李紅明，王 珂，韓純強(qiáng)

(1.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

海洋平臺(tái)在復(fù)雜惡劣的環(huán)境下工作，除去正常的工作荷載和環(huán)境荷載之外，在其服役期間不可避免地會(huì)遇到各類碰撞問(wèn)題，比如供應(yīng)船與平臺(tái)的碰撞、平臺(tái)上部落下的重物、浮冰對(duì)樁腿的撞擊等。尤其對(duì)老齡化海洋平臺(tái)，由于腐蝕、海生物附著等因素，結(jié)構(gòu)自身的承載能力隨著服役時(shí)間在不斷下降，當(dāng)遭遇碰撞后，將進(jìn)一步惡化其受力性能，嚴(yán)重時(shí)將使平臺(tái)失去承載性能，導(dǎo)致平臺(tái)垮塌。本文以一服役后期老齡化自升式海洋平臺(tái)為例，研究了利用高強(qiáng)CFRP材料加固平臺(tái)樁腿受損部位在碰撞條件下的耐撞性能和受力性能。

CFRP材料在航空、航天、汽車、土木建筑等領(lǐng)域加固中被廣泛應(yīng)用，其加固技術(shù)有高強(qiáng)質(zhì)輕、耐久性好、耐疲勞性能好、減震性能好、適用面廣、便于施工、不改變結(jié)構(gòu)形狀、不影響結(jié)構(gòu)外觀、施工時(shí)不需要大型的機(jī)械設(shè)備、無(wú)濕作業(yè)、工效高等優(yōu)點(diǎn)［1－2］。針對(duì)鋼質(zhì)海洋平臺(tái)的加固，與焊接、卡箍及其灌漿修復(fù)等常用加固方法不同的是，采用CFRP加固修復(fù)鋼結(jié)構(gòu)，可將粘結(jié)面用作于承受荷載作用。加固完成后的鋼構(gòu)件與CFRP形成一個(gè)牢固的整體，原鋼結(jié)構(gòu)所承受的荷載作用透過(guò)粘結(jié)劑傳遞到CFRP上，這樣的應(yīng)力分布更加均勻，極大的緩解了應(yīng)力集中，這些都顯著地提高了結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，增加了結(jié)構(gòu)的使用壽命。同時(shí)針對(duì)本文研究對(duì)象，對(duì)于局部受損和腐蝕的平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)，CFRP加固法無(wú)需破壞原結(jié)構(gòu)的整體性，對(duì)基材的承載能力基本無(wú)削弱，也不會(huì)產(chǎn)生新的應(yīng)力集中源或切斷原材的纖維體［3］，極大地避免了產(chǎn)生破損開(kāi)裂的可能，同時(shí)也避免了鉆孔破壞結(jié)構(gòu)的可能。

1 碰撞機(jī)理理論分析

目前研究鋼管構(gòu)件在側(cè)向撞擊荷載作用下?lián)p傷的方法主要有理論分析法、實(shí)驗(yàn)法和有限元法3種。理論分析法是基于對(duì)損傷區(qū)域進(jìn)行理想簡(jiǎn)化而進(jìn)行的，以剛塑性方法和塑性鉸方法為主［4］。一般情況下，鋼管在側(cè)向載荷作用下，其局部凹陷深度是隨著長(zhǎng)度連續(xù)變化的。API規(guī)范［5］中用于評(píng)估鋼管構(gòu)件碰撞力的推薦公式有如下兩個(gè)，一個(gè)是假設(shè)鋼管構(gòu)件上形成的凹坑區(qū)域?yàn)樾ㄐ危⑶铱紤]了鋼管構(gòu)件局部凹坑損傷而提出的:

式中:Fd為側(cè)向壓力，Mp為鋼管的塑性矩(Mp=σyt2/4)，σy為材料的屈服應(yīng)力，X為凹陷深度，D為鋼管直徑，R為鋼管半徑，t為壁厚。

另一個(gè)是在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，假設(shè)在凹坑中心兩側(cè)的塑性區(qū)域長(zhǎng)度為一常數(shù)3.5D，并用半經(jīng)驗(yàn)的方法提出的一個(gè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較匹配的經(jīng)驗(yàn)公式，API中修正為:

