用迈纳的疲劳累积损伤规则来估算节点的疲劳寿命课件

1、 平台所受的地震力与其他动力载荷的输入机理不同，它是由于地面运动而将地震力传给桩 ，再从桩传到导管架。 地震力的强度依赖于结构与基础的刚度，由于结构与基础单元的非弹性屈服或屈曲，因此当结构刚度较小时，地震力通常可以减小，这与其他环境载荷不同。地震力的输入机理上节内容回顾在一般术语中，一个构件或结构的延性可用下列比值来定义，即破坏时的变形/屈服时的变形。“变形”可通过挠度、扭转或曲率计量。在结构中，延性对于地震问题特别重要，因为，在非弹性范围内与延性相伴随的是强度增长。延性上节内容回顾规范中给出了设计烈度为7、8、9度的地震载荷计算，对于设计烈度高于9度的地震载荷则要进行专门的研究。“烈度”是地

2、震结果的定性计量，指的是在规定地点处震动程度，7度时，地面加速度峰值约为100Gal(cm/s*2)；8度时，地面运动加速度峰值约为200Gal左右；9度时则约为400Gal。设计烈度一般采用所在海域的基本烈度。对次生灾害严重的平台和特别重要的平台，可将基本烈度提高1度作为设计烈度。烈度上节内容回顾 为了提高平台的吸能能力，可采取下列措施 (1)加强主要构件连接处的强度； (2)在结构与基础中，应当有一定的强度余量，使在地震中主要构件损坏后，还能进行载荷重分布； (3)在总体设计图及详图中，应避免引入会使刚度和强度产生急剧变化的构件； (4)避免选用在强震载荷下的脆性材料； (5)要考虑到由地

3、震运动引起的相反方向的载荷影响。平台的吸能能力上节内容回顾 施工阶段的载荷主要有：吊装力、装船力、运输力、下水力、扶直力和土壤的安装反力施工载荷上节内容回顾重力式平台的设计必须满足安全与功能两个方面的要求：(1)安全要求：使平台在建造、运概、安装、作业等各个阶段都具有一个可以接受的安全水平；(2)功能要求：使平台结构满足各种特定的功能和正常的使用要求，混凝土重力式平台一般都有一台多用的特点，既可用于钻井、采油、生产，又可用于贮油和系泊等。海上混凝土重力式平台结构除了安全性与功能要求与陆上结构不同外，在环境载荷和结构尺寸方面也有很大的区别。对于重力式平台而言，强度、材料质量与耐用性是结构设计的主

4、要要求，本节就强度分析作简要介绍。重力式平台的设计要求上节内容回顾 波浪载荷和地震载荷具有动力特征，且起控制作用，因此必须对混凝土重力平台进行动力分析。重力式平台的动力分析上节内容回顾(1)把平台作为单自由度系统，按等效静力法计算，将载荷动力放大。(2)把平台作为多自由度系统将载荷作为瞬变载荷，按瞬时反应进行分析。(3)谱动力疲劳分析法，可同时考虑结构的瞬时反应与循环载荷作用下结构的疲劳特点。其中第1中方法误差较大，方法2不能反应疲劳特性，方法3还未完全实用。重力式平台动力分析的方法上节内容回顾 重力平台地基可能发生破坏的形式一般有三种，即承载力破坏、水平滑移和倾覆。平台承载力破坏的模式主要有

5、三种： (1)局部剪切破坏。破坏直接发生于基底，滑动体一般为开始于基底边缘的楔形块体； (2)整体剪切破坏。破坏时具有一个完整的、确定的破坏面，常发生在基础埋置较浅的密实砂土层中； (3)冲剪破坏。一般发生于基础埋置较浅的松散土中，尤其在平台下沉至海底的瞬间。重力式平台地基破坏形式上节内容回顾重力式平台拖船、安装受力分析1施航稳性与船舶一样，当重力平台漂浮在水面时，受到环境力的作用，也具有初稳性与大倾角稳性的问题，但由于其长，宽方向尺度基本相等，因此无纵倾与横倾之别。在拖航过程中，应用模型试验确定拖轮的数量和布置，以及拖缆的作用力。2安装平台的安装对平台的寿命有很大的影响，平台拖运至海上安装点

