第八章圆管构件的强度与稳定计算

,第八章圆管构件的强度与稳定计算,授课内容,3圆管构件的稳定性计算,1.1圆管构件特性,1概述,1.2钢管材料和类型,1.3圆管构件设计计算方法,1.1圆管构件特性,圆管构件（或称圆柱壳构件）可以很好地承受轴向拉力或压力、扭矩或弯矩、内压或外压,1）圆管构件的优点：,截面轴对称，材料分布合理、各方向稳定性相等，在相同的截面面积下刚度最大、抗压和抗扭性能最好，是中心压杆的理想截面,具有近似流线型表面，在风、浪、冰灯荷载作用下，受到的绕流阻力小,钢管立柱便于引导钢桩夯打，并使钢桩和导管架共同受力，形成整体结构，抵抗环境荷载,钢管外表光洁，可做成封闭管端，防止水汽浸入，外露表面最小，便于油漆，抗锈蚀性能好,在同样荷载作用下，圆管构件用钢量最少,2）圆管构件的缺点：,圆管构件相交处的管结点应力集中严重，是导管架的薄弱环节,管节点的设计和制造比普通型式的构件结点复杂,注：,焊接管结点为空间结构，应力分布复杂，故有必要研究管结点的型式、承载能力、疲劳强度和合理构造、改进管结点的制造工艺和焊接质量,2）钢管类型,钢管按有无焊缝分为焊接钢管（有缝管）和无缝管,钢管按断面形状分为圆管和异形管,注：,钢管与圆形实心柱相比：当两者抗扭刚度相同时，圆管的质量轻，较经济，故被广泛用于近海导管架平台,a）无缝钢管,无缝钢管按制造工艺分为热轧无缝钢管和冷轧（拔）无缝钢管,小直径的无缝管适宜采用冷轧工艺，大直径的无缝管适宜采用热轧工艺,冷轧无缝管精度、生产成本均高于热轧无缝管,热轧无缝管具有明显的应力屈服现象；冷轧无缝管呈逐渐屈服现象，在屈服点后呈非线性屈服,b）焊接钢管（有缝管）,焊接钢管：用钢带或钢板弯曲变形为圆形、方形等形状后再焊接而成的表面有焊缝的钢管，其成本比无缝管低、生产效率高,焊接钢管按焊接方法分为电弧焊管（用于石油钻采、机械制造业）、电阻焊管、摩擦焊管、气焊管、炉焊管（用作水煤气管）,焊接钢管按焊缝性状分为直缝焊管和螺旋焊管。直缝焊管生产工艺简单、效率高、成本低；螺旋焊管的强度一般高于直缝焊管，它能用较窄的坯料生产较大管径的焊管，但生产效率低,小直径焊管宜采用直缝焊，大直径焊管宜采用螺旋焊,3）圆管构件设计计算方法,由于海上平台的荷载条件和工作环境都比较复杂，设计资料不足，故目前世界各国的平台规范大多采用容许应力设计法,容许应力法：,应考虑结构的重要性、荷载情况、材料不均匀性、制造和安装缺陷、计算误差等因素来确定强度安全系数n,式中：s钢材的屈服强度n强度安全系数,各国平台规范对于安全系数n的确定一般包括工作环境条件和极端环境条件两种工况,强度安全系数n,工作环境条件下的安全系数n,极端环境条件下的安全系数比工作环境条件下的安全系数降低30%,焊缝的容许应力（s为母体金属的容许应力）,工作环境条件下焊缝的容许应力,极端环境条件下的容许应力比工作环境条件下的容许应力提高1/3,圆管构件的计算原则,1）强度条件,钢结构以钢材的弹性阶段为计算依据，将钢材视为理想的弹塑性材料,钢结构的强度条件（静力）：,直接承受动力荷载的结构除计算静力强度外，还要进行疲劳强度验算,疲劳强度：钢材在疲劳破坏前所能承担的最大应力；它与钢材种类、应力变化规律、应力集中系数、荷载重复次数有关；一般表面光滑的构件不需验算疲劳强度，但高强度钢对应力集中较敏感，需验算疲劳强度,导管架的管结点处应力集中严重，需进行疲劳强度验算,2）稳定条件,构件失稳是结构构件破坏的另一种形式,钢结构的稳定条件（整稳）：,大直径的薄壁钢管构件在轴向压力作用下，可能会发生管壁的局部失稳破坏：当圆管的外径壁厚比时，需对其进行局部