焊接钢管节点热点应力分析

第1章概述 1.1管节点热点应力问题 纵观*早起源于两河流域的人类文明史不难发现，相较于五千多年前，近三百年来人类科学技术的发展呈腾飞态势，其重要原因在于几次重大的工业革命。从18世纪60年代开始的蒸汽技术革命，到19世纪70年代开始的电力技术革命，再到20世纪40年代的信息技术革命，每一次工业革命，都是以能源作为源动力，从煤炭拓展至石油，再从石油拓展至原子能，能源来源的突破是每一次技术革命的强劲推力[1]。时至今日，第四次技术革命已来临，发展新能源是第四次技术革命的核心任务[2]。能源工业未来的方向是从能源资源型走向能源科技型，清洁、可再生等特性成为新能源工业的基本要求[3]。从战略的眼光来看，促进新能源经济的发展，可以推进能源结构乃至经济结构的转变，对国民经济产生深远的影响，也是未来世界各国的竞争重点，并且新能源本身就是一个经济发展方向[4，5]。 风能作为典型的清洁可再生能源，近年来在世界各地都得到了大力推广[6-8]。风机主要由转子、塔筒、基础结构和地基等组成，其中基础结构和地基的设计为土木工程领域问题[9，10]。海上风机有别于陆地风机，一方面，海上风机的体量更为巨大，由于尺度效应的存在，产生了很多技术难题，对结构设计提出了更高的要求[9，10]；另一方面，海上风机服役期承受的荷载更为复杂，其中包括风荷载、波浪荷载、海流荷载、水位变化、海生物附着生长和冲刷淘蚀等，特殊海域需要考虑海冰荷载，极端工况下还需要考虑地震荷载[11，12]。这些荷载多为循环荷载，使得疲劳问题成为海上风机基础结构设计的关键问题[13]。 海上风机基础结构形式按照其适用的水深不同，分为固定式基础和浮式基础两大类[14，15]。在水深小于50m的近海海域，通常采用固定式基础。固定式海上风机基础结构的类型主要有重力式、单桩式、多桩式和导管架式等，各类型结构适用的水深逐渐增加，如图1.1所示。 相较于重力式和单桩式基础结构，多桩式和导管架式基础结构中存在各种钢管节点，由于几何变化不连续，以及焊接初始缺陷的存在，管节点杆件相贯部位会发生明显的应力集中，在循环荷载作用下，管节点比结构其他部位更易发生疲劳开裂破坏[16]。近几十年来，随着钢管结构在建筑、桥梁、海洋等工程中的广泛应用，管节点疲劳破坏发生的频率之高，使之成为备受关注的热点问题。因此，焊接钢管节点是钢管结构疲劳设计的关键[17]，采用合适的、易于工程使用的方法准确地计算出管节点疲劳寿命，是保证海上风机整体结构正常稳定工作的必要条件。 在工程设计中，管节点的主流疲劳设计方法是基于热点应力（hotspotstress，HSS）的S-N曲线法，热点应力的计算可以由名义应力与应力集中系数（stressconcentrationfactor，SCF）相乘得到。焊接钢管节点热点应力问题十分重要，现有针对HSS和SCF的研究成果十分丰富，但是仍然存在一些值得补充和挖掘的地方。本书以海上风机三桩基础结构疲劳分析关键管节点—三平面Y型管节点为研究对象，从以下几个方面系统阐述采用物模试验、数值仿真和人工智能等方法探究管节点热点应力。 （1）管节点的物模试验大多是针对海洋平台中的管节点，与海上风机多桩基础结构管节点相比，一方面是管节点的几何参数范围不同，另一方面是节点的形式有所不同。涉及空间管节点的试验更加复杂，既难以在多个平面同时施加荷载，又难以在某个平面同时施加复杂荷载。本书第2章详细介绍作者所在团队针对空间管节点开发的复杂荷载加载试验系统、海上风机三桩基础结构关键管节点的试验方法和试验结果。 （2）综合考虑研究的可靠性、成本及效率，通常采用物模试验和数值仿真相结合的方法研究管节点热点应力问题。有限元模拟方法具有成熟的理论基础及丰富的应用经验。本书第3章从数学模型、仿真平台、有限元模型等方面详细介绍管节点数值仿真方法的建立及验证。 （3）管节点的实际工作情况是复杂荷载同时作用于各撑杆，虽然规范中建议复杂荷载作用时热点应力可通过简谐插值叠加，但是荷载间的相互作用仍然值得更加深入的定量研究。对于空间管节点，撑杆分布于多个平面，既影响管节点的整体刚度，也影响相邻撑杆的受力性能，因此空间管节点的多平面相互作用不可忽视。