6、后，一般可用加入海水压载的方式使平台下沉，下沉速度要精确控制。当巨大的沉箱顶面沉没时，由于平台水线面积变小，稳心高度损失很大，此时平台很容易倾覆。在安装过程中，必须对结构进行监测。上节内容回顾第七章 节点强度与疲劳分析平台的节点，由于不可避免地存在着结构的不连续性和焊接、加工的缺陷，因此有很高的应力集中，此外焊接残余应力又会造成金属的局部塑性变形，这样在交变载荷、低温、海水腐烛等作用下接头高应力区的危险点将会首先发生疲劳裂纹，并逐渐扩大而使节点破坏，甚至完全裂开(见图7-1)。 在不少平台以及其它海洋工程结构中，整个结构的破坏往往就是在交变载荷作用下节点首先出现疲劳破坏而引起的。因此如何合理设

7、计节点结构，提高其疲劳寿命已经成为海洋平台设计的一个重要课题。图7-1 平台管节点(1)管节点应力分析；(2)管节点承载能力研究；(3)管节点疲劳试验研究；(4)焊接管节点海水腐蚀试验研究；(5)管节点制造工艺研究；(6)管节点疲劳设计方法研究。(7)管节点疲劳寿命的断裂力学分析方法研究； (8)进口材料管节点试验研究；(9)管节点用钢的研究； (10)平台规范中有关管节点条文的修订。3.5.2 弦杆、撑杆和管结点3.5.2.1 撑杆的壁厚应不超过弦杆，且通常应使弦杆受到较大的内力。弦杆在结点处应有足够加强。3.5.2.2 焊缝接头应尽量布置在应力集中区域之外，且应符合本篇 1.5.5 的焊接

8、要求。3.5.2.3 管结点的要求可参照本社海上固定平台入级与建造规范。CCS海上移动平台入级与建造规范(2005)规定CCS 浅海固定平台规范5.7.3 简单管结点及其分类 5.7.3.1 简单管结点是指主要的撑杆间不搭接、不用结点板、隔板或加筋板的结点。 5.7.3.2 根据撑杆受力情况,管结点的类型可分为 K、T、Y 和交叉型。K 型结点就是一撑杆中的冲剪载荷实质上为位于结点同一边的同一平面内的其他撑杆所平衡。对于 T 和 Y型结点，撑杆中的冲剪载荷被弦杆中的剪力平衡。交叉型结点中，一侧撑杆的冲剪力是通过弦杆传给另一侧撑杆的。对于部分像K结点,部分像 T 和 Y或交叉结点那样承受载荷的撑

9、杆,应根据各自所承担的总载荷的份额确定其结点形式。本章主要内容7.1 平台的节点型式7.2 管状节点的应力状态和破坏形式7.3 管状节点的冲剪应力校核7.4 管状节点的疲劳校核 7.1 平台的节点型式平台的节点按其结构型式分为管状节点和箱型节点两大类。一、管状节点 这种节点直接由管子焊接而成。这类节点主要用于钢质固定式平台的导管架结构和自升式平台的桁架式桩腿结构等。图7-2(a)为管状节点的示意图。其中直径较小的称为撑管，直径较大的称弦管，撑管被截断后直接焊接到整体的(不开孔的)弦管上。撑管与弦管有不同的连接形式，并且一根弦管上不止连接一根撑管。因而形成图示的T型、Y型、K型和TK型的管状节点

10、。7-2管状节点示意图 (a)管型节点 (b)箱型节点渐变段为了增加节点的强度，采取局部加强措施。将节点附近的弦管壁局部加厚。这种增厚的部分称为节点罐。在接头处加肘板或撑板。加撑板的目的是为了增加撑管与弦管的焊缝长度，以便使撑管传来的载荷分散到较大的面积上。但撑板与管子连接线处的应力集中仍很严重。因此近年来加撑板的管节点使用较少，大多数管节点的加强措施还是用局部增厚或者用具有更高屈服强度的材料铸造成节点罐的形式。图7-3 节点局部加强措施 二、箱型节点 这种节点主要用于半潜式平台的立柱与下浮体、立柱与桁撑、桁撑与平台甲板的连接处。 半潜式平台下浮体，立柱及桁撑等结构的尺寸较大，因此半潜式平台的