稳定验算,构件的稳定系数是其长细比的函数，其中：,构件的稳定性系数,3）变形和刚度条件,弹性结构在荷载作用下将产生弹性变形或振动，过大的变形或振动会影响平台的正常工作,受弯构件的刚度用挠度衡量,轴向受力构件的刚度用长细比衡量,结构振动用自振周期（或频率）衡量,2.1强度破坏准则,2圆管构件的强度计算,2.2圆管构件的强度计算,2.1强度破坏准则,强度计算以钢材的屈服点为极限值，按规范确定容许应力,导管架的构件主要包括腿柱和支撑，它们都由钢管组成,圆管构件按受力性质分为轴向受力构件、受弯构件、偏心受力构件、同时承受外水压力及受扭的构件,结构设计时先按不同类型的构件分布进行计算，再设计构件之间的连接,1）钢材单向受拉的主要性能,钢材单向受拉时的应力-应变曲线包括弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、颈缩阶段四个阶段,屈服点s是钢材的强度指标,钢材可被视为理想的弹塑性体,极限强度b与屈服强度s的差值为钢材的强度储备,2）钢材的破坏形式,钢材的破坏包括塑性破坏和脆性破坏,塑性破坏是由于变形过大，超过构件材料可能的应变能力而产生，有较大塑性变形，变形时间才，容易被发现,脆性破坏前变形小，突然发生；破坏前没有预兆，比塑性破坏更危险,3）复杂应力状态的屈服条件,第四能量强度理论材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达,推导当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。,钢材单元体上的复杂应力状态,在三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态的条件，可以用折算应力和钢材在单向应力时的屈服点相比较来判断。,用主应力、表示时，有:,或,当时钢材处于弹性阶段当时钢材处于塑性阶段,当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，可忽略不计，三向应力状态可以简化为平面应力状态：,一般梁中只存在正应力和剪应力，则上式可写为：,纯剪时=0则有：,钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点s的0.58倍,不同受力状态对钢材材性的影响,（a）单向拉伸（b）双向拉伸（c）双向异号应力,分析结果：（1）相对于单向拉伸而言，钢材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度提高，但是塑性下降。,双向应力作用下对钢材材性的影响,（3）主应力异号时，易屈服，破坏呈塑性，差别越大越明显。,（2）主应力同号时，不易屈服，塑性下降，越接近越明显。,2.2圆管构件的强度计算,1）轴心受力杆件的强度计算：,圆管双向受弯时，强度条件：,2）受弯构件的强度计算（）,圆管单向受弯时，强度条件：,3）偏心受力杆件的强度计算（）,圆管轴心受力并在一个主轴平面内受弯时，强度条件：,圆管轴心受力并在两个主轴平面内受弯时，强度条件：,4）静水压力下轴向受力杆件的强度计算：,静水压力下，圆管管壁在环向受到的压应力：,圆管管壁环向受压的强度条件：,圆管杆件同时承受轴向应力x、环向应力y、剪应力的强度条件：,5）圆管杆件的抗扭强度计算,在扭矩作用下，圆管杆件的强度条件：,圆管的材料离其界面中心轴的分布最远，因此圆管的抗扭能力最好,3.1轴向压力下圆管构件的屈曲,3圆管构件的稳定性计算,3.2圆管构件在弯矩作用下的局部屈曲,3.3轴向压力和弯矩的联合作用,3.4圆管构件在水压和轴力作用下的破坏,圆管的弹性稳定问题一般由小挠度理论求解。