API RP 2A-21st修訂對渤海平臺管節(jié)點(diǎn)設(shè)計的影響

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(中海油能源發(fā)展油田建設(shè)工程分公司,天津 300452)

管節(jié)點(diǎn)是海洋工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位，同時也是最薄弱的環(huán)節(jié)。1980年“亞歷山大基蘭號”半潛式平臺傾覆事故，就是因管節(jié)點(diǎn)破壞而引起的。管節(jié)點(diǎn)的設(shè)計對于海洋平臺結(jié)構(gòu)至關(guān)重要。API RP 2A作為我國等同采用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也是目前世界上海洋工程界公認(rèn)的設(shè)計推薦做法。基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值分析，API分別于2002、2005和2007年對API RP 2A -21st2000(以下簡稱API RP 2A 2000)進(jìn)行了3次修訂，其中“增補(bǔ)2”(2005年)和“增補(bǔ)3”(2007年)對管節(jié)點(diǎn)條款進(jìn)行了重要修改。文中對修改內(nèi)容進(jìn)行分析比較，并討論修訂對渤海海域?qū)Ч芗芷脚_結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。

1 API RP 2A-21st有關(guān)管節(jié)點(diǎn)設(shè)計條款的修訂

管節(jié)點(diǎn)分為簡單管節(jié)點(diǎn)和搭接管節(jié)點(diǎn)。簡單管節(jié)點(diǎn)是主要撐桿沒有搭接，以及沒有節(jié)點(diǎn)板、隔板或者加強(qiáng)筋的節(jié)點(diǎn)。圖1是簡單管節(jié)點(diǎn)的術(shù)語和幾何參數(shù)，本文提及的所有管節(jié)點(diǎn)均為簡單管節(jié)點(diǎn)。

1.1 管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核

1.1.1 API RP 2A 2000管節(jié)點(diǎn)校核公式及常用作法

θ-撐桿角度(自弦桿量起);g-間隙；T-弦桿厚度;D-弦桿直徑;d-撐桿直徑；t-撐桿厚度;τ=t/T;β=d/D;γ=D/2T圖1 簡單管節(jié)點(diǎn)的術(shù)語和幾何參數(shù)

1)構(gòu)造要求。API RP 2A 2000指出“受拉或者受壓構(gòu)件的端部連接應(yīng)達(dá)到設(shè)計荷載所要求的強(qiáng)度，并且不低于構(gòu)件的有效強(qiáng)度的50%”。但是對于簡單管節(jié)點(diǎn)，如果滿足下述公式則認(rèn)為符合上述準(zhǔn)則[1]：

(1)

式中:Fyc——節(jié)點(diǎn)處弦桿的屈服強(qiáng)度或2/3的構(gòu)件拉伸強(qiáng)度，取較小者；

Fyb——節(jié)點(diǎn)處撐桿的屈服強(qiáng)度。

2)管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核。API RP 2A 2000推薦使用沖剪荷載法或名義荷載法判定節(jié)點(diǎn)合理性。

① 沖剪荷載法。有效沖剪應(yīng)力為

Vp=τfsinθ

(2)

許用沖剪應(yīng)力為AISC允許剪應(yīng)力Vpa或者取較小值

(3)

式中:f——撐桿名義軸向平面內(nèi)或平面外彎曲應(yīng)力(分別對應(yīng)每種沖剪應(yīng)力)；

Qq——考慮荷載和幾何類型影響的系數(shù)；

Qf——考慮弦桿中存在軸向名義應(yīng)力的系數(shù)。

② 名義荷載法。節(jié)點(diǎn)容許能力由撐桿名義荷載確定。

(4)

(5)

式中:Pa——撐桿軸向荷載的容許能力；

Ma——撐桿彎矩的容許能力；

Qu——極限強(qiáng)度系數(shù)(僅與節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)和荷載類型有關(guān))。

節(jié)點(diǎn)的名義應(yīng)力比計算公式為

(6)

(7)

3)管節(jié)點(diǎn)校核的常用作法。工程實(shí)踐中，通常根據(jù)式(1)計算節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)力比,根據(jù)式(2)和式(3)計算節(jié)點(diǎn)沖剪應(yīng)力比。當(dāng)管節(jié)點(diǎn)構(gòu)造應(yīng)力比和沖剪應(yīng)力比均小于1.0時認(rèn)為節(jié)點(diǎn)設(shè)計滿足規(guī)范要求。