11、接头属于大型节点结构。目前大型节点大多采用从管型到箱型的过渡，从而出现了箱型节点。 特点：1.与管型节点相比，箱型节点的外形比较简单，制作比较容易。箱型节点可采用直线焊缝，因而焊接条件好，有利于提高焊接质量；焊缝探伤也较管型节点的曲线焊缝方便，容易保证探伤的精度。箱型节点的载荷传递比较平顺，应力分布均匀，若设计得好其应力集中系数可不超过2.而管型节点的应力分布复杂，应力集中系数达6-10或更高。虽然在某种程度上箱型节点在重量和水阻力上不可避免地有所增加，但它们只相当于在结构钢材总重量上增加0.1%-0.4%，这在实际上可忽略不计。7.2 管状节点的应力状态和破坏形式 在平台的结构设计中，管状节

12、点应力分析是在平台总强度分析的基础上进行的。 首先对平台总强度作分析，计算出各管状构件的总体应力，这种应力称为名义应力。在一般情况下，管状节点的名义应力包括轴向(拉、压)应力、弯曲应力和扭转应力。但实践证明，在这些名义应力中，对撑管来说主要是轴向应力，弯曲应力占第二位，扭转应力则更小。因此在目前的管状节点分析中常认为撑管只受轴向力作用，并认为撑管通过弦管来传递载荷。这样，管状节点的基本受力状态就是撑管受轴向力的状态。对K型节点则总是一根撑管受拉而另一根撑管受压，常见的力学计算模型如图7-4所示。图7-4 管状节点力学计算模型 一、最大应力及应力集中系数节点的受力状态虽然相当简单，但其应力分布却

13、是比较复杂的。这主要是由于撑管与弦管在连接处的几何形状不规则，加上撑管在轴向有较大的刚度，而弦管在连接线上各点沿受力方向的刚度又不相同，这就使得撑管与弦管在连接线处相互作用的力分布很不均匀，从而导致管状节点的应力分布比较复杂。现以T型节点为例，加以说明，并假定撑管受拉力。如果这个拉力均匀的传给弦管且弦管能自由变形的话，则弦管的截面将由原来的圆形变为椭圆形。但事实上撑管是焊接在弦管上的，弦管的变形受到约束。这样弦管的变形将介于圆形与椭圆形之间。这种变形的产生就相当于在自由弦管上增加了一组附加应力。这种应力在撑管与弦管连接线的最高点为压应力，而在最低点为拉应力，并形成一自身平衡力系(图7-5(c)

14、。若此附加应力与均布的拉应力叠加就使得节点在连接线处出现驼峰状的形状。图7-5 管状节点力学计算模型图7-6 T型节点力的应力分布现有理论分析和试验研究结果表明，简单T型节点的应力分布如图7-6所示。 从图7-6可以看出，对于弦管，它在与撑管相交处在最低点A点沿周向有最大应力，然后沿周向衰减并改变符号(见图7-7(a)。这种应力分布规律基本上适应于弦管各个断面。但应力的幅值随距节点距离的增加很快衰减。对于撑管，最大应力也发生在与弦管相交处的A点。这个应力随距节点距离的增加而趋于均匀。总之，无论对于撑管或者弦管，其最大应力总是发生在两管交线最低点(A点)附近的极小区域内。这个发生最大应力的点称为

15、热点，相应的最大应力称为热点应力。图7-7 某T型节点承拉试验结果为了更方便地表达这个最大应力，在节点的结构分析中引入节点应力集中系数，常用符号SOF表示，它被规定为最大应力与撑管名义轴向应力之比，即 (7-1) 式中： ， 为最大应力或热点应力，它可以是弦管的周向最大应力或撑管的轴向最大应力； 撑管的轴向名义应力，如远离节点处的撑管断面的平均应力，可从平台(或桩腿)的总强度分析中算出。若撑杆所受的轴向力为P，撑管的断面积为A，则 按此定义，对于图7-6的节点， 故得应力集中系数为SOF=7.25。 一般认为，管状节点的应力集中系数小于10是可用的。为确定应力集中系数，近年来已进行了许多理论分

