導(dǎo)管架平臺(tái)管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核及影響因素分析

(中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司 設(shè)計(jì)研發(fā)中心，天津 300452)

管節(jié)點(diǎn)作為導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵而又薄弱的環(huán)節(jié)，歷來(lái)是設(shè)計(jì)者十分關(guān)注的問(wèn)題。由于導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中大多采用簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)，簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)指位于同一平面內(nèi)，撐桿之間不搭接，沒(méi)有隔板、加筋板及節(jié)點(diǎn)板的節(jié)點(diǎn)，本文主要針對(duì)簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析研究。管節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度分析方法主要有實(shí)驗(yàn)研究和理論分析兩大類(lèi)[1]。在工程設(shè)計(jì)中廣泛采用的是以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合理論分析而得出的半經(jīng)驗(yàn)半理論公式方法，API RP 2A針對(duì)管節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度分析方法正是基于上述方法。隨著API RP 2A從21版(2000)到22版(2014)不斷的增補(bǔ)和修訂[2-5]，規(guī)范中關(guān)于管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的校核方法改動(dòng)很大，對(duì)管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度提出了更為嚴(yán)格的要求。為了探討分析API RP 2A 22版(以下稱(chēng)22版規(guī)范)規(guī)范對(duì)管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核的影響，以某導(dǎo)管架平臺(tái)其中一個(gè)管節(jié)點(diǎn)為例，研究管節(jié)點(diǎn)校核的方法，并具體分析管節(jié)點(diǎn)各構(gòu)造參數(shù)對(duì)管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的影響。同時(shí)，對(duì)目前工程實(shí)際及理論研究中不同的管節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)方法進(jìn)行總結(jié)，分析其對(duì)管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的影響。

1 管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核

API RP 2A 22版規(guī)范對(duì)于管節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度校核分為基本承載能力校核和最小承載能力校核[6]，要求兩者同時(shí)滿足規(guī)范要求。簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意于圖1。

圖1 簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意

1.1 基本承載能力校核

基本承載能力校核針對(duì)導(dǎo)管架平臺(tái)中的所有管節(jié)點(diǎn)，要求所有管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核結(jié)果滿足規(guī)范要求；API RP 2A 22版規(guī)范規(guī)定對(duì)于簡(jiǎn)單管節(jié)點(diǎn)，撐桿的軸向荷載容許能力為

(1)

撐桿的彎矩容許能力為

(2)

式中：Fs為安全系數(shù)，靜力工況Fs=1.6，地震工況Fs=1.0；Qu為強(qiáng)度系數(shù)(與節(jié)點(diǎn)類(lèi)型和幾何構(gòu)造有關(guān))，參見(jiàn)API RP 2A 22版表格7.2；Qf為弦桿載荷系數(shù),

(3)

其中：A為系數(shù),

(4)

Fyc為弦桿的屈服強(qiáng)度或0.8倍的抗拉強(qiáng)度，取較小值；

除此之外，22版規(guī)范針對(duì)T/Y和X型管節(jié)點(diǎn)，還考慮弦桿加厚段對(duì)承載能力的影響，具體修正如下。

Pa=[r+(1-r)(Tn/Tc)2](Pa)c

(5)

式中：(Pa)c按照公式(1)計(jì)算；Tn為弦桿的名義厚度；Tc為弦桿的加厚段厚度。

經(jīng)過(guò)上述計(jì)算，管節(jié)點(diǎn)基本承載能力校核公式為

(6)

1.2 最小承載能力校核

通常，由于失效機(jī)制及對(duì)周?chē)Y(jié)構(gòu)影響的不確定性，管節(jié)點(diǎn)優(yōu)于支撐之前失效是不可取的。22版規(guī)范最新提出了最小弦桿容許能力要滿足50%撐桿有效強(qiáng)度的要求，以提高節(jié)點(diǎn)和桿件的相對(duì)可靠性來(lái)確保平臺(tái)的冗余度。

此外，最小承載能力要求，對(duì)結(jié)構(gòu)在不可預(yù)測(cè)荷載如裝船過(guò)程中支撐失效、下水或吊裝期間不可預(yù)期的環(huán)境條件、碰船及墜物等作用下提供了安全保障。

