海上多功能工作平臺管節點的應力集中系數分析方法＊

楊炎華 甘 進

（中交第二航務工程局有限公司技術中心1） 武漢 430040） （武漢理工大學交通學院海洋工程系2） 武漢 430063）

0 引 言

海上多功能工作平臺是針對瓊州跨海大橋基礎建設而設計研發的一種大型海上橋梁施工作業平臺，其以施打大直徑鋼管樁功能為主，并具備基槽整平及海上施工人員生活等功能，見圖1.

圖1 海上多功能工作平臺效果圖

作為一種新型的自升式海洋平臺結構，其樁腿結構長期承受波浪等交變載荷的作用，由此產生的疲勞問題不可忽視.管節點作為結構的傳力部位，其應力十分復雜且結構破壞往往從節點開始.在管節點疲勞破話的研究中，應力集中系數（SCF）是評價管節點疲勞壽命的重要參數.因此，為了更加準確的評估海上多功能工作平臺的疲勞壽命，對平臺管節點的應力集中系數分析必不可少.

國內外對管節點應力集中系數的計算多采用模型試驗和數值仿真兩種方法，而在很多的海洋平臺設計規范中，也都給出了平臺管節點的應力集中系數的計算公式和方法.為了更好的了解海上多功能工作平臺管節點的受力狀態和疲勞性能，本文以平臺樁腿結構的典型管節點作為研究對象，采用模型試驗、數值仿真和規范計算3種方法分別對其應力集中系數進行計算分析，并總結評價三種不同方法在海上多功能工作平臺管節點的應力集中系數分析中的適用性和優缺點.

針對海上多功能工作平臺樁腿上的管節點類型較多且結構龐大的特點，本文選取海上多功能工作平臺中典型管節點——KK 型管節點為研究對象，并對實際結構縮尺簡化后的管節點模型進行應力集中系數分析，文中所采用的KK 型管節點的幾何尺寸及相關參數見圖2及表1.由于在實際平臺結構中KK 型管節點承受的載荷組合非常復雜，但通常軸向載荷是占主要地位.因此，本文僅對空間KK 型管節點在軸向載荷作用下的應力集中系數進行分析.

圖2 KK 型管節點試件的幾何參數定義圖

表1 KK 型管節點試件的幾何參數

1 模型試驗方法

采用試驗方法來分析管節點的熱點應力和應力集中系數等疲勞性能參數，不僅能直觀的獲得與管節點疲勞性能相關的可靠信息，同時試驗結果還可作為評價管節點壽命評估的依據.

根據海上多功能工作平臺上KK 型管節點的受力特性，綜合考慮模型加工的方便性、試驗條件是否滿足，以及試驗結果的精度等方面的因素，對管節點應力集中系數模型試驗方案進行了精心設計，力求得到真實可信的試驗結果.

模型試驗中，KK 型管節點試件由4 根空心圓形鋼管焊接而成，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.模型試驗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由焊接固定于固定架上，以模擬固定邊界條件.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.圖3為現場模型試驗測試系統圖.為消除試驗中由于焊接及安裝造成的殘余應力和加載過程中的載荷偏差等因素，試驗中采取預加載及載荷控制等多項手段確保試驗結果的精度［1］.

圖3 現場模型試驗測試系統圖

試驗測試主要內容是加載端的焊縫周圍應變值的測量［2］，應變片位置如圖4所示.通過對試驗模型中焊縫處垂直于焊縫的應變和平行于焊縫的應變數據的測量，并通過CIDECT［3］的線性外推插值及Hooke定律得到應力和應變關系計算得到管節點焊縫周圍的熱點應力值和分布情況.本試驗得到的KK 型管節點在240kN 軸向力作用下的弦桿和撐桿上的最大熱點應力值分別為211.6 MPa和129.2 MPa.

圖4 應變片布置圖

2 數值仿真方法

試驗測試方法和數值仿真方法是分析管節點應力集中系數的兩種常見方法.用數值仿真方法替代試驗方法并準確的計算得到管節點的相關疲勞性能參數是研究者不斷追求的目標.

本文采用有限元通用軟件ANSYS，針對管節點試驗模型建立KK 型管節點的有限元分析模型［4］.為了真實地模擬KK 型管節點在試驗中的受力特性及邊界條件等關鍵因素，保證有限元模型的準確性以及與試驗模型的等效性，對所采用的采用能夠應力沿壁厚變化的實體單元Solid95建立數值仿真模型；網格劃分按照高應力梯度區域采用高質量網格，遠離高應力梯度區域采用較粗糙網格的原則；軸向載荷根據試驗所測得加載撐桿遠離焊趾處的應力值進行施加，邊界條件為固支.KK 型管節點的有限元模型見圖5.