小挠度理论不仅在数学上做了线性化处理，还假定结构是完整的：材料和几何上无初始缺陷，荷载无偏心,影响圆管构件稳定性的因素：制造方法、初始缺陷、残余应力、边界条件,薄壁圆管构件有多种不同的屈曲形式，并受到结构方面的交叉影响：不同荷载之间的交叉影响、局部和整体破坏形态的交叉影响、纵向和环向的弹性和非弹性表现之间的交叉影响,进行无加强圆管构件稳定性计算，主要是正确选择壳体长度、直径和壁厚等几何尺寸，以保证构件在工作环境条件及极端环境条件荷载作用下具有整体和局部稳定性,3.1轴向压力下圆管构件的屈曲,1）轴压下圆管构件的弹性局部屈曲应力（径厚比）,当受轴向压力的圆管径厚比D/t在60300时，圆管通常发生非弹性屈曲。我国和美国API平台规范采用以下公式计算圆管管壁的非弹性局部屈曲应力xx：,2）圆管构件在轴向压力作用下的整体屈曲,在弹性范围内圆管构件的整体稳定问题适用欧拉公式，同时整体屈曲受局部屈曲的影响,圆管构件在轴心压力作用下的整体屈曲弹性临界应力e为：,在轴向压力作用下，圆管构件当径厚比时，采用下式验算圆管的整体稳定性：,式中：在非弹性屈曲工作范围（）时：在弹性屈曲工作范围（）时：为相对长细比：,我国平台规范规定：,3）构件有效长度和容许长细比,构件的有效长度与其两端的约束情况和有无位移有关,为了保证圆管构件具有足够的刚度，要求其容许长细比,构件的有效长度与其两端的约束情况和有无位移有关,构件有效长度系数,4）双层刚架腿柱的有效长度系数计算,对于门架或刚架结构，可以近似地参照下面的共线图求得有侧移压杆的有效长度系数K,求解方法：先根据上式求得受压构件两端节点A、B的GA、GB；在共线图上分别找到GA、GB值所对应的两点，连接这两点作一直线，该直线与中间线相交的点所对应的数值即为构件的有效长度系数K,有侧移的刚架压杆有效长度系数共线图,5）局部屈曲和整体屈曲的相互影响,当需要考虑局部屈曲与整体屈曲的相互影响时，有两种确定容许应力的方法：a）分别求出局部屈曲临界应力和整体屈曲临界应力，取两者小值为容许应力，由此进行稳定性校核。该方法忽略了两种屈曲的相互影响，不安全b）考虑两种屈曲的影响，进行构件稳定性校核：,式中：k局部稳定系数，且整体稳定系数，且或,3.2圆管构件在弯矩作用下的局部屈曲,圆管构件在弯矩作用下的屈曲工作与轴压下很相似,当圆管径厚比D/t60时，圆管可能会发生局部屈曲。我国平台规范规定：圆管构件受弯按轴压情况计算：,3.3轴向压力和弯矩的联合作用,在弯矩和轴压下共同工作的圆管构件，既有强度问题，又有稳定问题，故需验算其强度和稳定,1）强度验算：,2）稳定性验算：,式中：（当D/t60）（当D/t60）,导管架平台的钢管桩也是圆管构件，它经常受到强大的轴向压力和弯矩作用，故也应对其进行强度和稳定验算,3）钢管桩的稳定计算,1）强度验算：,2）稳定性验算：,（当D/t60）,3.4圆管构件在水压和轴力作用下的破坏,1）圆管构件在静水压力作用下的环向屈曲,海洋平台中的无加强圆管构件通常是长圆管构件在静水压力下，圆管构件的环向压应力为：,式中为圆管构件的环向屈曲临界应力，且有：（当）（当）为长圆柱壳的弹性环向屈曲应力,在静水压力下，圆管构件的环向稳定验算公式：,环向屈曲安全系数kh,2）轴向拉力和外水压力相互作用,在实用中，很多圆管构件在承受外部静水压力的同时还承受轴向拉力或弯矩。对于这些构件，要考虑外压引起的环向压应力与轴线拉应力之间的交叉影响我国平台规