蔡艷青， 邵永波

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

圓鋼管結(jié)構(gòu)因其在抗拉、抗壓、抗彎和抗扭等方面優(yōu)越的性能而被廣泛應(yīng)用于海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)中，這些結(jié)構(gòu)主要承受由海浪和海風(fēng)等造成的循環(huán)荷載。由于導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)焊接形成的，在焊接部位又由于剛度不連續(xù)而存在很高的應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此，這種局部高應(yīng)力的存在使節(jié)點(diǎn)在長(zhǎng)期循環(huán)荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生微小的疲勞裂紋，疲勞裂紋的不斷擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致整個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生疲勞斷裂破壞。所以在導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)部位設(shè)計(jì)中，除了計(jì)算管節(jié)點(diǎn)的極限承載力外，疲勞強(qiáng)度也是管節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。

在研究管節(jié)點(diǎn)疲勞破壞時(shí)，主要集中在對(duì)疲勞壽命的預(yù)測(cè)上。對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)，國(guó)內(nèi)外目前最常用的是熱點(diǎn)應(yīng)力幅法，也稱為S-N曲線法。這種方法是通過(guò)計(jì)算焊接處的熱點(diǎn)應(yīng)力幅(HSS)大小，來(lái)估算節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)在發(fā)生疲勞破壞前所能承受的循環(huán)荷載的次數(shù)。熱點(diǎn)應(yīng)力幅大小可以通過(guò)計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)(SCF)來(lái)確定。因此，很多對(duì)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測(cè)的研究都集中在對(duì)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)的研究上。以往文獻(xiàn)中對(duì)應(yīng)力集中系數(shù)的研究主要集中在簡(jiǎn)單的 T，Y，K，X，KT，TT 等節(jié)點(diǎn)形式上，且對(duì)于這些簡(jiǎn)單節(jié)點(diǎn)的SCF的研究已經(jīng)比較成熟，提出了各種節(jié)點(diǎn)的預(yù)測(cè)SCF值的參數(shù)公式，如文獻(xiàn)［1，2］運(yùn)用有限元方法研究了T型和Y型管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)的分布;文獻(xiàn)［3］運(yùn)用有限元模擬和試驗(yàn)測(cè)試的方法研究了K型管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)分布;文獻(xiàn)［4］運(yùn)用有限元方法研究了不同參數(shù)對(duì)TT型管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)的影響;文獻(xiàn)［5］運(yùn)用有限元方法對(duì)KT型圓鋼管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中進(jìn)行了參數(shù)分析并提出了預(yù)測(cè)應(yīng)力集中系數(shù)的參數(shù)公式。

為了提高焊接管節(jié)點(diǎn)的靜力強(qiáng)度，近年來(lái)，對(duì)海洋平臺(tái)的管結(jié)構(gòu)采用多種方法進(jìn)行了加固。雖然加固措施能夠提高管節(jié)點(diǎn)的靜力強(qiáng)度，但能否同時(shí)提高管節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命則需要進(jìn)行深入研究。對(duì)加固管節(jié)點(diǎn)的疲勞研究工作也有一些報(bào)道，如文獻(xiàn)［6，7］運(yùn)用試驗(yàn)測(cè)試及有限元方法對(duì)墊板加固型圓鋼管的應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行了參數(shù)分析，并提出了計(jì)算應(yīng)力集中系數(shù)的參數(shù)公式，文獻(xiàn)［8］通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試對(duì)內(nèi)置加勁環(huán)加固圓鋼管進(jìn)行了疲勞研究，文獻(xiàn)［9］對(duì)內(nèi)置插板的圓鋼管的應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行了有限元分析。在管節(jié)點(diǎn)加固方法中，采用環(huán)口板加固是一種較新穎的加固方法，國(guó)內(nèi)外對(duì)采用環(huán)口板加固的圓鋼管的研究主要集中在靜力強(qiáng)度和滯回性能上，對(duì)環(huán)口板加固型圓鋼管應(yīng)力集中系數(shù)的研究則未見(jiàn)報(bào)道。因此，需要對(duì)環(huán)口板加固型管節(jié)點(diǎn)做進(jìn)一步的研究。

本文運(yùn)用試驗(yàn)方法對(duì)足尺寸環(huán)口板加固T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試研究，得出了環(huán)口板加固管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中分布情況。