Bai等［6］認(rèn)為，受擠壓荷載作用的鋼管構(gòu)件在載荷作用點(diǎn)的局部線彈性變形可用下式表示:

式中:δE為彈性變形;E為楊氏模量;LC為接觸區(qū)域的軸向特征長(zhǎng)度，與管徑、管長(zhǎng)以及凹陷形狀等很多因素有關(guān)，其它參數(shù)同前。根據(jù)以往關(guān)于LC經(jīng)驗(yàn)公式的研究結(jié)果，可取LC=0.9D。當(dāng)載荷F大于一個(gè)臨界值F0時(shí)，管壁將發(fā)生永久的凹陷變形，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)度為L(zhǎng)C的受壓載荷作用的圓環(huán)的剛塑性分析，可得到臨界載荷:

式中，fy為材料的屈服應(yīng)力。

假設(shè)船舶和平臺(tái)之間發(fā)生碰撞，碰撞時(shí)間遠(yuǎn)小于平臺(tái)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)周期，碰撞后船舶與平臺(tái)一起運(yùn)動(dòng)。碰撞過(guò)程中系統(tǒng)遵守動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律［7－9］。則可得:

其中:ms、mp分別是船舶和平臺(tái)質(zhì)量(包括附連水質(zhì)量)，vs、vp、vc分別是碰撞前瞬間船舶的速度、平臺(tái)的速度及碰撞后船舶和平臺(tái)的共同速度。

由此可以求出碰撞后的共同速度為:

在對(duì)心碰撞過(guò)程中，碰撞前船舶和平臺(tái)的動(dòng)能(包括附加水質(zhì)量提供的動(dòng)能)轉(zhuǎn)化為如下幾種能量:撞擊船的變形能(Es)、平臺(tái)的變形能(Ep)、船舶和平臺(tái)的剩余動(dòng)能(包括附連水質(zhì)量的動(dòng)能)及因摩擦引起的能量損失(Ef)。碰撞前的動(dòng)能在一定程度上被船舶與平臺(tái)結(jié)構(gòu)的塑性變形所吸收，所以碰撞的能量守恒可以表示為:

由式(6)和式(7)可得到:

研究表明，在上述能量中摩擦引起的能量損失很小，通?？珊雎?，即有:

船舶和平臺(tái)碰撞過(guò)程中的能量吸收方程可表示如下:

其中Ps、Pp分別是船舶與平臺(tái)的力和變形的關(guān)系，δs、δp別是船舶與平臺(tái)的變形。

從保守角度出發(fā)，將船體視為一個(gè)剛體，通常忽略船的塑性變形能Es，因此保守條件下平臺(tái)結(jié)構(gòu)吸收的能量為:

對(duì)于自存狀態(tài)下的自升式平臺(tái)，可視為固定平臺(tái)，有vp=0

平臺(tái)結(jié)構(gòu)吸收的能量Ep主要包括:受撞擊鋼管構(gòu)件管壁的局部塑性變形;平臺(tái)構(gòu)件的彈塑性彎曲變形能;平臺(tái)結(jié)構(gòu)的整體變形和彈性振動(dòng)能。在海洋平臺(tái)的碰撞分析中，為安全起見(jiàn)一般設(shè)沖撞物體(如供應(yīng)船等)不產(chǎn)生變形，也即不吸收能量，全部能量均由被撞物體來(lái)吸收。

