第2章修1-有损伤结构可靠性分析_9750827

1、一：概述 实际结构在使用过程中难免会发生局部损伤。以近海平台结构为例，因为它们在复杂恶劣的环境中工作，除去正常工作和环境载荷外，由于意外的事故，如给养船只与平台的碰撞或重物坠落等，造成某些构件局部损伤。这些损伤不断累积以及加上灾难性外界环境造成1980年“亚历山大.基兰德”号海洋平台在挪威近海倾覆。类似事故还有1967年“海宝”号和1982年“海洋徘徊者”海洋平台分别在英国北海毁坏和在美国海域倾覆，均造成人员伤亡和巨大财产损失。这些事故使人们对海洋开采平台在受损伤后的安全问题引起极大关注。研究这些事故发生原因，有技术性的，也有结构强度方面的。从统计来讲，由于结构强度不当引起事故有40%，占现已

2、知事故的首位。可见在海洋平台的设计、建造和使用过程中，保证结构具有足够的强度是至关重要的。为了做到这点，以往确定性分析和完整结构可靠性分析就显得不够了。有必要引入不完整结构的可靠性问题。 无容质疑，损伤降低结构的可靠性，提高了结构的破坏概率。现有近海平台主要构件常常由圆柱壳构成。管状体（充填与未充填）受压变形模型 无容质疑，损伤降低结构的可靠性，提高了结构的破坏概率。现有近海平台主要构件常常由圆柱壳构成。管状体三点弯曲变形分布形式管状体三点弯曲应力分布形式二：圆柱客体受冲击后的凹陷模型海洋平台在波涛滚滚的大海中难免会受到给养船的碰撞，而碰撞等效一个冲击载荷，为了预测冲击载荷造成的损伤，现有的研

3、究表明：结构所承受冲击载荷的能力不是材料的极限载荷，而是结构对冲击能量的吸收能力大小决定。这样碰撞的问题可处理为能量的输入和结构是否有能力吸收这个能量？因此，将碰撞动力学问题转化为准静态载荷作用问题。对于这类问题必须进行一些假设，解决问题的途径才可能实现。因此，从最坏的情况假设：碰撞物（供给船）为完全刚体，即在碰撞的过程中不吸收能量，全部能量由被碰撞结构所吸收。海洋平台构件吸收碰撞能的方式主要是局部凹陷变形和整体弯曲变形两种。由此决定损伤形式如下：1、局部凹陷。一般发生在园壳构件较短，且薄壁的支撑结构中，由锋利刚性结构的碰撞所引起；2、无凹陷的整体弯曲。这种可能出现在较长（高）且厚壁的支撑结构

4、中，通常由软的、可变形的结构作用所引起；3、局部凹陷和整体弯曲同时发生。此时损伤圆柱壳体一般伴随着复杂的残余应力，精确的分析需要借助于三维模型分析。 为了验证这些破坏模式，不少学者做了一些，分析公式均较复杂，可靠性分析使用时较困难。其中邵文蛟等提出一种完全塑性模型。采用了如下假设：（1）、假设材料为各向同性和理想塑性；（2）、只考虑构件的轴向应力,剪切和环向应力忽略；（3）、残余应力对塑性极限载荷影响很小，忽略不计；（4）、最深凹陷处有一扁平部分。圆柱壳体受船舶或坠落物的撞击，其典型的凹陷如图所示，图中S为凹陷区损伤部分的弧长，0为凹陷深度。随着轴向应力的增加，在达到极限载荷前损伤圆柱壳的力学

5、性能可分成三个阶段：阶段I：轴力较小时，圆柱壳产生几乎均布的轴向应力，而不引起初始侧向位移。慢慢由于凹陷影响，使凹陷区产生挤压和弯曲，达到屈服应力，凹陷区就塑性化了，这时的轴向力和应力分别记为Ppd,pd。阶段II：凹陷区塑性化后，此部分已不能再承受更大的轴力，进一步增加的外力只能由未损伤部分来承受。慢慢临近凹陷处的应力达到屈服应力s，此时的轴力为初始屈服载荷Pfs，相应的应力为fs。阶段III：随着轴力的增加，圆柱壳凹陷处整个界面逐渐进入塑性，直到全部塑性化形成塑性铰，构件已经伤失承受更多载荷的能力，此时，轴力为Pu，相应的极限应力为u。首先考虑第I阶段，损伤圆柱壳并使凹陷塑性化的应力为pd

6、,则作用于凹陷区的轴力为：SHPpdpd)cossin(2DPMpdpd式中:S为损伤部分弧长；H壳体厚度。该轴力如偏心作用于凹陷区引起的弯矩为：为损伤部分的形心离凹陷区扁平部分的距离，且满足上述关系。损伤部分交角之半。SCHPCSCHMspdspd)2()(根据凹陷损伤部分受力图（如下所示）,HHspd/ )24(22最大拉压应力值不等?sinsin2)2(22)2(2DeHDMDHPdsAsA当未损伤部分圆柱壳截面全部进入塑性时，在轴力和弯矩共同作用下，截面的应力分布由下图给出，此时轴力和对中性轴AA的弯矩分别为：的意义为凹陷区未损伤部分（D-S)的偏心。sin2Ded的意义为凹陷区未损伤

