海洋平台KK型管节点的疲劳性能试验研究＊

甘 进 乐京霞 吴卫国 姚晋

（武汉理工大学交通学院1） 武汉 430063） （中国舰船研究设计中心2） 武汉 430074）

自升式海洋平台是针对海洋油气开发、跨海桥梁、海底隧道工程建设、海洋风力发电机安装等需求而研制开发的大型海洋工程结构.KK型管节点作为支撑结构被广泛应用于自升式海洋平台的桩腿结构中，这些节点由于常年承受海浪和风等循环载荷的作用而经常产生疲劳破坏现象，并严重影响整个海洋平台结构的安全性.因此，对KK型管节点的疲劳性能分析显得非常重要.

海洋工程结构中，KK型管节点承受的是非常复杂的组合载荷.但是在组合载荷中，通常轴向载荷是占主要地位的.在管节点疲劳性能的研究中，应力集中系数（SCF）、焊趾处热点应力（HSS）是评价其疲劳寿命的重要参数.因此本文采用模型试验对空间KK型管节点在轴向载荷作用下的疲劳性能进行了测试，确定了沿着焊缝的应力集中系数、最大热点应力值及其位置；通过S－N 曲线预测了KK型管节点的疲劳寿命，指出了现有海洋工程规范中管节点疲劳性能参数计算值与试验分析结果的差异性.

1 KK型管节点模型试验

1.1 试验试件

空间KK型管节点试件由4根空心圆形钢管焊接而成，见图1.钢材的屈服应力和极限应力分别为235MPa和410MPa，延伸率为25%.试件的焊接质量采用符合美国焊接协会（AWS）［1］规范要求.

图1 KK节点试件的几何参数图

根据某自升式海洋平台桩腿结构上的KK型管节点型式设计的试验模型的几何尺寸及相关参数见图2及表1.为了消除弦杆端部条件对于试验结果的影响，取弦杆的长度大于其直径的6倍.

表1 KK节点试件的几何参数

1.2 试验装置及加载系统

图3为测试所用试验装置，该装置由固定架与加载架组成.测试中，试件的弦杆两端和撑杆的端部焊接于固定架上，以模拟固定边界条件，见图4.撑杆的自由端由螺栓与加载端头相连，MTS液压作动装置通过加载端头对撑杆施加轴向载荷，加载系统见图5.

图2 KK节点试件的几何参数定义图

图3 KK节点试验装置

图5 试件加载端

1.3 试验测试

为测得沿焊缝的应力分布，在加载端的弦杆和撑杆表面靠近焊缝处沿着焊缝每隔15°贴上对应的应变片，应变片位置见图6.每个点处都有一对应变片用来测量垂直于焊缝的应变分量.这两片应变片的分配遵循CIDECT［2］的线性外推插值区，其定义如图7，焊缝处的应变通过测量的应变线性外推而得.试验中在弦杆上应变片离焊缝的最短距离Lr，min和最远距离Lr，max分别为7mm和14mm，撑杆上这2个距离分别为7mm和20mm.在鞍点、冠点和跟点处，分别沿着平行于焊缝方向粘贴应变片，以测量平行于焊缝的应变.

图6 应变片布置图

图7 外推插值区域的定义

测试之前对试件在一个方向上施加一组递增荷载，以消除焊接及安装造成的残余应力.然后对撑杆逐级加载轴向载荷，并实时采集相应的应变值.为保证所加荷载为单一轴向载荷，加载过程采用荷载控制［3－5］.本试验中，撑杆端所加载的最大轴向载荷为240kN.

1.4 试验结果

在KK管节点模型试验中，垂直于焊缝的应变和平行于焊缝的应变可分别根据应变片测得的应变线性外推插值得到.然后根据基于Hooke定律的应力和应变关系计算得到节点焊缝周围的热点应力值，沿着焊缝的应力分布如图8所示.由图8可见，最大热点应力点位于弦杆冠点与鞍点之间（距离跟点225°），最大应力值是211.6MPa.

图8 轴向力作用下弦杆与撑杆沿焊缝处热点应力分布

2 疲劳性能分析

2.1 应力集中系数

由试验得到的热点应力值可计算出，轴向载荷作用下KK型管节点弦杆处最大应力集中系数为5.2，位于其冠点与鞍点之间（距离跟点225°附近）；撑杆处的应力集中系数为3.1，位于其跟点与鞍点之间（距离跟点75°附近）.