1 試驗(yàn)測(cè)試

1．1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

環(huán)口板加強(qiáng)型管節(jié)點(diǎn)的加固方式如圖1所示。圖中下標(biāo)為0表示屬于主管的參數(shù)，下標(biāo)為1代表支管的參數(shù)，下標(biāo)為c代表環(huán)口板的參數(shù)。在研究管節(jié)點(diǎn)問(wèn)題上常采用一些無(wú)量綱參數(shù)，如支管和主管的直徑比β=d1/d0，主管徑厚比γ=d0/2t0，支管和主管鋼管厚度比τ=t1/t0，環(huán)口板與主管厚度比τc=tc/t0。

圖1 環(huán)口板加強(qiáng)型管節(jié)點(diǎn)

從圖1可以看出，環(huán)口板加強(qiáng)管節(jié)點(diǎn)時(shí)，不影響原來(lái)管節(jié)點(diǎn)的連接方式，還是將支管直接焊接到主管表面上，然后再把環(huán)口板與主管和支管分別焊接到一起。這種加強(qiáng)方式，不僅可以在設(shè)計(jì)期間進(jìn)行加強(qiáng)，還可以很方便地在管結(jié)構(gòu)的使用期內(nèi)對(duì)其進(jìn)行加強(qiáng)。環(huán)口板加強(qiáng)管節(jié)點(diǎn)時(shí)，在主管和支管相貫處，環(huán)口板需要開(kāi)孔，孔邊緣進(jìn)行坡口切割，以便和管節(jié)點(diǎn)相貫處焊縫的接觸吻合。環(huán)口邊緣通過(guò)角焊縫焊接到支管表面，而環(huán)口板的四邊則通過(guò)角焊縫焊接到主管表面上。

在試驗(yàn)研究中，共對(duì)8個(gè)T節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了應(yīng)力集中系數(shù)的試驗(yàn)測(cè)試，其中4個(gè)試件是未加固T型圓鋼管試件，另外4個(gè)試件采用了環(huán)口板加固方案。4個(gè)未加固的T節(jié)點(diǎn)和4個(gè)對(duì)應(yīng)加固的T節(jié)點(diǎn)采用相同的幾何尺寸和鋼材材料，以進(jìn)行對(duì)比分析。8個(gè)試驗(yàn)試件幾何尺寸的具體取值如表1所示。

1．2 應(yīng)力集中系數(shù)定義

管節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力記為σHSS，目前有兩種常用的方法來(lái)定義管節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力。DEN［10］推薦熱點(diǎn)應(yīng)力為“沿著焊縫處的極值應(yīng)力”，他“考慮了管節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)的影響”，也就是最大主應(yīng)力值。Van Wingerde等［11］將熱點(diǎn)應(yīng)力表述為“垂直于焊縫的結(jié)構(gòu)應(yīng)力的外推插值結(jié)果”。這種定義采用了國(guó)際焊接結(jié)構(gòu)(IIW)［12］疲勞設(shè)計(jì)原則，在工程實(shí)踐中被大多數(shù)設(shè)計(jì)者和研究者采用。節(jié)點(diǎn)在發(fā)生疲勞破壞時(shí)，表面裂紋將沿著焊縫處萌生并擴(kuò)展。節(jié)點(diǎn)中的裂紋模式主要為I型裂紋，即張開(kāi)型裂紋。因此垂直于焊縫的應(yīng)力將作為I型裂紋的主要驅(qū)動(dòng)力。顯然，DEN定義的熱點(diǎn)應(yīng)力要大于第二種定義規(guī)定的熱點(diǎn)應(yīng)力，從而低估了管節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。本研究采用第二種定義，管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)定義為

表1 試件尺寸

其中σHSS為熱點(diǎn)應(yīng)力值;σnom為名義應(yīng)力，在管節(jié)點(diǎn)承受軸力F作用時(shí)，名義應(yīng)力由下式計(jì)算:

其中F是軸向荷載，d1和t1是支管的直徑和厚度。

1．3 應(yīng)變片布置

靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試試驗(yàn)前，在鋼管表面粘貼應(yīng)變片以測(cè)量管節(jié)點(diǎn)在受力過(guò)程中的應(yīng)變值，進(jìn)而計(jì)算節(jié)點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力分布。由于節(jié)點(diǎn)在焊趾處形狀突變，應(yīng)變片不能直接粘貼在焊縫處測(cè)量熱點(diǎn)應(yīng)變。而且熱點(diǎn)應(yīng)力通常要除去焊縫局部應(yīng)力的影響，一般是由距焊縫一定距離的某個(gè)區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力外推插值得到的。通常使用的外推插值方法有線性外推插值法和二次外推插值方法，如圖2所示，應(yīng)變片要貼在該插值區(qū)域內(nèi)。插值區(qū)域的應(yīng)力大小要求不受焊縫局部因素(焊縫形狀、焊接質(zhì)量等)的影響，這個(gè)區(qū)域稱為“外推插值區(qū)”。CIDECT(Zhao 等，2001)［13］關(guān)于管節(jié)點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)指南中對(duì)插值區(qū)域界限的規(guī)定如表2所示。

