn)局部柔度對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力性能將產(chǎn)生重要影響，它將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)名義應(yīng)力的重新分布，使結(jié)構(gòu)變形，降低構(gòu)件的臨界荷載。

Bouwkamp[1，2]首先研究了局部柔度在焊接管結(jié)構(gòu)中的作用，之后許多學(xué)者如Romeijin[3],Mirtaheri[4]等研究了局部柔度在焊接管結(jié)構(gòu)整體分析中的作用，發(fā)現(xiàn)局部柔度在結(jié)構(gòu)靜力及動(dòng)力性能都能產(chǎn)生重要影響，徐漢濤等[6]用塑料制造的Y型和TY型管節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行局部柔度的實(shí)驗(yàn)研究。本文參照以上研究?jī)?nèi)容提出了考慮節(jié)點(diǎn)局部柔度的鋼管結(jié)構(gòu)的靜力性能計(jì)算方法。

1 考慮節(jié)點(diǎn)局部柔度的焊接管結(jié)構(gòu)計(jì)算方法

如圖1所示，支管和主管都被簡(jiǎn)化成了梁構(gòu)件，支管所簡(jiǎn)化成的梁構(gòu)件同主管之間存在軸向和扭轉(zhuǎn)局部柔度，此處用兩個(gè)等效彈簧代替，一個(gè)彈簧可以模擬軸向局部柔度，一個(gè)模擬扭轉(zhuǎn)局部柔度，它們相對(duì)的軸向和扭轉(zhuǎn)剛度分別為L(zhǎng)JFn和LJFm，LJF的確定采用日本學(xué)者Ueda[5]提出的參數(shù)方程，如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

其中，Kn，Km均為局部剛度；α，β，γ分別為主支管夾角，支管與主管的直徑比，主管外徑同兩倍壁厚的比值；D為主管外徑；E為鋼材的彈性模量。

依據(jù)上述方法將如圖2所示鋼管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成為如圖3所示節(jié)點(diǎn)處引入彈簧的計(jì)算模型，這個(gè)結(jié)構(gòu)被分解成15個(gè)簡(jiǎn)單梁構(gòu)件。

如圖3所示，每個(gè)梁構(gòu)件單元節(jié)點(diǎn)的位移和外力關(guān)系如下：

[K]e[a]e=[F]e

(5)

其中，[K]e為單元的剛度矩陣，假設(shè)梁構(gòu)件兩端分別為A，B點(diǎn)，依據(jù)計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)求解單元?jiǎng)偠染仃嚨姆椒▽⑵矫鎰偧軉卧獎(jiǎng)偠染仃囍袆偠纫刖植咳岫鹊挠绊戇M(jìn)行修改，其結(jié)果如下：

(6)

rij=2/rAB,rAB=1+8γmA+8γmB+48γmAγmB。

但需要做標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換時(shí)，將各個(gè)構(gòu)件在局部坐標(biāo)系下的剛度矩陣通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為整體坐標(biāo)系下的剛度方程，并將各個(gè)構(gòu)件的剛度方程組裝起來(lái)形成整個(gè)結(jié)構(gòu)的整體剛度矩陣[K]，最后求得整個(gè)結(jié)構(gòu)的分析方程為：

[K][a]=[F]

(7)

其中,[a]和[F]分別為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移和所受的外部荷載。

通過(guò)引入一些節(jié)點(diǎn)的邊界條件，式(7)可以使用高斯消元法來(lái)進(jìn)行求解。依此使用Fortran語(yǔ)言編寫了考慮節(jié)點(diǎn)局部柔度的整體鋼管結(jié)構(gòu)的計(jì)算程序，并用來(lái)對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行線彈性分析。

2 簡(jiǎn)化計(jì)算模型的驗(yàn)證及參數(shù)分析

為了驗(yàn)證以上簡(jiǎn)化模型的精確度及可靠性，并進(jìn)一步研究幾何參數(shù)(β，γ)對(duì)于考慮節(jié)點(diǎn)局部柔度的鋼管結(jié)構(gòu)靜力性能的影響規(guī)律，建立了9個(gè)有限元模型FE-01～FE-09，其幾何尺寸、參數(shù)取值見表1，α為主支管之間夾角，β為支管直徑(d)與主管直徑(D)