在海洋工程设计中，DNV规范［6］和API规范［7］提供了轴向载荷作用下K型管节点应力集中系数计算方法.DNV规范分别给出弦杆和撑杆在冠点和鞍点位置的应力集中系数计算公式（1）；API规范仅列出弦杆和撑杆的最大应力集中系数计算公式（2）.表2列出KK型管节点应力集中系数的试验方法与规范方法的计算结果.

由表2可以看出，采用DNV规范的得到试件弦杆和撑杆的最大应力集中系数都出现在焊趾的鞍点处，值分别为7.1和5.3.采用API规范计算的试件最大应力集中系数分别为6.6和4.4.对比试验分析结果，采用规范得到的应力集中系数均大于试验测试结果，DNV给出的最大应力集中系数产生位置与试验测试结果有一定差异.

表2 KK型管节点应力集中系数

2.2 疲劳寿命

估算管节点的疲劳寿命最常用的方法是S－N曲线法.当KK型节点承受疲劳载荷时，热点应力区的应力范围可通过试验测试得到，节点的疲劳寿命就可以从S－N曲线上得到.

本研究采用CIDECT（2001）绘制的空心圆管节点的S－N曲线对上述KK型管节点在轴向载荷作用下的疲劳寿命进行估算（见图9）.t为弦杆的厚度.由试验测试结果可知，在轴向载荷的最大值和最小值分别为240kN和0的情况下，KK型管节点的应力幅值为211.6MPa.当弦杆厚度t为16mm时，通过S－N 曲线及热点应力幅值推算出KK型管节点的疲劳循环次数约为31.6万次.

图9 CIDECT的S－N 曲线

通过以上分析研究可以得到，KK型管节点在承受0～240kN的轴向循环载荷时，其疲劳寿命为31.6万次，且弦杆冠点与鞍点之间焊缝处是疲劳裂纹最容易萌生和扩展的位置.

3 结 论

1）应用模型试验方法评价空间KK型管节点的疲劳性能具有重要的工程实用价值.轴向荷载下，KK型管节点弦杆与撑杆的焊趾处热点应力较大，为节点易产生疲劳破坏位置，设计中应得到一定重视.

2）当KK型管节点撑杆承受轴向载荷时，其最大应力集中系数位于弦杆冠点与鞍点之间距跟点225度的焊趾处，其值为5.2，大于撑杆焊趾处的最大应力集中系数，因此裂纹在此处萌生，弦杆冠点与鞍点之间焊趾处也是应力集中的关键部位.

3）采用规范计算得到的应力集中系数均大于试验结果，且在最大应力集中系数的位置判断上有一定差异.因此，采用规范方法得到的结果偏于保守，不利于结构设计的经济性.

4）本研究通过试验测试结果与S－N曲线相结合的方法对KK型管节点的疲劳性能进行评估，研究结论可作为自升式海洋平台桁架式桩腿的结构设计的参考依据.

［1］American Welding Society.Structural welding code－steel［S］.ANSI／AWS，D1.1－2000.Miami，USA，2000.

［2］Zhao X L，Herion S，Packer J A，Puthli R S，Sedlacek G，Wardenier J.Design guide for circular and rectangular hollow section welded joints under fatigue loading［M］.K·ln：TüV－Verlag，2001.

［3］曲淑英，张宝峰.完全叠接K型管节点的应力集中系数的试验研究［J］.工程力学，2009，26（7）：83－88.

［4］张宝峰，曲淑英，邵永波，等.海洋平台 K型管节点的疲劳裂纹扩展分析I：试验测试［J］.计算力学学报，2007，24（5）：645－647.

［5］张宝峰，曲淑英，邵永波，等.海洋平台 K型管节点的疲劳裂纹扩展分析I：试验测试［J］.计算力学学报，2007，24（6）：800－805.

［6］DNV.Recommended practice DNV－RP－C203.In：Fatigue design of offshore steel structures［S］.Norway：Det Norske Veritas，2008.

［7］API.American Petroleum Institute.In：Recommended practice for planning，designing and constructing fixed offshore platforms［S］.API RP2A－LRFD，Washington D C，1993.