最小承載能力校核如下。

(7)

式中：Pa為撐桿的軸向荷載容許能力，見(jiàn)式(1)。Fa為撐桿的有效強(qiáng)度。撐桿的有效強(qiáng)度為主要承受拉力的撐桿的屈服強(qiáng)度，或者指主要承受壓力的撐桿的極限屈服荷載，極限屈服荷載計(jì)算時(shí)應(yīng)該考慮非彈性因素。

當(dāng)撐桿受拉時(shí)，F(xiàn)a=Fby

當(dāng)撐桿受壓時(shí),

(8)

值得注意的是，在工程實(shí)際中，最小承載能力校核針對(duì)主要管節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的重要程度加以判斷，如某些附屬構(gòu)件管節(jié)點(diǎn)失效不會(huì)引起重大的安全及環(huán)境影響，如隔水套管導(dǎo)向支撐框架、立管及護(hù)管的支撐等節(jié)點(diǎn)，該類(lèi)次要節(jié)點(diǎn)可不考慮50%的撐桿有效強(qiáng)度要求。

此外，對(duì)于地震工況下的管節(jié)點(diǎn)校核，22版規(guī)范明確提出，當(dāng)強(qiáng)度水平地震位于地震區(qū)域1(1.0 s地震譜加速度大于0.03g)[7]及更大時(shí)，對(duì)于不進(jìn)行冗余度分析的L-2平臺(tái)，要考慮100%的撐桿有效強(qiáng)度。

(9)

管節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意，與主腿相連的管節(jié)點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行100%撐桿有效強(qiáng)度校核。

2 管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核影響因素分析

以秦皇島33-1南某平臺(tái)上部組塊結(jié)構(gòu)為例，選取圖2所示管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算分析。

圖2 管節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)及局部模型

通過(guò)在SACS整體模型中計(jì)算不同參數(shù)下管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，分析不同管節(jié)點(diǎn)參數(shù)對(duì)管節(jié)點(diǎn)校核結(jié)果的影響。該管節(jié)點(diǎn)各主要參數(shù)如下。

弦桿直徑1 829 mm、壁厚40 mm；撐桿直徑914 mm、壁厚38 mm。

弦桿與撐桿夾角37°；

鋼材屈服強(qiáng)度355 MPa。

該管節(jié)點(diǎn)在整體模型中，弦桿和撐桿端部荷載見(jiàn)表1。

表1 弦桿和撐桿端部載荷

該管節(jié)點(diǎn)的基本承載能力校核UC值為1.805，最小承載能力校核UC值為1.480，均不滿足規(guī)范要求。

以下從提高管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的影響因素出發(fā)，探討分析不同因素對(duì)管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核的影響。

2.1 弦桿壁厚

采用增加弦桿壁厚的方法，可以有效提高弦桿的強(qiáng)度，見(jiàn)圖3。

圖3 管節(jié)點(diǎn)UC值與弦桿壁厚的關(guān)系

可以看出，隨著弦桿壁厚增加，該管節(jié)點(diǎn)的基本承載能力UC和最小承載能力UC值明顯降低，當(dāng)弦桿壁厚到達(dá)60 mm時(shí)，管節(jié)點(diǎn)的基本承載能力和最小承載能力均滿足規(guī)范要求。由此可見(jiàn)，增加弦桿壁厚對(duì)提高管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度效果顯著。

2.2 撐桿的直徑與壁厚

從弱化撐桿強(qiáng)度的角度考慮，在保證撐桿的桿件強(qiáng)度滿足規(guī)范要求的前提下，可以減少撐桿的壁厚。弦桿尺寸保持不變，通過(guò)降低撐桿壁厚來(lái)提高管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。管節(jié)點(diǎn)UC值與撐桿壁厚的關(guān)系見(jiàn)圖4。

圖4 管節(jié)點(diǎn)UC值與撐桿壁厚的關(guān)系

隨著撐桿壁厚不斷減小，管節(jié)點(diǎn)的基本承載能力UC值基本不變，而最小承載能力UC值顯著降低，說(shuō)明撐桿壁厚對(duì)基本承載能力影響不大，但是能顯著影響最小承載能力的校核結(jié)果。