1.1.2 API RP 2A修訂版管節(jié)點(diǎn)校核公式及作法

API RP 2A修訂版，節(jié)點(diǎn)校核取消了沖剪荷載法。

1)管節(jié)點(diǎn)的最小承載能力要求[2]。API RP 2A修訂版指出“受拉或者受壓構(gòu)件的端部連接應(yīng)達(dá)到設(shè)計荷載所要求的強(qiáng)度，并且不低于構(gòu)件的有效強(qiáng)度的50%，對于兼受拉伸或壓縮荷載的桿件有效強(qiáng)度是指屈曲荷載，對于以受拉伸荷載為主的桿件有效強(qiáng)度是指屈服荷載”。

(8)

式中：P′——撐桿軸向荷載，或桿件有效強(qiáng)度的50%，取較大者；

Pa——撐桿容許軸向荷載，見式(9)。

另外，對于強(qiáng)度水平地震加速度大于等于0.05g的地區(qū)，地震工況主要構(gòu)件的管節(jié)點(diǎn)端部連接應(yīng)達(dá)到撐桿有效強(qiáng)度的100%，即撐桿的抗拉屈服荷載或者抗壓屈曲荷載。

2)管節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核。API RP 2A修訂版指出，節(jié)點(diǎn)的容許承載能力根據(jù)下式計算。

(9)

(10)

式中:Fs——安全系數(shù)，靜力工況Fs=1.60，地震工況Fs=1.0;

Qf——弦桿載荷系數(shù)；

Fyc——弦桿在節(jié)點(diǎn)處的屈服強(qiáng)度或0.8倍的拉伸強(qiáng)度，取較小值。

節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度校核公式為

(11)

3)管節(jié)點(diǎn)校核的作法。工程實(shí)踐中，根據(jù)式(8)校核節(jié)點(diǎn)的最小承載能力，根據(jù)式(11)計算節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度應(yīng)力比。當(dāng)管節(jié)點(diǎn)同時滿足最小承載能力要求和應(yīng)力比要求時，認(rèn)為節(jié)點(diǎn)設(shè)計滿足規(guī)范要求。

1.1.3 名義荷載計算參數(shù)對比

名義荷載計算參數(shù)對比見表1。

表1 名義荷載計算參數(shù)對比

1.2 灌漿管節(jié)點(diǎn)的等效壁厚

主樁式導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)通常在導(dǎo)管架主腿與樁之間的環(huán)形空間內(nèi)進(jìn)行灌漿，將導(dǎo)管架的荷載傳遞給鋼樁。API RP 2A 2000未明確灌漿管節(jié)點(diǎn)的等效壁厚計算，工程中可以采用組合截面的慣性矩法、內(nèi)外管組合壁厚的慣性矩法、內(nèi)外管組合壁厚的平方根法等3種方式計算其等效壁厚[4]。

鑒于目前灌漿施工能力和灌漿檢測困難，API RP 2A修訂版明確了等效壁厚計算應(yīng)該采用內(nèi)外管組合壁厚的平方根法。

(12)

式中:Te——等效壁厚；

T——外管即導(dǎo)管架主腿的壁厚；

Tp——內(nèi)管即樁的壁厚。

由表2可見，組合壁厚平方根法計算的等效壁厚明顯小于組合界面慣性矩法和內(nèi)外管組合壁厚慣性矩法。

1.3 管節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命安全系數(shù)

API RP 2A 2000規(guī)定，管節(jié)點(diǎn)設(shè)計疲勞壽命至少是結(jié)構(gòu)設(shè)計壽命的2倍，即安全系數(shù)(SF)最小為2.0，對一旦失效將導(dǎo)致災(zāi)難性后果的關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)該考慮應(yīng)用較大的安全系數(shù)，但并未明確具體數(shù)值。API RP 2A修訂版對疲勞壽命安全系數(shù)做了詳盡的規(guī)定，見表3。