圖2 插值區(qū)域

表2 圓鋼管插值區(qū)域定義

根據(jù)圖2和表2關(guān)于外推插值區(qū)范圍的規(guī)定，可以計(jì)算得到試驗(yàn)中T型管節(jié)點(diǎn)試件的插值基點(diǎn)的選擇范圍，也就是應(yīng)變片的粘貼范圍。試驗(yàn)測(cè)試中，在外推插值區(qū)內(nèi)粘貼應(yīng)變片測(cè)量出插值基點(diǎn)的應(yīng)變，進(jìn)而外推插值得到焊趾處的熱點(diǎn)應(yīng)變或熱點(diǎn)應(yīng)力。

圖3為試驗(yàn)試件的應(yīng)變片布置。對(duì)于未加固的圓鋼管，沿環(huán)向每隔45°設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共八個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置兩個(gè)應(yīng)變片，共16個(gè)應(yīng)變片。對(duì)于環(huán)口板加固的節(jié)點(diǎn)，環(huán)口板四個(gè)邊線的中點(diǎn)分別設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，在拐角處設(shè)三個(gè)測(cè)點(diǎn)，共16個(gè)測(cè)點(diǎn)32個(gè)應(yīng)變片。應(yīng)變片都垂直于焊縫貼在鋼管表面，以測(cè)量垂直于焊縫的應(yīng)變(ε⊥)，然后通過(guò)線性插值得到焊趾處的熱點(diǎn)應(yīng)變。應(yīng)變片寬2 mm，長(zhǎng)4 mm，敏感柵尺寸為1 mm×1 mm，電阻為120．3Ω，靈敏度系數(shù)為2．08。

圖3 節(jié)點(diǎn)應(yīng)變片布置

1．4 試驗(yàn)加載裝置

對(duì)所有T節(jié)點(diǎn)試件的加載在PWS-500四立柱電液伺服動(dòng)靜萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)能夠?qū)節(jié)點(diǎn)試件在軸向施加拉壓作用。T節(jié)點(diǎn)試件的主管兩端焊接上帶銷孔的端板，然后通過(guò)圓形銷子連接到端部固定裝置上。端板和銷子之間可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，從而形成理想的鉸接約束，其裝置如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)加載時(shí)，支管端部可施加往復(fù)軸向荷載，最大軸向荷載量程為500 kN，往復(fù)位移的最大幅值為±75 mm。PWS-500電液伺服動(dòng)靜萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)配置了專門的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)采集施加的荷載以及支管端部軸向位移的大小。

1．5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

應(yīng)變的測(cè)量值采用YDD-1數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如圖5所示，應(yīng)變片與采集箱之間通過(guò)導(dǎo)線聯(lián)通，每個(gè)應(yīng)變采集箱有八個(gè)采集通道。試驗(yàn)時(shí)在支管端部施加軸向荷載，試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集頻率是1 Hz，加載過(guò)程中由圖6所示的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變大小。

圖5 管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變片

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2．1 應(yīng)力集中系數(shù)

試驗(yàn)中，由采集系統(tǒng)得到應(yīng)變值，然后通過(guò)線性插值法可以得到焊趾處的垂直于焊縫的應(yīng)變(ε⊥)。應(yīng)變集中系數(shù)(SNCF)可由下式得到:

圖6 數(shù)據(jù)采集裝置

應(yīng)力集中系數(shù)與應(yīng)變集中系數(shù)之間存在一個(gè)轉(zhuǎn)換關(guān)系:)

其中εn是名義應(yīng)變，它的值可以計(jì)算由(2)式中的名義應(yīng)力與彈性模量的比值得到。ε∥是平行于焊縫測(cè)得的應(yīng)變。

在試驗(yàn)測(cè)試中，參數(shù)c可通過(guò)平行于焊縫的應(yīng)變和垂直于焊縫的應(yīng)變的比值來(lái)確定。c的范圍通常在1．1 ～1．2 之間，本文采用定值 1．1。通過(guò)公式(4)，可以由試驗(yàn)測(cè)試計(jì)算得到的應(yīng)變集中系數(shù)計(jì)算出應(yīng)力集中系數(shù)。

2．2 未加固試件SCF

根據(jù)上述所介紹的SCF計(jì)算方法，得到了未加固T型圓鋼管在軸壓作用下的應(yīng)力集中系數(shù)(表4)。由于管節(jié)點(diǎn)幾何結(jié)構(gòu)、荷載情況和邊界條件的對(duì)稱性，表4列出了管節(jié)點(diǎn)1/4結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中系數(shù)，該值是對(duì)稱部位應(yīng)力集中系數(shù)計(jì)算值的平均值。