另外，增加撐桿的直徑可以有效提高撐桿的彎矩容許能力，從而達(dá)到提高管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的目的。弦桿尺寸保持不變，通過(guò)增加撐桿直徑來(lái)提高管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。管節(jié)點(diǎn)UC值與撐桿直徑的關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 管節(jié)點(diǎn)UC值與撐桿直徑的關(guān)系

隨著撐桿直徑不斷增加，管節(jié)點(diǎn)的基本承載能力UC顯著降低，而最小承載能力校核UC也有所降低，說(shuō)明增加撐桿直徑對(duì)管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核有一定作用，設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

2.3 措施

1)在設(shè)計(jì)中考慮在撐桿受力較小部位增加弱截面設(shè)計(jì)，通過(guò)降低撐桿的有效強(qiáng)度來(lái)降低管節(jié)點(diǎn)校核的UC值。在上述管節(jié)點(diǎn)的撐桿中加入長(zhǎng)度為1.0 m的914 mm×19 mm弱截面，管節(jié)點(diǎn)基本承載能力校核UC值從1.805降到1.732，而最小承載能力校核UC值從1.480降到0.759。

2)對(duì)于弦桿內(nèi)部可設(shè)置加強(qiáng)環(huán)的管節(jié)點(diǎn)，設(shè)置加強(qiáng)環(huán)可以明顯提高管節(jié)點(diǎn)的基本承載能力和最小承載能力[8-9]。設(shè)置加強(qiáng)環(huán)后的管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核，可以采用等效壁厚、理論分析或者有限元分析的方法進(jìn)行計(jì)算。弦桿內(nèi)部設(shè)置加強(qiáng)環(huán)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6，該方法在工程實(shí)踐中得到了非常廣泛的應(yīng)用。

圖6 內(nèi)部加強(qiáng)環(huán)型管節(jié)點(diǎn)

除上述工程常用方法之外，近年來(lái)學(xué)者對(duì)管節(jié)點(diǎn)的其他加強(qiáng)方法也進(jìn)行了大量研究，包括環(huán)口板加強(qiáng)型管節(jié)點(diǎn)及套管加強(qiáng)T型管節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)形式見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 環(huán)口板加強(qiáng)型管節(jié)點(diǎn)

圖8 套管加強(qiáng)T型管節(jié)點(diǎn)

文獻(xiàn)[10] 運(yùn)用有限元方法對(duì)環(huán)口板加強(qiáng)的T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了平面內(nèi)彎矩作用下的承載力分析，結(jié)果表明環(huán)口板加強(qiáng)在承載力方面提高的有效性。文獻(xiàn)[11]在理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，提出了套管加強(qiáng)T、X型管節(jié)點(diǎn)，并得出了套管加強(qiáng)T、X型管節(jié)點(diǎn)在軸向力、平面內(nèi)彎矩和平面外彎矩作用下的極限強(qiáng)度簡(jiǎn)易計(jì)算公式。針對(duì)工程中的特定管節(jié)點(diǎn)(如導(dǎo)管架腿部管節(jié)點(diǎn)內(nèi)部設(shè)置樁基，無(wú)法設(shè)置內(nèi)部加強(qiáng)環(huán))，可以考慮應(yīng)用上述方法進(jìn)行分析和驗(yàn)證，將研究成果與工程實(shí)際有效結(jié)合起來(lái)。

3 結(jié)論

1)從提高弦桿強(qiáng)度的角度出發(fā)，增加弦桿壁厚對(duì)提高管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度能起到立竿見(jiàn)影的效果。

2)從弱化撐桿強(qiáng)度的角度考慮，減少撐桿壁厚可有效降低管節(jié)點(diǎn)最小承載能力UC值。

3)加大撐桿直徑可以降低管節(jié)點(diǎn)基本承載能力UC值。

4)在撐桿中合理設(shè)置弱截面，或者在弦桿內(nèi)部增加加強(qiáng)環(huán)，均可以改善管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度，而前者對(duì)最小承載能力校核更為有效。 除此之外，針對(duì)新型管節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)方法如環(huán)口板、套管等外部加強(qiáng)形式，可結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)行進(jìn)一步分析與驗(yàn)證。