海洋平臺KK型管節點的疲勞性能試驗研究＊

甘 進 樂京霞 吳衛國 姚晉

（武漢理工大學交通學院1） 武漢 430063） （中國艦船研究設計中心2） 武漢 430074）

自升式海洋平臺是針對海洋油氣開發、跨海橋梁、海底隧道工程建設、海洋風力發電機安裝等需求而研制開發的大型海洋工程結構.KK型管節點作為支撐結構被廣泛應用于自升式海洋平臺的樁腿結構中，這些節點由于常年承受海浪和風等循環載荷的作用而經常產生疲勞破壞現象，并嚴重影響整個海洋平臺結構的安全性.因此，對KK型管節點的疲勞性能分析顯得非常重要.

海洋工程結構中，KK型管節點承受的是非常復雜的組合載荷.但是在組合載荷中，通常軸向載荷是占主要地位的.在管節點疲勞性能的研究中，應力集中系數（SCF）、焊趾處熱點應力（HSS）是評價其疲勞壽命的重要參數.因此本文采用模型試驗對空間KK型管節點在軸向載荷作用下的疲勞性能進行了測試，確定了沿著焊縫的應力集中系數、最大熱點應力值及其位置；通過S－N 曲線預測了KK型管節點的疲勞壽命，指出了現有海洋工程規范中管節點疲勞性能參數計算值與試驗分析結果的差異性.

1 KK型管節點模型試驗

1.1 試驗試件

空間KK型管節點試件由4根空心圓形鋼管焊接而成，見圖1.鋼材的屈服應力和極限應力分別為235MPa和410MPa，延伸率為25%.試件的焊接質量采用符合美國焊接協會（AWS）［1］規范要求.

圖1 KK節點試件的幾何參數圖

根據某自升式海洋平臺樁腿結構上的KK型管節點型式設計的試驗模型的幾何尺寸及相關參數見圖2及表1.為了消除弦桿端部條件對于試驗結果的影響，取弦桿的長度大于其直徑的6倍.

表1 KK節點試件的幾何參數

1.2 試驗裝置及加載系統

圖3為測試所用試驗裝置，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液壓作動裝置通過加載端頭對撐桿施加軸向載荷，加載系統見圖5.

圖2 KK節點試件的幾何參數定義圖

圖3 KK節點試驗裝置

圖5 試件加載端

1.3 試驗測試

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

圖6 應變片布置圖

圖7 外推插值區域的定義

測試之前對試件在一個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力.然后對撐桿逐級加載軸向載荷，并實時采集相應的應變值.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］.本試驗中，撐桿端所加載的最大軸向載荷為240kN.

1.4 試驗結果

在KK管節點模型試驗中，垂直于焊縫的應變和平行于焊縫的應變可分別根據應變片測得的應變線性外推插值得到.然后根據基于Hooke定律的應力和應變關系計算得到節點焊縫周圍的熱點應力值，沿著焊縫的應力分布如圖8所示.由圖8可見，最大熱點應力點位于弦桿冠點與鞍點之間（距離跟點225°），最大應力值是211.6MPa.

圖8 軸向力作用下弦桿與撐桿沿焊縫處熱點應力分布

2 疲勞性能分析

2.1 應力集中系數

由試驗得到的熱點應力值可計算出，軸向載荷作用下KK型管節點弦桿處最大應力集中系數為5.2，位于其冠點與鞍點之間（距離跟點225°附近）；撐桿處的應力集中系數為3.1，位于其跟點與鞍點之間（距離跟點75°附近）.

在海洋工程設計中，DNV規范［6］和API規范［7］提供了軸向載荷作用下K型管節點應力集中系數計算方法.DNV規范分別給出弦桿和撐桿在冠點和鞍點位置的應力集中系數計算公式（1）；API規范僅列出弦桿和撐桿的最大應力集中系數計算公式（2）.表2列出KK型管節點應力集中系數的試驗方法與規范方法的計算結果.

由表2可以看出，采用DNV規范的得到試件弦桿和撐桿的最大應力集中系數都出現在焊趾的鞍點處，值分別為7.1和5.3.采用API規范計算的試件最大應力集中系數分別為6.6和4.4.對比試驗分析結果，采用規范得到的應力集中系數均大于試驗測試結果，DNV給出的最大應力集中系數產生位置與試驗測試結果有一定差異.

表2 KK型管節點應力集中系數

2.2 疲勞壽命

估算管節點的疲勞壽命最常用的方法是S－N曲線法.當KK型節點承受疲勞載荷時，熱點應力區的應力范圍可通過試驗測試得到，節點的疲勞壽命就可以從S－N曲線上得到.

本研究采用CIDECT（2001）繪制的空心圓管節點的S－N曲線對上述KK型管節點在軸向載荷作用下的疲勞壽命進行估算（見圖9）.t為弦桿的厚度.由試驗測試結果可知，在軸向載荷的最大值和最小值分別為240kN和0的情況下，KK型管節點的應力幅值為211.6MPa.當弦桿厚度t為16mm時，通過S－N 曲線及熱點應力幅值推算出KK型管節點的疲勞循環次數約為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型管節點在承受0～240kN的軸向循環載荷時，其疲勞壽命為31.6萬次，且弦桿冠點與鞍點之間焊縫處是疲勞裂紋最容易萌生和擴展的位置.

3 結 論

1）應用模型試驗方法評價空間KK型管節點的疲勞性能具有重要的工程實用價值.軸向荷載下，KK型管節點弦桿與撐桿的焊趾處熱點應力較大，為節點易產生疲勞破壞位置，設計中應得到一定重視.

2）當KK型管節點撐桿承受軸向載荷時，其最大應力集中系數位于弦桿冠點與鞍點之間距跟點225度的焊趾處，其值為5.2，大于撐桿焊趾處的最大應力集中系數，因此裂紋在此處萌生，弦桿冠點與鞍點之間焊趾處也是應力集中的關鍵部位.

3）采用規范計算得到的應力集中系數均大于試驗結果，且在最大應力集中系數的位置判斷上有一定差異.因此，采用規范方法得到的結果偏于保守，不利于結構設計的經濟性.

4）本研究通過試驗測試結果與S－N曲線相結合的方法對KK型管節點的疲勞性能進行評估，研究結論可作為自升式海洋平臺桁架式樁腿的結構設計的參考依據.

［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型管節點的應力集中系數的試驗研究［J］.工程力學，2009，26（7）：83－88.

［4］張寶峰，曲淑英，邵永波，等.海洋平臺 K型管節點的疲勞裂紋擴展分析I：試驗測試［J］.計算力學學報，2007，24（5）：645－647.

［5］張寶峰，曲淑英，邵永波，等.海洋平臺 K型管節點的疲勞裂紋擴展分析I：試驗測試［J］.計算力學學報，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.