(中海油能源發(fā)展裝備技術有限公司 設計研發(fā)中心，天津 300452)

管節(jié)點作為導管架平臺結(jié)構(gòu)設計中關鍵而又薄弱的環(huán)節(jié)，歷來是設計者十分關注的問題。由于導管架結(jié)構(gòu)設計中大多采用簡單管節(jié)點，簡單管節(jié)點指位于同一平面內(nèi)，撐桿之間不搭接，沒有隔板、加筋板及節(jié)點板的節(jié)點，本文主要針對簡單管節(jié)點進行分析研究。管節(jié)點的強度分析方法主要有實驗研究和理論分析兩大類[1]。在工程設計中廣泛采用的是以實驗數(shù)據(jù)為依據(jù)，結(jié)合理論分析而得出的半經(jīng)驗半理論公式方法，API RP 2A針對管節(jié)點的強度分析方法正是基于上述方法。隨著API RP 2A從21版(2000)到22版(2014)不斷的增補和修訂[2-5]，規(guī)范中關于管節(jié)點強度的校核方法改動很大，對管節(jié)點強度提出了更為嚴格的要求。為了探討分析API RP 2A 22版(以下稱22版規(guī)范)規(guī)范對管節(jié)點強度校核的影響，以某導管架平臺其中一個管節(jié)點為例，研究管節(jié)點校核的方法，并具體分析管節(jié)點各構(gòu)造參數(shù)對管節(jié)點強度的影響。同時，對目前工程實際及理論研究中不同的管節(jié)點加強方法進行總結(jié)，分析其對管節(jié)點強度的影響。

1 管節(jié)點強度校核

API RP 2A 22版規(guī)范對于管節(jié)點的強度校核分為基本承載能力校核和最小承載能力校核[6]，要求兩者同時滿足規(guī)范要求。簡單管節(jié)點構(gòu)造示意于圖1。

圖1 簡單管節(jié)點構(gòu)造示意

1.1 基本承載能力校核

基本承載能力校核針對導管架平臺中的所有管節(jié)點，要求所有管節(jié)點強度校核結(jié)果滿足規(guī)范要求；API RP 2A 22版規(guī)范規(guī)定對于簡單管節(jié)點，撐桿的軸向荷載容許能力為

(1)

撐桿的彎矩容許能力為

(2)

式中：Fs為安全系數(shù)，靜力工況Fs=1.6，地震工況Fs=1.0；Qu為強度系數(shù)(與節(jié)點類型和幾何構(gòu)造有關)，參見API RP 2A 22版表格7.2；Qf為弦桿載荷系數(shù),

(3)

其中：A為系數(shù),

(4)

Fyc為弦桿的屈服強度或0.8倍的抗拉強度，取較小值；

除此之外，22版規(guī)范針對T/Y和X型管節(jié)點，還考慮弦桿加厚段對承載能力的影響，具體修正如下。

Pa=[r+(1-r)(Tn/Tc)2](Pa)c

(5)

式中：(Pa)c按照公式(1)計算；Tn為弦桿的名義厚度；Tc為弦桿的加厚段厚度。

經(jīng)過上述計算，管節(jié)點基本承載能力校核公式為

(6)

1.2 最小承載能力校核

通常，由于失效機制及對周圍結(jié)構(gòu)影響的不確定性，管節(jié)點優(yōu)于支撐之前失效是不可取的。22版規(guī)范最新提出了最小弦桿容許能力要滿足50%撐桿有效強度的要求，以提高節(jié)點和桿件的相對可靠性來確保平臺的冗余度。

此外，最小承載能力要求，對結(jié)構(gòu)在不可預測荷載如裝船過程中支撐失效、下水或吊裝期間不可預期的環(huán)境條件、碰船及墜物等作用下提供了安全保障。

最小承載能力校核如下。

(7)

式中：Pa為撐桿的軸向荷載容許能力，見式(1)。Fa為撐桿的有效強度。撐桿的有效強度為主要承受拉力的撐桿的屈服強度，或者指主要承受壓力的撐桿的極限屈服荷載，極限屈服荷載計算時應該考慮非彈性因素。

當撐桿受拉時，F(xiàn)a=Fby

當撐桿受壓時,

(8)

值得注意的是，在工程實際中，最小承載能力校核針對主要管節(jié)點，設計者可以根據(jù)所設計結(jié)構(gòu)的重要程度加以判斷，如某些附屬構(gòu)件管節(jié)點失效不會引起重大的安全及環(huán)境影響，如隔水套管導向支撐框架、立管及護管的支撐等節(jié)點，該類次要節(jié)點可不考慮50%的撐桿有效強度要求。

此外，對于地震工況下的管節(jié)點校核，22版規(guī)范明確提出，當強度水平地震位于地震區(qū)域1(1.0 s地震譜加速度大于0.03g)[7]及更大時，對于不進行冗余度分析的L-2平臺，要考慮100%的撐桿有效強度。

(9)

管節(jié)點設計時應該注意，與主腿相連的管節(jié)點應進行100%撐桿有效強度校核。

2 管節(jié)點強度校核影響因素分析

以秦皇島33-1南某平臺上部組塊結(jié)構(gòu)為例，選取圖2所示管節(jié)點進行計算分析。

圖2 管節(jié)點結(jié)構(gòu)及局部模型

通過在SACS整體模型中計算不同參數(shù)下管節(jié)點強度，分析不同管節(jié)點參數(shù)對管節(jié)點校核結(jié)果的影響。該管節(jié)點各主要參數(shù)如下。

