导管架平台管节点强度校核及影响因素分析

(中海油能源发展装备技术有限公司 设计研发中心，天津 300452)

管节点作为导管架平台结构设计中关键而又薄弱的环节，历来是设计者十分关注的问题。由于导管架结构设计中大多采用简单管节点，简单管节点指位于同一平面内，撑杆之间不搭接，没有隔板、加筋板及节点板的节点，本文主要针对简单管节点进行分析研究。管节点的强度分析方法主要有实验研究和理论分析两大类[1]。在工程设计中广泛采用的是以实验数据为依据，结合理论分析而得出的半经验半理论公式方法，API RP 2A针对管节点的强度分析方法正是基于上述方法。随着API RP 2A从21版(2000)到22版(2014)不断的增补和修订[2-5]，规范中关于管节点强度的校核方法改动很大，对管节点强度提出了更为严格的要求。为了探讨分析API RP 2A 22版(以下称22版规范)规范对管节点强度校核的影响，以某导管架平台其中一个管节点为例，研究管节点校核的方法，并具体分析管节点各构造参数对管节点强度的影响。同时，对目前工程实际及理论研究中不同的管节点加强方法进行总结，分析其对管节点强度的影响。

1 管节点强度校核

API RP 2A 22版规范对于管节点的强度校核分为基本承载能力校核和最小承载能力校核[6]，要求两者同时满足规范要求。简单管节点构造示意于图1。

图1 简单管节点构造示意

1.1 基本承载能力校核

基本承载能力校核针对导管架平台中的所有管节点，要求所有管节点强度校核结果满足规范要求；API RP 2A 22版规范规定对于简单管节点，撑杆的轴向荷载容许能力为

(1)

撑杆的弯矩容许能力为

(2)

式中：Fs为安全系数，静力工况Fs=1.6，地震工况Fs=1.0；Qu为强度系数(与节点类型和几何构造有关)，参见API RP 2A 22版表格7.2；Qf为弦杆载荷系数,

(3)

其中：A为系数,

(4)

Fyc为弦杆的屈服强度或0.8倍的抗拉强度，取较小值；

除此之外，22版规范针对T/Y和X型管节点，还考虑弦杆加厚段对承载能力的影响，具体修正如下。

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

(5)

式中：(Pa)c按照公式(1)计算；Tn为弦杆的名义厚度；Tc为弦杆的加厚段厚度。

经过上述计算，管节点基本承载能力校核公式为

(6)

1.2 最小承载能力校核

通常，由于失效机制及对周围结构影响的不确定性，管节点优于支撑之前失效是不可取的。22版规范最新提出了最小弦杆容许能力要满足50%撑杆有效强度的要求，以提高节点和杆件的相对可靠性来确保平台的冗余度。

此外，最小承载能力要求，对结构在不可预测荷载如装船过程中支撑失效、下水或吊装期间不可预期的环境条件、碰船及坠物等作用下提供了安全保障。

最小承载能力校核如下。

(7)

式中：Pa为撑杆的轴向荷载容许能力，见式(1)。Fa为撑杆的有效强度。撑杆的有效强度为主要承受拉力的撑杆的屈服强度，或者指主要承受压力的撑杆的极限屈服荷载，极限屈服荷载计算时应该考虑非弹性因素。

当撑杆受拉时，Fa=Fby

当撑杆受压时,

(8)

值得注意的是，在工程实际中，最小承载能力校核针对主要管节点，设计者可以根据所设计结构的重要程度加以判断，如某些附属构件管节点失效不会引起重大的安全及环境影响，如隔水套管导向支撑框架、立管及护管的支撑等节点，该类次要节点可不考虑50%的撑杆有效强度要求。

此外，对于地震工况下的管节点校核，22版规范明确提出，当强度水平地震位于地震区域1(1.0 s地震谱加速度大于0.03g)[7]及更大时，对于不进行冗余度分析的L-2平台，要考虑100%的撑杆有效强度。

(9)

