第九章管节点的设计与疲劳

1、第九章 管节点的设计与疲劳分析第一节 管节点的型式与术语一、管节点的类型一、管节点的类型n简单节点简单节点：直接把撑杆（支管）焊在弦杆（主管）上，撑杆间不搭接、不用节点板、隔板或加筋板的节点。n搭接节点搭接节点：撑杆相互重叠焊在弦杆上的节点。n加强管节点加强管节点：采取加强措施，如设置节点板、内外加强环、加隔板等，以增强弦杆管壁刚度。n扩大节点扩大节点：将弦杆段部分截面扩大，以改善节点的应力状况。二、管节点各部分符号及名称二、管节点各部分符号及名称1. 管节点各部分的符号管节点各部分的符号2. 管节点的特性参数管节点的特性参数（1） 撑杆半径与弦杆半径之比，它是荷载传递和应力分布的指标。（2）

2、 弦杆半径与弦杆壁厚之比，它是弦杆径向柔度指标。（3） 撑杆壁厚与弦杆壁厚之比，它是撑杆与弦杆的相对弯曲刚度指标。=rrrttt三、管节点的设计要求三、管节点的设计要求n避免焊缝立体交叉和过度集中，焊缝布置尽可能对称于构件中心轴线。n尽量减小由于焊缝和邻近母材冷却收缩产生的应力。n尽量不采用加筋板来加强管节点，若用内部加强环则应避免应力集中。n一般受拉和受压构件的端部连接应达到设计荷载所要求的强度。对于简单管节点的连接应满足：sin11 1.5/scsb第二节 管节点的应力分析n由平台总强度分析计算出的各管状构件的总应力称为名义应力，包括轴向应力、弯曲应力和扭转应力，对撑杆来说主要应力是轴向应

3、力。因此管节点的应力分析只考虑撑杆受轴向应力。n由于几何复杂和加工缺陷引起的应力集中，局部应力有时会高达名义应力的10倍以上。一、管节点应力分布一、管节点应力分布n导管架设计普遍采用简单管节点。现主要讨论t型管节点的应力分布。二、热点应力与应力集中系数二、热点应力与应力集中系数n理论上热点应力发生在弦杆和撑杆交接线的最低点，但实际节点的几何形状和加载条件与理论上有区别，热点位置也不同于理论热点位置。n应力集中系数scf定义为管节点的最大应力值（热点应力）与计算名义应力值之比：n管节点的几何形状不同，应力集中系数也不同。应力集中系数是研究管节点强度的重要指标之一。hpnscf第三节 管节点的强度

4、分析n静力强度分析的目的是预测热点处的应力水平和节点破坏时的极限荷载，以便进行强度设计和疲劳分析。n对管节点进行静力强度分析主要有两种方法：理论分析法和试验研究法。n实际设计中广泛采用的是以试验数据为依据，结合理论分析的某些结果，给出半经验半理论方法。一、冲剪应力法一、冲剪应力法1. 冲剪应力冲剪应力n冲剪法是假定节点破坏出现在弦杆管壁上，且破坏是由于撑杆的冲剪荷载在弦杆冲剪面积上的冲剪应力超过了弦杆材料强度，使得弦杆沿撑杆焊边剪断。n假定撑杆作用的名义荷载为p，撑杆与弦杆轴线交角为 ，则作用于弦杆管壁的冲剪荷载可表示为：sinppp()abpdtn由于冲剪荷载作用，在撑杆与弦杆接线处，弦杆冲

5、剪面上的冲剪应力为：n假定弦杆与撑杆交接线近似为标准椭圆，得：napi近年来对此式做了修改为：()sinpabpcppdtal t2sin()sin1 sinpab sinp2. 许用冲剪应力许用冲剪应力api给出的许用冲剪应力为：0.6spqfq q 二、名义荷载法二、名义荷载法n浅海固定平台建造与检验规范规定：以撑杆名义荷载计算的节点轴向和弯矩许用承载能力p和m按下式计算，在极端环境条件下可增大1/3。 21.7sinsuftpq q22.12sinsufdtmq q第四节 管节点的设计n管节点的设计主要是确定弦杆、撑杆管段管壁厚度与尺寸，选择节点使用的钢材，校核管壁强度。本节主要讨论采用

6、静力强度法对管节点进行设计的方法。一、简单管节点的设计一、简单管节点的设计n简单管节点的设计方法主要有冲剪应力法和名义荷载法。其中，冲剪应力法最有权威性，如api，dnv以及我国平台规范普遍采用此法。名义荷载法是通过名义荷载来表示荷载强度，只要荷载准确，安全系数选择恰当，该法被认为是比价可靠和安全的。1. 冲剪应力设计法冲剪应力设计法1）撑杆冲剪应力计算2）弦杆许用冲剪应力3）强度校核当撑杆受到轴力和弯矩联合作用时，应满足下式：sinp0.6spqfq q ppp2. 名义荷载法名义荷载法1）确定节点许用承载力2）节点强度校核作用在撑杆上轴向力及弯矩应分别满足下式：当撑杆受到轴力和弯矩联合作用

7、时，应满足下式： 21.7sinsuftpq q22.12sinsufdtmq q ppmm二、搭接管节点静力强度设计方法1. 冲剪应力法搭接撑杆垂直于弦杆的分力pv应不超过pv2. 名义荷载法搭接节点所能承受的荷载pv由下式计算： 122vpptltl 12sin2vlpptll三、管节点设计构造要求1.简单管节点的构造要求2.搭接管节点的构造要求第五节 管节点疲劳分析一、疲劳破坏的概念一、疲劳破坏的概念1. 疲劳破坏n材料或结构的某点或某些点在重复交变应力作用下逐渐产生永久的结构变化，并在一定的循环次数后形成裂纹或继续扩展直到完全断裂，材料或构件的这种破坏称为疲劳破坏疲劳破坏，其中呈周期性

8、变化的应力称为交变应力交变应力。2. 疲劳寿命和疲劳强度n疲劳寿命疲劳寿命：结构或结构的某点达到疲劳破坏时的交变应力循环次数或时间。n疲劳强度疲劳强度：金属材料在无限多次交变荷载作用下而不破坏的最大应力。一般规定钢经受106次，非铁（有色）金属材料经受108次交变荷载作用。3. 影响疲劳强度的主要因素影响疲劳强度的主要因素1）应力幅与应力循环次数2）残余应力3）材料的缺陷4）海洋环境影响5）sn曲线n以应力幅为纵坐标，许用的荷载循环次数为横坐标绘制的疲劳曲线。二、简单疲劳分析法n规定一个管节点的许用应力标准值，认为符合一定海况条件的海洋平台，满足许用应力标准就能保证平台管节点的疲劳强度。n自振周期低于3s，水深小于122m的超静定结构，并选用延性钢材的导管架平台，其管节点可用简单疲劳分析法，此法应对结构中全部管节点