2 簡(jiǎn)化的碰撞系統(tǒng)數(shù)值仿真模型

某自升式海洋平臺(tái)樁腿為圓殼樁腿，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為60 m，直徑2.100 m，壁厚40 mm。服役后期根據(jù)實(shí)測(cè)及腐蝕速度模型概率分布取樁腿直徑為2.096 m，壁厚38 mm。由于樁腿是薄壁圓鋼管結(jié)構(gòu)，故可以把碰撞系統(tǒng)簡(jiǎn)化為剛性撞擊物撞擊薄壁鋼管。由于PATRAN軟件可以同時(shí)輸出不同材料的仿真計(jì)算結(jié)果，因此利用其建立的有限元仿真模型分兩部分:撞擊物和薄壁鋼管，如圖1所示。仿真模型中，不同材料分別定義，CFRP與鋼分別采用體單元并修改局部單元的材料屬性，通過(guò)連接表面的節(jié)點(diǎn)耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)連接。按照平臺(tái)實(shí)際工作情況并參照海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)中常采用的7≤L/D≤15，鋼管尺寸取L=21 m，計(jì)算中管徑厚比D/t=2.096/0.038=55＜60。薄壁鋼管沿環(huán)向剖分為84等分，縱向每10 mm長(zhǎng)度劃分為一個(gè)單元。整個(gè)模型共劃分了15 300個(gè)單元。撞擊物采用一個(gè)剛性半球，初始速度v=0.5 m/s，共含有7 624個(gè)單元。薄壁鋼管與撞擊物之間采用自適應(yīng)主從接觸，薄壁鋼管采用自適應(yīng)自接觸。圖2為剛性球頭撞擊薄壁鋼管的數(shù)值仿真模型，各材料參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 碰撞模型Fig.1 Collision model

圖2 有限元仿真模型Fig.2 The model of finite element simulation

圖3 碰撞力－時(shí)間歷程曲線Fig.3 Curve of collision force-time

表1 仿真計(jì)算中各材料參數(shù)Tab.1 The main factors of materials in simulation

3 仿真結(jié)果分析

3.1 未加固時(shí)碰撞結(jié)果分析

圖3為碰撞系統(tǒng)中碰撞力隨時(shí)間變化的曲線，其極值為1.676×106N，按式(2)理論計(jì)算值為1.653×106N，誤差1.4%，說(shuō)明了建模的正確性。

圖4、圖5給出了剛性球的速度－時(shí)間和位移－時(shí)間關(guān)系曲線，從圖中看出速度由負(fù)值變?yōu)檎?，說(shuō)明已經(jīng)失去碰撞動(dòng)能而轉(zhuǎn)向反彈了。這里可以看出，整個(gè)碰撞過(guò)程是一個(gè)非常短時(shí)間內(nèi)發(fā)生的動(dòng)力沖擊問(wèn)題。

圖4 剛性球鼻艏速度曲線圖Fig.4 Velocity curve of the rigid bow

圖5 剛性球鼻艏位移曲線Fig.5 Displacement curve of the rigid bow

圖6 鋼管在側(cè)向荷載作用下的變形及放大的橫截面變形圖Fig.6 The deformation of steel tube and its magnified cross section under impact force

仿真計(jì)算得到鋼管的損傷變形形式為局部凹陷變形區(qū)域近似呈菱形，這與以往眾多學(xué)者的實(shí)驗(yàn)相似，見(jiàn)圖6。仿真結(jié)果顯示，薄壁鋼管結(jié)構(gòu)在經(jīng)受球頭側(cè)向撞擊時(shí)，變形主要是撞擊點(diǎn)附近的局部變形和整體橫向彎曲變形。當(dāng)撞頭接觸鋼管表面的開(kāi)始階段，整體變形不明顯，僅有局部變形，表現(xiàn)為球頭接觸部位管壁的凹陷。當(dāng)局部變形較大時(shí)，才有整體彎曲變形產(chǎn)生，此后局部凹陷變形和整體橫向彎曲變形共同起作用。另外，隨著撞擊時(shí)間的推移，剛接觸時(shí)鋼管跨中局部凹陷處對(duì)應(yīng)的右表面(B點(diǎn))有明顯左移現(xiàn)象，說(shuō)明由于左表面(A點(diǎn))發(fā)生凹陷導(dǎo)致鋼管截面發(fā)生橢圓化。隨著變形的增大，鋼管構(gòu)件橫截面的橢圓化越來(lái)越明顯，而截面的橢圓化從一定程度上減弱了鋼管構(gòu)件的側(cè)向承載能力，使橫向位移增加。同時(shí)，由于材料的彈性吸能性能，撞擊結(jié)束時(shí)，鋼管的左右表面均有不同程度的回彈，說(shuō)明部分變形為彈性變形，見(jiàn)圖7。