7、部分（D-S)的偏心。spspHDMDHP2显然0相当于未损伤圆柱壳情况，如令0和弯矩中的/2，可得未损伤圆柱壳在轴力和弯矩单独作用下的完全塑性载荷分别是：0sin21)22cos(pApAdpAPPPPDeMM得到完全塑性的屈服条件：pdAdpdpdAPPPDePMMM)cos2(三、损伤圆柱壳体的极限状态方程0sin21)22cos()cos2(1ppdppdddpdpdpPPPPPPDeDePMMM损伤圆柱壳体的极限状态方程如果忽略Mpd和Ppd对中性轴的影响，这是因为它们相比MA,PA是个小量，因此不计Mpd和Ppd对中性轴AA的影响 。损伤壳体承受的轴力和弯矩分别表示为：损伤圆柱壳体

8、的极限状态方程基于凹陷壳体的屈服线破坏结构理论用屈服条件求损伤构件的极限载荷89 J. Taby, T. Moan. Norwegian Maritime Research, 1981, 2: 26-33.90 C.P. Ellinas, ASCE, No. Se2, 1984, 110:245-259极限应力四、损伤圆柱壳体的可靠性分析BACLaLVH为简化起见，取如图所示的门式结构为例，在B点受水平和铅垂载荷作用。假设杆件AB为圆柱壳体，在C点受到其他结构的碰撞而发生凹陷损伤，杆件AB及凹陷数据取自文献89，如表所示。变量平均值COV圆柱壳直径D(mm)圆柱壳厚度H(mm)凹陷深度0(mm

9、)弯曲位移d0(mm)载荷V=0.4Pp(N)载荷H=0.01Pp(N)125.142.046.252.5965442.51636.10.001110.028750.200000.200000.200000.20000HaedHVMHVPd)(0由结构的平衡方程得到C点的轴力P和弯矩M分别为：假定载荷V和H是相关的且相关系数为0.3，而其他变量均是相互独立，根据损伤圆柱壳体的极限状态方程，求得可靠性指标：相应的破坏概率为：%2895. 5fP617. 1MM如果圆柱壳体AB没有出现损伤，则C点不会发生凹陷。此时，圆柱壳体AB的最危险点在B点，以B点作为危险截面，求得不发生损伤的可靠性指标=3.

10、1515。则相应的破坏概率为Pf=0.0812%。BACLaLVH由此可见，因撞击将大大降低结构的可靠性。随着载荷的增大，可靠度逐渐降低，由于凹陷参数d和的增加，使得结构破坏概率上升很快。五、管接头极限强度公式 近海采油平台以圆柱壳体为主要构件，在圆柱壳之间的交接点，其应力集中系数和极限强度是整座海洋平台使用寿命的最要指标。为此，管接头强度问题长期以来被人们所重视。常见的管接头形式管接头受载方式判定管接头破坏准则：判定管接头破坏准则：试验中得到最大载荷；试验中得到最大载荷；首次出现开裂的载荷被认为是极限载荷；首次出现开裂的载荷被认为是极限载荷；位移达到一定值时，载荷为极限载荷。位移达到一定值时

11、，载荷为极限载荷。影响管接头强度的几个几何参数影响管接头强度的因素很多，如加载方式、焊接形式、材料特性等。影响管接头强度的因素很多，如加载方式、焊接形式、材料特性等。但在实际中同一材料和相同加工情况下，几何参数影响管接头强度但在实际中同一材料和相同加工情况下，几何参数影响管接头强度成了主要因素。成了主要因素。如图所示的三种常见管接头为例，考虑几何参数的变化导致的强度如图所示的三种常见管接头为例，考虑几何参数的变化导致的强度变化。变化。影响管接头强度的几何参数一般以无量纲参数表示：影响管接头强度的几何参数一般以无量纲参数表示： d/D它代表支管向弦管传递载荷的集中因子，直接影响弦管它代表支管向弦

12、管传递载荷的集中因子，直接影响弦管与支管交接处的应力分布，是管接头强度分析的重要参数；与支管交接处的应力分布，是管接头强度分析的重要参数； D/(2H)它是弦管的径向柔度参数，当它是弦管的径向柔度参数，当 较小时，较小时， 对管接头强对管接头强度影响不大，但当度影响不大，但当 0.6时，一般不能忽视时，一般不能忽视 的影响；的影响； h/H它表示弦、支管相对的抗弯刚度。它是管接头应力分布它表示弦、支管相对的抗弯刚度。它是管接头应力分布的一个重要参数，但对管接头的强度影响不大；的一个重要参数，但对管接头的强度影响不大； 为支管与弦管轴线倾斜角度，因为支管轴向载荷主要通过弦为支管与弦管轴线倾斜角度