16、析和试验研究，并得出不少实用公式。邝等等人用有限元法分析了T型、K型以及TK型简单节点在受轴向力和弯矩作用时的应力情况，得出了相应的节点应力集中系数，现列于表7-1中。另外有研究采用半解析变分解法对T、Y、K型节点在各种载荷作用下的应力集中系数进行了计算，在此基础上结合国内外131例实验数据进行了修正和可靠性分析，得出了可供工程技术人员设计时查用的应力集中系数表，表7-2和表7-3为该表的部分内容。表7-1 邝等的应力集中系数表7-2 轴向载荷下T型接头的弦管应力集中系数（部分）续表 7-2表7-3 轴向载荷下T型接头的撑管应力集中系数（部分）续表7-3续表7-3 二、冲剪应力 节点受力过程中

17、，在一般情况下，即使外载荷不很大，热点应力有可能已超过材料的屈服极限。也就是说，热点首先屈服。随着外载荷逐渐增加，节点应力将重新分布，使交线热点以上的部分相继屈服，最后节点破坏，通常把节点最后破坏的载荷与初始屈服的载荷的差值称为储备强度。管状节点中应力的不均匀性使节点具有很大的强度储备，即节点在开始初屈服后还可以继续承受更大的载荷，图7-7为一T型节点承受拉力时的试验结果。(a)图表示节点在弹性范围内工作，此时弦管的周向应力在点A最大，沿周向衰减并改变符号；(b)图表示节点中最大应力已超过屈服应力，并发生了明显的塑性变形，(c)图表示示节点最终破坏的情况；(d)图中的曲线表示了上述三个阶段载荷

18、与变形的关系。从图中可以看出，节点破坏时的载荷约为初始屈服载荷的5倍。在一般情况下，节点的破坏载荷(极限载荷)与初始屈服载荷的比约在2.5-8之间。如果撑管受压，也有类似的结果。图7-7 某T型节点承拉试验结果 从图7-7(c)中的破坏现象可以看出，撑管最终是从弦管表面被拉开的。很明显，此时被拉断的弦管截面上所受的应力为剪应力，因此弦管的抗剪能力在一定程度上可以用来反映管状节点的最终强度。所以当前在管状节点的强度分析中引入了一个“冲剪应力”的概念，它已成为管状节点静强度的一个重要衡准。 对如图7-8(a)的简单T型节点，冲剪应力定义为 (7-2)式中：P为冲剪荷重(即撑管的轴向载荷)。若撑管的

19、轴向应力为fa。(即前面的名义应力 )，则 (7-3)从而 (7-4)对于Y型节点(图7-8(b)，将撑管的轴向力P沿弦管的径向分解，则得冲剪应力 (7-5)如果考虑到撑管上还有弯曲应力(图7-8(e)，其最大名义值为fb，则目前是将fb直接加到轴向应力fa上，于是得到现行的通用公式： (7-6)图7-8 冲剪应力由于在Y型接头中，撑管与弦管的相交线不是正圆形，所以公式(9-5)和(9-6)中的冲剪应力是个近似表达式。美国石油协会(API)考虑到Y型和K型接头相交线的非圆形修正，得出以下的冲剪应力表达式： (7-7)式中：Ka、Kb分别为计及撑管与弦管相交线非圆形的修正系数。它们与撑管和弦管的

20、夹角有关，可由图7-9中查得。图7-9 修正系数Ka与Kb三、管状节点的破坏形式除了上述节点在冲剪应力作用下破坏以外，管状节点还有其他的破坏形式。图7-10表示了简单的T型和T型节点的破坏形式图7-10中(a)、(b)、(c)均为撑管受拉力的情况。其中(a)为撑管在临近焊缝以上处被拉断；(b)是因为焊缝强度不足而使节点在焊缝处拉断；(c)为双T型节点因撑管受拉力而产生了较大的塑性变形，并最终在焊缝附近出现裂纹而破怀；(d)是在弦管跨度相当大时，弦管因弯曲严重而导致管壁受压发生局部皱析。 图7-10中的(e)是在撑管受拉的情况下，弦管沿壁厚方向产生“层状撕裂”，即层裂破坏。它实际上是金属材料问题