弦桿直徑1 829 mm、壁厚40 mm；撐桿直徑914 mm、壁厚38 mm。

弦桿與撐桿夾角37°；

鋼材屈服強度355 MPa。

該管節(jié)點在整體模型中，弦桿和撐桿端部荷載見表1。

表1 弦桿和撐桿端部載荷

該管節(jié)點的基本承載能力校核UC值為1.805，最小承載能力校核UC值為1.480，均不滿足規(guī)范要求。

以下從提高管節(jié)點強度的影響因素出發(fā)，探討分析不同因素對管節(jié)點強度校核的影響。

2.1 弦桿壁厚

采用增加弦桿壁厚的方法，可以有效提高弦桿的強度，見圖3。

圖3 管節(jié)點UC值與弦桿壁厚的關系

可以看出，隨著弦桿壁厚增加，該管節(jié)點的基本承載能力UC和最小承載能力UC值明顯降低，當弦桿壁厚到達60 mm時，管節(jié)點的基本承載能力和最小承載能力均滿足規(guī)范要求。由此可見，增加弦桿壁厚對提高管節(jié)點強度效果顯著。

2.2 撐桿的直徑與壁厚

從弱化撐桿強度的角度考慮，在保證撐桿的桿件強度滿足規(guī)范要求的前提下，可以減少撐桿的壁厚。弦桿尺寸保持不變，通過降低撐桿壁厚來提高管節(jié)點強度。管節(jié)點UC值與撐桿壁厚的關系見圖4。

圖4 管節(jié)點UC值與撐桿壁厚的關系

隨著撐桿壁厚不斷減小，管節(jié)點的基本承載能力UC值基本不變，而最小承載能力UC值顯著降低，說明撐桿壁厚對基本承載能力影響不大，但是能顯著影響最小承載能力的校核結(jié)果。

另外，增加撐桿的直徑可以有效提高撐桿的彎矩容許能力，從而達到提高管節(jié)點強度的目的。弦桿尺寸保持不變，通過增加撐桿直徑來提高管節(jié)點強度。管節(jié)點UC值與撐桿直徑的關系見圖5。

圖5 管節(jié)點UC值與撐桿直徑的關系

隨著撐桿直徑不斷增加，管節(jié)點的基本承載能力UC顯著降低，而最小承載能力校核UC也有所降低，說明增加撐桿直徑對管節(jié)點強度校核有一定作用，設計中可根據(jù)實際情況進行調(diào)整。

2.3 措施

1)在設計中考慮在撐桿受力較小部位增加弱截面設計，通過降低撐桿的有效強度來降低管節(jié)點校核的UC值。在上述管節(jié)點的撐桿中加入長度為1.0 m的914 mm×19 mm弱截面，管節(jié)點基本承載能力校核UC值從1.805降到1.732，而最小承載能力校核UC值從1.480降到0.759。

2)對于弦桿內(nèi)部可設置加強環(huán)的管節(jié)點，設置加強環(huán)可以明顯提高管節(jié)點的基本承載能力和最小承載能力[8-9]。設置加強環(huán)后的管節(jié)點強度校核，可以采用等效壁厚、理論分析或者有限元分析的方法進行計算。弦桿內(nèi)部設置加強環(huán)結(jié)構(gòu)見圖6，該方法在工程實踐中得到了非常廣泛的應用。

圖6 內(nèi)部加強環(huán)型管節(jié)點

除上述工程常用方法之外，近年來學者對管節(jié)點的其他加強方法也進行了大量研究，包括環(huán)口板加強型管節(jié)點及套管加強T型管節(jié)點、節(jié)點形式見圖7和圖8。

圖7 環(huán)口板加強型管節(jié)點

圖8 套管加強T型管節(jié)點

文獻[10] 運用有限元方法對環(huán)口板加強的T型圓鋼管節(jié)點進行了平面內(nèi)彎矩作用下的承載力分析，結(jié)果表明環(huán)口板加強在承載力方面提高的有效性。文獻[11]在理論研究和實驗驗證的基礎上，提出了套管加強T、X型管節(jié)點，并得出了套管加強T、X型管節(jié)點在軸向力、平面內(nèi)彎矩和平面外彎矩作用下的極限強度簡易計算公式。針對工程中的特定管節(jié)點(如導管架腿部管節(jié)點內(nèi)部設置樁基，無法設置內(nèi)部加強環(huán))，可以考慮應用上述方法進行分析和驗證，將研究成果與工程實際有效結(jié)合起來。

3 結(jié)論

1)從提高弦桿強度的角度出發(fā)，增加弦桿壁厚對提高管節(jié)點強度能起到立竿見影的效果。

2)從弱化撐桿強度的角度考慮，減少撐桿壁厚可有效降低管節(jié)點最小承載能力UC值。

3)加大撐桿直徑可以降低管節(jié)點基本承載能力UC值。

4)在撐桿中合理設置弱截面，或者在弦桿內(nèi)部增加加強環(huán)，均可以改善管節(jié)點強度，而前者對最小承載能力校核更為有效。 除此之外，針對新型管節(jié)點加強方法如環(huán)口板、套管等外部加強形式，可結(jié)合工程實際進行進一步分析與驗證。