圖8給出了鋼管的能量－時(shí)間曲線，反映了鋼管構(gòu)件遭受碰撞時(shí)的吸能能力。其極值能力為6.2×104J，式(12)計(jì)算結(jié)果為5.73×104J。從圖中可以看出，隨著接觸面積的增加，鋼管構(gòu)件參與變形的范圍不斷增加，鋼管所吸收的變形能也不斷增加。撞擊結(jié)束時(shí)，鋼管凹陷變形的線彈性部分逐漸恢復(fù)，吸收的部分能量重新轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，引起鋼管振動(dòng)。

圖9是碰撞時(shí)鋼管的極值應(yīng)力分布圖，在服役后期，由于腐蝕等原因使得樁腿的受力性能下降，在壁厚損傷3 mm時(shí)，碰撞點(diǎn)位置最大應(yīng)力達(dá)到231 MPa，與鋼管的屈服應(yīng)力235 MPa相差無(wú)幾，接近鋼管的失效狀態(tài)。必須采取加固手段加固損傷部位，以提高結(jié)構(gòu)的受力性能。

3.2 加固后碰撞結(jié)果分析

CFRP具有良好的吸能能力。由于產(chǎn)生動(dòng)能的初始條件不變，碰撞力不變，在碰撞點(diǎn)位置粘貼CFRP材料加固后，通過(guò)利用CFRP的吸能能力，有效吸收由于碰撞產(chǎn)生的動(dòng)能，減小碰撞對(duì)樁腿的損傷。通過(guò)在腐蝕后的鋼管上粘貼2層0.167 mm厚FTS－C6－30型CFRP布，在碰撞條件不變的情況下，系統(tǒng)總能量不變，而CFRP吸收了大量的碰撞能量(極值34 944 J時(shí)，占總量的56.8%)，鋼管吸收的能量減少(極值26 575 J時(shí)，占總量的43.2%)，見(jiàn)圖10。能量的減少，必然減少鋼管的碰撞損傷，樁腿碰撞損傷的應(yīng)力必然隨之減小。圖11為加固后的應(yīng)力分布圖，其極值應(yīng)力由231 MPa下降到211 MPa，降幅為8.66%。說(shuō)明利用CFRP加固后的樁腿具有比加固前的樁腿更優(yōu)的耐撞性能。

進(jìn)一步增加CFRP厚度，采用CFRP板加固損傷部位。可以預(yù)見(jiàn)，隨著CFRP厚度的增加，其吸收的能量所占比例將不斷增加。圖12表明極值時(shí)CFRP板吸收的能量占系統(tǒng)能量的70.68%，而鋼管只吸收29.32%的耐撞能量。由于CFRP吸收了大部分系統(tǒng)能量，鋼管吸收的能量大幅減少，由碰撞引起的應(yīng)力必然隨之減小。圖13為加固后的應(yīng)力分布圖，其極值應(yīng)力由231 MPa下降到102 PMa，下降幅度達(dá)到了55.84%。圖14所示的是鋼管截面上A、B兩點(diǎn)在碰撞過(guò)程中的位移情況，通過(guò)與圖6比較發(fā)現(xiàn)，雖然最大位移變化不大，但是回彈幅度較大，由原來(lái)的0.030 6 m變化到0.012 52 m，提高幅度達(dá)到59%，撞擊后，鋼管截面實(shí)際只產(chǎn)生微弱變化，說(shuō)明樁腿的耐撞性能進(jìn)一步提高。眾多研究表明，凹陷損傷對(duì)承受軸向壓力為主的圓管截面桿件的極限承載力非常敏感，當(dāng)樁腿有凹陷類損傷時(shí)，會(huì)影響結(jié)構(gòu)的極限承載力，其趨勢(shì)是凹陷尺寸越大，極限承載力下降的越大。所以，在粘貼CFRP板后，樁腿的截面變形回彈較大，凹陷損傷微小，相比加固前其承載力性能大幅提高。