21、。 图7-10中的(f)则为T型节点当撑管受压时的破坏形式，它是由于弦管与撑管相交处发生局部失稳所引起的，通常节点在撑管受压时的极限强度要比撑管受拉时的极限强度低一些。因此在设计时对受压载荷应予注意。图7-10 管状节点破坏形式7.3 管状节点的冲剪应力校核 该方法是美国石油协会推荐用于固定式平台静强度校核的，也用得比较普通成为一种公认的方法。冲剪应力校核的衡准是，节点的冲剪应力应小于许用冲剪应力。由前节得节点在外载荷作用下的冲剪应力为 节点的许用冲剪应力与节点的几何参数及载荷的形式有关，我国规定固定式平台规范和API第十三版(1982年)建议许用冲剪应力用下式表示： (7-8) 式中：Vp为

22、弦管管壁的冲剪应力，在极端环境状态下，Vp可提高1/3；Fy为材料屈服极限； 为R/T；Qq、Qf、Qp为对节点的几何参数以及载荷形式进行修正的系数；其具体意义如下。 1修正系数Qq 主要用来考虑节点几何参数 、 、 ( )以及载荷形式的影响。Qq不是一个简单的修正系数。对K型节点，Vp与 有关 (7-9)当g较大时，Qq较低，亦即撑管之间的间隙较大时，Vp稍低。由于节点在撑管受轴向拉力或轴向压力时，冲剪应力是不同的，API对此提出修正。对T、Y型节点： 轴向拉力 轴向压力 (7-10)式中： 是考虑参数 影响的系数， (7-11)如上式所示，当撑管受拉时，许用冲剪应力较撑管受压时为高。表7-

23、4 修正系数Qq2修正系数Qf 主要考虑弦管本身受力的影响，实验证明弦管本身受力情况不一样，Vp值是不同的。 Qf取决于参数A， (7-12) 在极端环境状态下，式(7-12)的分母值可增加1/3，式中： 、 分别为弦管的轴向应力和弯曲应力；Fy 为弦管的材料屈服极限。 (7-13) 由式(7-12)和(7-13)可见，弦管本身受力越大，则Qf下降，Vp值也会有所下降。3修正系数Qp。Qp的表达式为 (7-14)式中：fa、fb分别为撑管的轴向名义应力和弯曲应力。上式当fb0时，Qp1，因此可理解为Qp是对撑管弯曲应力fb的修正。 由于一般fbfa，在此条件下，若fb越大，则Qp越大(当fbf

24、a时，Qp1.207)，所以Vp亦越大。 API第十五版(1984年)提出节点的静强度可按：冲剪应力校核或名义载荷校核。 (1)冲剪应力，API第十五版作了如下修改 (7-15)式中，f为撑管中的轴向应力、面内弯曲应力或面外弯曲应力(对每一种应力分别独立计算其冲剪应力)。 (7-16)式中符号的意义与式(7-8)相同，但其表达式并不一样。表7-5中表7-5 修正系数Qp表7-6 修正系数Qu 同样在撑管受到轴向和弯曲载荷组合作用时，亦应满足相互作用方程： (7-22) (7-23)式中：P和M分别为作用于撑管的轴向载荷和弯曲载荷。 从以上看，API第十五版对节点的静强度除提出了冲剪应力校核的要

25、求外，也比较强调采用极限载荷的校核。二、冲剪应力衡准的应用 这里仍以我国固定平台规范及API第十三版为依据进行介绍。应用冲剪应力衡准对简单的T、Y、DT、X及平衡受力的K节点进行强度校核是没有问题的，但对非平衡受力的K节点及KT节点则有一个如何计算冲剪应力，及如何选择许用冲剪应力的问题。API对此类问题给了一个图例，如图7-11所示。为了实际应用，下面举实例说明。图7-11 冲剪应力的计算图例P1=1400kNP2=500kN7.4 管状节点的疲劳校核 海洋平台长期在恶劣的海洋环境里作业，作用在平台结构上的波浪载荷周期一般约为 5-10s。这样，海洋平台结构在20-25年的使用期限内将受到很多

26、次的周期性载荷，再加上平台管节点有很高的应力集中，因此，平台节点的疲劳损伤概率远比一般的陆上结构高。近年来，海洋平台的作业范围不断向深水区域发展，作业水深越大，平台的刚度就越低，平台的自振周期将从浅水的2s左右提高到4-5s范围，这与波浪载荷的周期十分接近，从而极容易引起平台的共振，加剧了管节点的疲劳。一个平台有数百个甚至上千个管节点，实践证明，只要有少数几个管节点发生疲劳破坏，就可能导致平台的整体事故，产生极严重的后果。因此世界备主要的海洋石油开发国家对平台管节点的疲劳强度研究都非常重视。管节点的疲劳分析已成为平台结构设计中必不可少的内容。当前平台节点的疲劳强度分析大致有以下三种方法： (1