2 算例對比

以渤海海域某8腿導(dǎo)管架平臺為例，就管節(jié)點(diǎn)設(shè)計通過計算分析定量評價規(guī)范修訂對相關(guān)設(shè)計的影響。該平臺為1座8腿井口平臺，設(shè)計壽命為25年，工作點(diǎn)跨度為(18 m+18 m+18 m)×20 m，設(shè)計樁基直徑1 829 mm，分別在EL.(-)20.5 m、EL.(-)3.0 m和EL.(+)5.8 m設(shè)有3層水平拉筋，水平撐桿直徑為762 mm，在EL.(-)20.5m和EL.(-)3.0 m之間設(shè)置有直徑914 mm的X撐桿。在桿件強(qiáng)度滿足要求的情況下，對導(dǎo)管架主腿管節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計對比，分別進(jìn)行在位分析(靜力、地震和簡易疲勞分析)和安裝工況分析(裝船、拖航和吊裝分析)，結(jié)果如下。

1)主腿節(jié)點(diǎn)?2025×60、水平撐桿?762×22，根據(jù)API RP 2A 2000校核節(jié)點(diǎn)各工況均滿足規(guī)范要求；根據(jù)修訂版規(guī)范，地震分析及安裝工況導(dǎo)管架主腿管節(jié)點(diǎn)不滿足規(guī)范要求。

2)主腿節(jié)點(diǎn)?2045×70、水平撐桿?762×22，根據(jù)修訂版規(guī)范安裝工況滿足規(guī)范，地震工況導(dǎo)管架主腿管節(jié)點(diǎn)仍不滿足規(guī)范要求。

3)主腿節(jié)點(diǎn)?2045×70、水平撐桿?762×19，根據(jù)修訂版規(guī)范所有工況導(dǎo)管架主腿管節(jié)點(diǎn)均滿足規(guī)范要求。

桿件強(qiáng)度計算結(jié)果和結(jié)構(gòu)用鋼量見表4。

表4 桿件強(qiáng)度計算結(jié)果和結(jié)構(gòu)用鋼量

通過上述分析可以看出，根據(jù)最新版規(guī)范進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計，渤海平臺導(dǎo)管架主腿管節(jié)點(diǎn)壁厚需要增加，同時合理優(yōu)化撐桿的壁厚。本例導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)設(shè)計用鋼量并未增加，反而有較小降低。

3 結(jié)論

1)規(guī)范修訂明確了灌漿管節(jié)點(diǎn)等效壁厚計算公式，計算偏于安全；明確了關(guān)鍵重要管節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命安全系數(shù)(SF)，導(dǎo)管架主腿管節(jié)點(diǎn)SF最小值為5。

2)規(guī)范修訂突出了節(jié)點(diǎn)最小承載能力要求，靜力工況要求節(jié)點(diǎn)具有最小為50%撐桿有效強(qiáng)度的承載能力，地震工況要求節(jié)點(diǎn)具有等于100%撐桿有效強(qiáng)度的承載能力。

3)國內(nèi)依據(jù)API RP 2A 2000設(shè)計的導(dǎo)管架桿件u.c.值通常在0.6以內(nèi)，設(shè)計較為保守，桿件強(qiáng)度并未得到充分利用；規(guī)范修訂要求對弦桿進(jìn)行加強(qiáng)，同時合理優(yōu)化撐桿提高撐桿的利用率。

4)采用API RP 2A 2000進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計，渤海海域?qū)Ч芗芄芄?jié)點(diǎn)壁厚通常在45～60 mm之間；采用最新修訂版規(guī)范進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計，主腿管節(jié)點(diǎn)壁厚則需要加厚至60～80 mm之間。修訂條款充分體現(xiàn)了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱桿件”的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計理念。

5)采用修訂后的規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，雖然管節(jié)點(diǎn)的壁厚需要增加，但可以通過優(yōu)化撐桿等方式控制導(dǎo)管架主結(jié)構(gòu)的總用鋼量。

[1] API RP 2A.Recommended practice for planning,designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design[S].American Petroleum Institute,2000.

[2] API RP 2A.Recommended practice for planning,designing and constructing fixed offshore platforms-working stress design[S].American Petroleum Institute,2007.

[3] 趙開龍,劉成名,姚志廣.海洋平臺管節(jié)點(diǎn)極限強(qiáng)度分析方法研究[J].石油工程建設(shè), 2011,37(1):12-15.

[4] 崔書杰.導(dǎo)管架灌漿腿柱的沖剪應(yīng)力計算研究[J].中國海洋平臺, 2005,20(3):40-42.

[5] 謝 彬,于 皓. API RP 2A設(shè)計參數(shù)的合理選取[J].中國海上油氣(工程),2000,12(1):10-14