綜合分析可知，對(duì)于老齡化自升式海洋平臺(tái)樁腿結(jié)構(gòu)，可通過(guò)粘貼CFRP布和CFRP板的加固措施，來(lái)提高樁腿的耐撞性能。隨著CFRP厚度的增加，在碰撞系統(tǒng)中分擔(dān)的能量越多，相應(yīng)樁腿吸收的能量越少，樁腿的耐撞性能提高的越大，變化趨勢(shì)如圖15，分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表2。

圖7 A、B兩點(diǎn)隨時(shí)間位移曲線Fig.7 Curve of the point A and B deformation-time

圖8 變形能－時(shí)間曲線圖Fig.8 Curve of distortional energy-time

圖9 碰撞時(shí)鋼管的應(yīng)力分布Fig.9 The stress distribution of pipe under impact force

圖10 粘貼CFRP布時(shí)的能量吸收分布Fig.10 The energy distribution after pasting CFRP cloth

圖11 加固后碰撞時(shí)鋼管的應(yīng)力分布Fig.11 The stress distribution of reinforced pipe

圖12 粘貼CFRP板時(shí)的能量吸收分布Fig.12 The energy distribution after pasting CFRP plate

圖13 粘貼CFRP板時(shí)應(yīng)力分布Fig.13 The stress distribution of pipe reinforced by CFRP plate

圖14 粘貼CFRP板時(shí)A、B位移曲線Fig.14 Curve of the point A and B deformation-time after pasting CFRP plate

圖15 鋼管應(yīng)力與CFRP、鋼管吸能關(guān)系曲線Fig.15 Curve of stress of pipe with energy absorbed by pipe and CFRP

表2 仿真分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.2 The analysis results in simulation

4 結(jié)論

本文采用PATRAN有限元分析軟件研究了簡(jiǎn)化的船舶與平臺(tái)碰撞系統(tǒng)下，CFRP加固樁腿在側(cè)向撞擊載荷作用下，樁腿的損傷變形機(jī)理及能量吸收機(jī)制。分析表明，相同的碰撞條件下，在加固前碰撞力使鋼管產(chǎn)生了接近屈服強(qiáng)度的應(yīng)力，樁腿達(dá)到破壞程度。在粘貼2層0.167 mm厚的CFRP布后，極值應(yīng)力下降了8.66%，提高了樁腿的耐撞性能。在粘貼2 mm厚CFRP板后，樁腿的耐撞性能進(jìn)一步提高，CFRP板吸收的能量占總數(shù)的67.49%，極值應(yīng)力下降55.84%?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著CFRP厚度的增加其吸能的能力越強(qiáng)，加固后樁腿的耐撞性能也越好。由于凹陷損傷對(duì)承受軸向壓力為主的圓管截面桿件的極限承載力非常敏感，當(dāng)樁腿有凹陷類損傷時(shí)，會(huì)影響結(jié)構(gòu)的極限承載力，其趨勢(shì)是凹陷尺寸越大，極限承載力下降的越大。故在碰撞狀態(tài)下，由于CFRP板的吸能能力較強(qiáng)，撞擊后樁腿的回彈非常明顯，凹陷尺度比較小，有效保全了結(jié)構(gòu)的極限承載力，提高了樁腿結(jié)構(gòu)的受力性能。驗(yàn)證了CFRP材料加固自升式海洋平臺(tái)樁腿是一種具有良好應(yīng)用前景的加固方法。

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