表4 未加固節(jié)點(diǎn)的SCF

從表4可以看出，未加固節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)的最大值出現(xiàn)在鞍點(diǎn)(C3)處，而在管節(jié)點(diǎn)冠點(diǎn)部位(C1)的應(yīng)力集中系數(shù)最小。未加固節(jié)點(diǎn)的SCF與CIDECT中提供的SCF參數(shù)公式［13］的計(jì)算值比較見(jiàn)表5。通過(guò)比較可以看出，對(duì)T節(jié)點(diǎn)試件來(lái)說(shuō)，冠點(diǎn)部位的SCF與用公式計(jì)算得到的SCF偏差較小，而鞍點(diǎn)部位的偏差較大?？傮w上，CIDECT提供的SCF計(jì)算值要大于試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果，說(shuō)明CIDECT提供的估計(jì)結(jié)果是安全但相對(duì)保守的，尤其對(duì)試件3#和5#，結(jié)果具有相當(dāng)?shù)谋Ｊ匦浴?/p>

表5 未加固節(jié)點(diǎn)的SCF比較

2．3 環(huán)口板加固試件SCF

表6為試驗(yàn)測(cè)得的環(huán)口板加固T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)值。同表4一樣，表6列舉了1/4節(jié)點(diǎn)的SCF值。從表6可以看出，根據(jù)管節(jié)點(diǎn)試件的幾何尺寸不同，SCF的最大值出現(xiàn)的位置也不同。試件2#的SCF最大值出現(xiàn)在C2點(diǎn)，即環(huán)口板四個(gè)角處沿主管長(zhǎng)度方向的測(cè)點(diǎn)。試件4#和6#的SCF最大值都是出現(xiàn)在C1點(diǎn)，即環(huán)口板沿主管環(huán)向邊的中點(diǎn)處。而試件8#的SCF最大值出現(xiàn)在C3點(diǎn)處，即環(huán)口板的角點(diǎn)處?？傮w來(lái)看，環(huán)口板沿著主管軸向的兩個(gè)端部與主管焊接的角焊縫處應(yīng)力集中系數(shù)最大，而環(huán)口板兩個(gè)側(cè)面與主管焊接的角焊縫處應(yīng)力集中系數(shù)則較小，所以4個(gè)加固節(jié)點(diǎn)的SCF最小值都出現(xiàn)在C4點(diǎn)，而C5點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)也較小。

表6 環(huán)口板加固節(jié)點(diǎn)的SCF

圖7給出了未加固T節(jié)點(diǎn)試件與環(huán)口板加固試件SCF的比較，圖中的0°是自冠點(diǎn)開(kāi)始，沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)鞍點(diǎn)處為90°。從圖7可以看出，與未加固節(jié)點(diǎn)相比，環(huán)口板加固T型管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)的值明顯減小?？傮w上，環(huán)口板加固試件2#和8#相對(duì)于未加固試件1#和7#的SCF的降低幅度最大，如圖7(a)和7(d)所示。而且，原來(lái)未加固試件在鞍點(diǎn)處應(yīng)力集中系數(shù)最大，加固后的管節(jié)點(diǎn)在鞍點(diǎn)處的應(yīng)力集中系數(shù)則非常小，接近最小值，說(shuō)明加固后的節(jié)點(diǎn)發(fā)生疲勞破壞的位置也將改變?；谝陨戏治隹芍?，采用環(huán)口板加固管節(jié)點(diǎn)可以明顯降低T型管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。由S-N曲線可知，焊趾處熱點(diǎn)應(yīng)力的減小可以顯著增加管節(jié)點(diǎn)承受循環(huán)荷載的次數(shù)，使得管節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命延長(zhǎng)。

圖7 加固試件和未加固試件SCF比較

3 結(jié)論

(1)未加固T型圓鋼管節(jié)點(diǎn)在軸壓作用下的應(yīng)力集中系數(shù)的最大值出現(xiàn)在鞍點(diǎn)處，最小值出現(xiàn)在冠點(diǎn)處。環(huán)口板加固T型管節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力集中系數(shù)的最大值位置依據(jù)管節(jié)點(diǎn)尺寸不同而不同，但基本都在環(huán)口板沿著主管軸向的兩個(gè)端部處。

(2)與未加固試件的應(yīng)力集中系數(shù)相比，環(huán)口板加固試件的應(yīng)力集中系數(shù)值明顯減少，從而可以有效降低管節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，延長(zhǎng)管節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。

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