13、，因为支管轴向载荷主要通过弦管局部弯曲和沿厚度的剪切来承担，因此只有垂直于弦管轴向分量管局部弯曲和沿厚度的剪切来承担，因此只有垂直于弦管轴向分量的载荷才有意义，而水平分量载荷则通过弦管压缩或拉伸来传递；的载荷才有意义，而水平分量载荷则通过弦管压缩或拉伸来传递； g/D它的物理意义是表示载荷从一支管传递到另一支管时在它的物理意义是表示载荷从一支管传递到另一支管时在弦管壁上产生局部弯曲的相互作用的影响；弦管壁上产生局部弯曲的相互作用的影响；除上述几何参数对强度的影响外，还需考虑交接面长度因子除上述几何参数对强度的影响外，还需考虑交接面长度因子Ka、交、交接面截面因子接面截面因子Kbi、Kb0；si

14、n4sin/13)sin11 (210bbiaKKK管接头强度的几个计算公式轴向压缩：T、Y型接头类型ayuKQHP)55.28415. 0(sin2双T型接头类型ayuKQHP)2 .150 . 3(sin2K 型接头类型agyuKQQHP)12.22014. 4(sin2管接头强度的几个计算公式轴向拉伸：T、Y型接头类型ayuKQHP)7 .2376. 5(sin2面内弯曲：T、Y型接头类型gbiyuQQKHdM5 . 02)505. 457. 0 (sin面外弯曲：T、Y型接头类型05 . 002)418. 1444. 0(sinbbyuKQKHdM0.6 )65-(10.3 0.6 0

15、 . 1Q) 1 1.0 20 4-1.8 20 2 . 08 . 1ggQQ其他（当实际管接头往往是上述载荷的组合下工作的，为此需要建立组合载荷下的管接头强度公式。考虑到可靠性分析中不便于使用复杂的数学公式，通常有：0 . 1)()(2 . 11 . 2OPBuIPBuuMMMMPP面内弯曲面外弯曲六、有损伤构件海洋平台的可靠性分析 海洋中作业的平台有很多类型，本教程以固定式平台的导管架型平台为例介绍其结构可靠性分析方法。导管架型平台一般由下列几部分组成： 桩与海底固定受侧向和垂直载荷。 导管架作为桩的侧向支撑物。 上部结构由框架和甲板组成，用来支撑作业载荷和其它载荷。 对于这类结构可近似处

16、理成框架系统。由于这类平台中节点都是圆柱壳相交而成的管接头，因管接头效应使得节点的极限承载能力下降，从而使整座平台的可靠性降低。 在海洋中作业，时常发生供应船与平台的碰撞，为计算由碰撞所引起的对平台构件的损伤影响，可用前面提到的全塑性模型，该模型较好地计算损伤构件地极限承载能力。 设供应船的质量为m，碰撞速度为Vi,被碰撞平台圆柱壳构件的直径为D，厚度为H，则被碰撞点的凹陷深度为： 可靠性分析是把各种不定因素汇集在一套计算方法中，然后用它去预测大量可能的破坏事件中每一事件发生的概率。根据计算结果及各种失效后果的了解，就可对结构体系作出合适的决策。3/2220)0255. 0(yiiDHVmD

17、在可靠性分析中需要确定随机变量的统计数字特性以及随机变量的分布特性等。 对海洋平台的随机变量主要是环境载荷及结构自身的材料等参数，如风、浪和海流引起的外力。由风引起的载荷估计为：)( 0473. 01NACVFsw风速（km/h)形状系数受风物体的面积 对作用于海洋平台的波浪载荷是具有动力性质的，对近海大多数设计水域，这些载荷可以用等效晶粒载荷来简化处理，它们作用在圆柱壳上的波浪力可分为曳(ye)力和惯性力之和：F2在单位长度上，垂直作用于构件轴线的波浪矢量(N/m);FD在单位长度上，垂直作用于构件轴线的曳力矢量(N/m);FI在单位长度上，垂直作用于构件轴线的惯性力矢量(N/m);dtdu

18、DCuuDCFFFmdID2225. 05 . 0 Cd曳力系数；单位体积水的重量(N/m3);D圆柱体构件的直径(m);Cm质量系数；u垂直于构件轴线的水质点的速度分矢量(m/s),且 )()(KdshZdchKTHuwHw波高；T波周期；K2/L；L波长(m)；d水面到海底垂直距离(m)；Z构件离水面的垂直距离；du/dt垂直于构件轴线的水质点的加速度分矢量(m/s2)。 海流在固定平台的设计中是很重要的一项，因为它影响到船舶、平台及防撞装置的位置和方位，也是作用在平台上的主要外力之一。根据美国石油协会(ADI)标准建议的计算海流力公式：F3在单位长度上的曳力(N/m);AVCFsd235 . 0Cd曳力系数；Vs海流速度(m/s);A单位长度上的投影面积(m2/m);注意的是：根据这些参数，可以进行海洋简易平台的可靠性分析。不同海域的设计平台，各规范要求不同的风速Vw，波高Hw和海流流速Vs。建议考虑取Vw服从极值I型分布，其变异系