管节点设计时应该注意，与主腿相连的管节点应进行100%撑杆有效强度校核。

2 管节点强度校核影响因素分析

以秦皇岛33-1南某平台上部组块结构为例，选取图2所示管节点进行计算分析。

图2 管节点结构及局部模型

通过在SACS整体模型中计算不同参数下管节点强度，分析不同管节点参数对管节点校核结果的影响。该管节点各主要参数如下。

弦杆直径1 829 mm、壁厚40 mm；撑杆直径914 mm、壁厚38 mm。

弦杆与撑杆夹角37°；

钢材屈服强度355 MPa。

该管节点在整体模型中，弦杆和撑杆端部荷载见表1。

表1 弦杆和撑杆端部载荷

该管节点的基本承载能力校核UC值为1.805，最小承载能力校核UC值为1.480，均不满足规范要求。

以下从提高管节点强度的影响因素出发，探讨分析不同因素对管节点强度校核的影响。

2.1 弦杆壁厚

采用增加弦杆壁厚的方法，可以有效提高弦杆的强度，见图3。

图3 管节点UC值与弦杆壁厚的关系

可以看出，随着弦杆壁厚增加，该管节点的基本承载能力UC和最小承载能力UC值明显降低，当弦杆壁厚到达60 mm时，管节点的基本承载能力和最小承载能力均满足规范要求。由此可见，增加弦杆壁厚对提高管节点强度效果显著。

2.2 撑杆的直径与壁厚

从弱化撑杆强度的角度考虑，在保证撑杆的杆件强度满足规范要求的前提下，可以减少撑杆的壁厚。弦杆尺寸保持不变，通过降低撑杆壁厚来提高管节点强度。管节点UC值与撑杆壁厚的关系见图4。

图4 管节点UC值与撑杆壁厚的关系

随着撑杆壁厚不断减小，管节点的基本承载能力UC值基本不变，而最小承载能力UC值显著降低，说明撑杆壁厚对基本承载能力影响不大，但是能显著影响最小承载能力的校核结果。

另外，增加撑杆的直径可以有效提高撑杆的弯矩容许能力，从而达到提高管节点强度的目的。弦杆尺寸保持不变，通过增加撑杆直径来提高管节点强度。管节点UC值与撑杆直径的关系见图5。

图5 管节点UC值与撑杆直径的关系

随着撑杆直径不断增加，管节点的基本承载能力UC显著降低，而最小承载能力校核UC也有所降低，说明增加撑杆直径对管节点强度校核有一定作用，设计中可根据实际情况进行调整。

2.3 措施

1)在设计中考虑在撑杆受力较小部位增加弱截面设计，通过降低撑杆的有效强度来降低管节点校核的UC值。在上述管节点的撑杆中加入长度为1.0 m的914 mm×19 mm弱截面，管节点基本承载能力校核UC值从1.805降到1.732，而最小承载能力校核UC值从1.480降到0.759。

2)对于弦杆内部可设置加强环的管节点，设置加强环可以明显提高管节点的基本承载能力和最小承载能力[8-9]。设置加强环后的管节点强度校核，可以采用等效壁厚、理论分析或者有限元分析的方法进行计算。弦杆内部设置加强环结构见图6，该方法在工程实践中得到了非常广泛的应用。

图6 内部加强环型管节点

除上述工程常用方法之外，近年来学者对管节点的其他加强方法也进行了大量研究，包括环口板加强型管节点及套管加强T型管节点、节点形式见图7和图8。

图7 环口板加强型管节点

图8 套管加强T型管节点

文献[10] 运用有限元方法对环口板加强的T型圆钢管节点进行了平面内弯矩作用下的承载力分析，结果表明环口板加强在承载力方面提高的有效性。文献[11]在理论研究和实验验证的基础上，提出了套管加强T、X型管节点，并得出了套管加强T、X型管节点在轴向力、平面内弯矩和平面外弯矩作用下的极限强度简易计算公式。针对工程中的特定管节点(如导管架腿部管节点内部设置桩基，无法设置内部加强环)，可以考虑应用上述方法进行分析和验证，将研究成果与工程实际有效结合起来。

3 结论

1)从提高弦杆强度的角度出发，增加弦杆壁厚对提高管节点强度能起到立竿见影的效果。

2)从弱化撑杆强度的角度考虑，减少撑杆壁厚可有效降低管节点最小承载能力UC值。

3)加大撑杆直径可以降低管节点基本承载能力UC值。

4)在撑杆中合理设置弱截面，或者在弦杆内部增加加强环，均可以改善管节点强度，而前者对最小承载能力校核更为有效。 除此之外，针对新型管节点加强方法如环口板、套管等外部加强形式，可结合工程实际进行进一步分析与验证。