之間的比，γ為主管直徑(D)與兩倍主管壁厚(T)的比，L為鋼架的總體長(zhǎng)度。

采用以下方法進(jìn)行分析：1)3-D有限元分析法，即用六面體單元來(lái)離散整個(gè)結(jié)構(gòu)；2)采用現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中通常用的簡(jiǎn)化方法，將鋼管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為不考慮節(jié)點(diǎn)局部柔度，每個(gè)構(gòu)件都是剛接的框架模型；3)將鋼管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成主管與支管之間節(jié)點(diǎn)考慮局部柔度，其他節(jié)點(diǎn)為完全剛接的模型。其中3-D有限元分析方法采用商業(yè)軟件ABAQUS進(jìn)行求解，對(duì)于簡(jiǎn)化模型，采用自行編寫的計(jì)算程序進(jìn)行求解。為明確幾何參數(shù)(β，γ)對(duì)結(jié)構(gòu)位移分析的影響，其各節(jié)點(diǎn)處豎向位移用折線圖表達(dá)如圖4a)～圖4i)所示。

表1 參數(shù)分析模型的幾何尺寸及各參數(shù)取值

3 結(jié)語(yǔ)

1)現(xiàn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用完全的剛接節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化計(jì)算模型，過(guò)高估計(jì)了結(jié)構(gòu)的整體剛度，對(duì)結(jié)構(gòu)的變形給出的計(jì)算結(jié)果過(guò)小，參數(shù)支管主管直徑比β和主管外徑同兩倍壁厚之間的比值γ，對(duì)于結(jié)構(gòu)的變形有較大影響，并且當(dāng)參數(shù)在一定范圍之內(nèi)時(shí)(β=0.3～0.8，γ=10～20)，隨著β,γ的逐漸增大，采用現(xiàn)有完全剛接計(jì)算模型所求的位移同真實(shí)值之間的誤差逐漸增大。

2)考慮節(jié)點(diǎn)局部柔度的計(jì)算模型，具有很高的精確度，并且很好的提高了計(jì)算效力。

3)局部柔度對(duì)于結(jié)構(gòu)的整體靜力性能具有非常顯著的影響，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該被考慮。

[1] Bouwkamp JG. An improved joint model and equations for flexibility of tubular joints[J].Journal of Petroleum Technology,1966,18(11):1491-1499.

[2] Bouwkamp JG, Hollings JP, Maison BF, et al.Effect of joint flexibility on the response of offshore towers. Proceedings of Offshore Technology Conference, Houston, Texas, 1980:455-464.

[3] Romeijin A, Karamanos SA, Wardenier J. Effects of joint flexibility on the fatigue design of welded tubular lattice structures. Proceedings of the Seventh International Offshore and Polar Engineering Conference, Honolulu, USA,1997：90-97.

[4] Mirtaheri M, Ali Zakeri H, Alanjari P, et al. Effect of joint flexibility on overal behavior of jacket type offshore platforms[J].American Journal of Engineering and Applied Sciences,2009,2(1):25-30.

[5] Ueda Y, Rashed S M H, Nakacho K. An improved joint model and equations for flexibility of tubular joints [J]. Journal of Offshore Mechanics and Aretic Engineering,1990(112):157-168.

[6] 徐漢濤，潘 皓，陳伯真，等.TY型管節(jié)點(diǎn)局部柔度的參數(shù)分析及試驗(yàn)研究[J].海洋工程，1995，13(2):9-18.

Static behavior of tubular structures considering Local Joint Flexibility

Lu Ning

(SchoolofCivilEngineering,YantaiUniversity,Yantai264005,China)

In light of the impact of Local Joint Flexibility(LJF) upon structural static behavior, a simplified analytical model to analyze the static behavior for a tubular structure with LJF is presented, and the theoretical equations of the simplified analytical model are deduced. Through comparison with finite element results, the accuracy and reliability of the presented model are evaluated, and the parameter analysis is presented.

tubular structure, Local Joint Flexibility(LJF), analytical model, parameter analysis, static behavior

1009-6825(2016)05-0037-03

2015-12-04

逯 寧(1989- )，男，在讀碩士

TU311

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