27、)疲劳设计； (2)疲劳分析； (3)断裂力学分析法。断裂力学分析法是用断裂力学的观点研究节点疲劳裂纹的存在与发展，认为节点的疲劳损伤是由初始裂纹扩展到某一临界裂纹而造成的。用断裂力学分析法预报疲劳寿命是比较合理的，且比绘制S-N曲线更为经济。近年来，这个方法越来越受到重视，是管节点疲劳研究的方向。但是，出于断裂力学分析法中还有一些具体的参数和因素未得到很好的解决，加上受传统的影响，目前大多数规范还是首先推荐用常规的疲劳分析法。本节主要介绍上述的第(1)及第(2)种方法，关于断裂力学分析法可参阅其它文献。 一、疲劳设计 这种方法不需要进行管节点疲劳累积损伤分析，而是规定了管节点的允许应力标准，

28、认为凡符合一定海况条件的海洋平台，满足允许应力标准就能够保证平台管节点的疲劳强度。API和我国固定平台规范中规定的允许应力标准如下。 (1)对于自振周期小于3s的导管架平台，采用延性钢材，在设计环境载荷作用下，撑管的名义应力峰值(fa+fb)不大于1317.2N/mm2。同时，简单管节点的最大冲剪应力：对K型节点不大于68.6N/mm2，对T和Y型节点不大于49.0N/mm2，对未加强的X型节点不大于34.3N/mm2，若 1则不大于49.0N/mm2。 (2)管节点的热点应力不大于413.6N/mm2或者热点应变不大于0.2%。 根据API的解释，上述的疲劳设计是根据墨西哥湾的环境资料分析得

29、到的，墨西哥湾水深一般小于122米，平台自振周期小于3秒，相应于18米波高的波浪载荷加上风载，当节点的热点应力峰值为413.6N/mm2时，结构疲劳寿命不小于100年。当用此热点应力作为结构设计的基础时，虽然各构件的疲劳寿命不完全相同，但均可期望在50-100年之间，所以API制定了此允许应力标准。 在节点应力为413.6N/mm2的前提下，API又分析了节点的名义应力，并认为典型的应力集中系数为3.0，这样就得到了撑管的名义应力为137.2N/mm2。 疲劳设计方法十分简单。我国固定平台规范也规定，当平台的自损周期小于3秒时，可只进行疲劳分析，但在应用时必须注意，只有当平台所处的环境条件与墨

30、西哥湾的海况基本相同时，使用此方法才是合理的。二、常规疲劳分析方法 对于不符合墨西哥湾海况条件的平台，目前常用疲劳分析法来进行节点的疲劳寿命估算。疲劳分析法又分确定性法和谱分析法，两种方法的共同之处都是基于S-N曲线，用迈纳的疲劳累积损伤规则来估算节点的疲劳寿命，而其主要区别在于对海洋环境数据的处理，现将疲劳分析法介绍如下。1S-N曲线 S-N曲线是管节点疲劳分析的衡准和疲劳累积损伤计算的基础。目前可供使用的有API、AWS(美国焊接学会)、DNV、美国能源部等的S-N曲线。图7-13所介绍的是API的S-N曲线。图7-13 S-N曲线图中：S为节点所经受的交变应力范围即交变应力的峰与谷之间的值；N为节点在某一交变应力范围作用下发生疲劳破坏时的应力循环次数。以上图为例，表示节点在S(ksi)的应力范围作用下，作用N次出现疲劳破坏。 S-N曲线一般考虑了节点的型式(T、Y、K型等)、焊接情况(是否焊透、焊缝外型等)、应力种类(名义应力、冲剪应力或热点应力等)，使用时必须根据这些因素来适当选取。以图7-13的S-N曲线为例，此组曲线适用于海水环境中经受波浪载荷的原状焊缝的管节点。其中和X与X曲线适用于管节点的热点应力范围或热点应变范围；D及E曲线适用于撑管名义应力范围；K及K曲线适用于弦管冲剪应力范围。 当节点的焊缝完全焊进并和母材光滑过渡，焊缝