圖5 KK 型管節點有限元仿真模型

采用數值仿真得到的KK 型管節點在240 kN 軸向力作用下的弦桿焊縫區域應力分布云圖見圖6.由圖6可以看出數值仿真所得最大熱點應力位置與試驗結果相同.

采用CIDECT 的線性外插值方法計算對應焊趾處的熱點應力值，弦桿焊趾處熱點應力分布與試驗結果的對比見圖7.由圖7可知數值仿真結果大于試驗結果，這是由于數值仿真模型模擬的焊縫尺寸比試驗模型焊縫尺寸小，且仿真無法考慮試驗模型中由于焊接工藝等因素引起的熱點應力值和分布的差異.

圖6 弦桿焊縫區域應力分布云圖

圖7 弦桿焊趾處熱點應力分布曲線比較

3 應力集中系數計算

應力集中系數為焊趾處的熱點應力與由軸向荷載在撐桿上的名義應力的比值，即

式中：σHSS為熱點應力；σn為名義應力.

由式（2）可知，如果確定了管節點的應力集中系數和名義應力，可計算獲得熱點應力.

當空間KK 型管節點承受軸向載荷作用時，其名義應力σn為加載端撐桿遠離焊縫處的應力，根據材料力學原理計算公式

式中：F 為軸向載荷；d為撐桿直徑；t為撐桿壁厚.

根據式（1）和式（3）可以計算得到KK 型管節點采用模型試驗和數值仿真方法得到的應力集中系數.

在海洋平臺設計中，多國的船級社也同樣提供了相關的海洋平臺管節點應力集中系數的計算方法，式（4）和式（5）分別為DNV 規范［5］和API規范［6］提供的K 型管節點在軸向載荷作用下應力集中系數計算公式.表2列出了采用模型試驗和數值仿真得到的KK 型管節點應力集中系數，以及采用不同規范計算得到的結果.

C 為弦桿端部固定系數，0.5≤C≤1.0，取C＝0.7.

表2 KK 型管節點應力集中系數

由表2可以看出，規范計算得到的應力集中系數值均大于采用模型試驗和數值仿真方法分析的結果，這是由于規范中對平臺的管節點是按K型節點考慮的，沒有考慮KK 型節點2個K 平面間的影響.規范計算結果無法準確反映管節點熱點應力分布規律和最大應力集中系數出現的準確位置.

4 結 論

1）采用模型試驗可以較為準確地得到管節點焊趾處的熱點應力分布情況和最大應力集中系數出現位置.由于模型試驗環節復雜、耗時耗力且成本較高，一般多用于特殊管節點的科學研究和對數值計算方法的驗證當中.

2）通過數值仿真方法可以較為準確的判斷焊趾處的最大熱點應力位置，并能進行復雜受力狀態下的管節點強度分析，可作為管節點初步設計和優化設計的工具.該方法無法準確反映焊縫周圍的熱點應力分布規律情況，因而對影響數值仿真結果精度的因素有待進一步的研究和探討.

3）海洋平臺設計規范中的管節點應力集中系數計算方法與模型試驗方法得到的結果相比均偏于保守，這是由于海洋平臺管節點受力狀態十分復雜且為影響結構安全的主要部位.因此，對管節點設計的要求非常高，需要設計者得到一定的重視.

4）在海上多功能工作平臺的結構設計中，可以先采用數值仿真的方法計算得到受力最不利的管節點位置，并將所設計的管節點按規范規定的應力集中系數進行強度校核，如果滿足規范要求則可在規范要求范圍內采用數值仿真方法進行優化，使所設計的管節點既能滿足結構安全性又能具備一定的經濟性.

［1］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.

［2］甘 進，樂京霞，吳衛國，等.海洋平臺KK 型管節點的疲勞性能試驗研究［J］.武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2011，35（5）：980－983.

［3］ZHAO X L，HERION S，PACKER J A，et al.Design guide for circular and rectangular hollow section welded joints under fatigue loading［M］.CIDECT，TUV，2001.

［4］甘 進.海上多功能工作平臺結構設計關鍵技術研究［D］.武漢：武漢理工大學，2012.

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

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