本书第4章系统阐述关于荷载相互作用和多平面相互作用的研究，进而给出复杂荷载作用下空间管节点的热点应力计算公式。 （4）在以往研究中尚未对三平面Y型管节点进行系统研究，该类型管节点是海上风机三桩基础结构疲劳分析中的关键管节点，其具有典型的空间管节点特性，尚未有高效可靠的方法计算其在复杂荷载作用下的热点应力。本书第5章和第6章分别介绍三平面Y型管节点SCF及相互作用因子（mutualinfluencefactor，MIF）的极值公式和分布公式，结合本书第4章介绍的管节点热点应力计算公式，可以方便快捷地求出该管节点在复杂荷载作用下的热点应力。 （5）为了进一步提高预测精度，本书第7章以作者所在团队建立的三平面Y型管节点数值模型库及SCF（MIF）数据库为基础，介绍采用人工神经网络（artificialneuralnetwork，ANN）预测三平面Y型管节点在基本荷载作用下SCF（MIF）沿焊缝分布的方法。本书第8章以实际工程应用为例，详细阐述综合应用本书给出的各公式计算焊接钢管节点热点应力的过程。值得说明的是，虽然本书以三平面Y型管节点为重点研究对象，但是本书介绍的研究方法可以应用于各种工程结构中的焊接钢管节点。 1.2　管节点研究基础 1.管节点分类 管节点可分为平面管节点和空间管节点两大类。平面管节点是指所有杆件轴线处于同一个平面内的管节点，杆件轴线不全位于同一平面内的管节点则为空间管节点[13]。在节点处贯通的钢管称为弦杆（或主管），其余则称为撑杆（或支管）。 平面管节点按其受力情况可分为T、Y、K、X和KT等类型[14]。撑杆传递的冲剪荷载全部由弦杆中剪力平衡的节点为T或Y型节点，其中，弦杆和撑杆轴线垂直的节点为T型节点，其余为Y型节点，如图1.2（a）所示；撑杆传递的冲剪荷载由该撑杆同侧撑杆承担的节点为K型节点，如图1.2（b）所示；撑杆传递的冲剪荷载由弦杆另一侧撑杆承担的节点为X型节点，如图1.2（c）所示；撑杆传递的冲剪荷载由弦杆和同侧撑杆共同承担的节点为KT型节点，如图1.2（d）所示。 近十几年来，随着钢管结构在大型工程中的广泛应用，原有的平面管节点已经不能满足工程需求，很多形式的空间管节点应运而生[15]。如图1.3所示，常见的空间管节点有DK型节点、DX型节点、DKT型节点、三平面KT型节点等。 图1.3仅给出了代表性的轴力荷载工况，实际上空间管节点的受力情况十分复杂，其除了承受轴力荷载，还承受弯矩、剪力和扭矩等，因此其应力分布和疲劳分析也更为复杂。 图1.1（d）所示的导管架式基础结构中主要有DK型节点和平面X型节点等，这些节点的尺寸比多桩式基础结构中的管节点小，国内外有很多可供参考的相关研究成果[20-22]。图1.1（c）所示的多桩式基础结构为三桩基础结构，其广泛应用于近海风电开发中。三桩基础结构的关键管节点为风机塔筒与基础结构相连的法兰点正下方的三平面Y型管节点，已有研究[23，24]指出，采用规范中提供的平面Y型管节点热点应力计算公式会产生很大的误差，从而大大减小疲劳寿命评估的准确性。因此，本书介绍的HSS、SCF和MIF计算公式非常有必要，可供基于热点应力法的疲劳评估方法使用，使快速给出工程评价成为可能。 2.关键几何参数 弦杆长细比α、撑-弦杆直径比β、弦杆径厚比γ、撑-弦杆壁厚比τ和撑-弦杆夹角θ是影响平面管节点热点应力的关键几何参数，标准[25]和文献[26]、[27]中给出的管节点SCF计算公式均以上述无量纲几何参数为自变量，而不考虑管节点几何尺寸的绝对值。图1.4（a）给出了一典型平面Y型管节点几何尺寸定义，L为弦杆计算长度，D为弦杆外直径，T为弦杆壁厚，l为撑杆计算长度，d为撑杆外直径，t为撑杆壁厚。由几何尺寸可计算得到几何参数： （1.1） （1.2） （1.3） （1.4） 如图1.4（b）所示的撑杆与弦杆相交线，在节点处贯通者为弦杆，因此弦杆与撑杆的相交线位于弦杆外表面；撑杆有壁厚，因此弦杆表面有两条相交线，撑杆外表面与弦杆外表面相交线称为外相交线，撑杆内表面与弦杆外表面相交线称为内相交线。撑杆与弦杆的相交线是十分重要的辅助线，撑杆与弦杆间的焊缝曲线将由此推导得到（推导过程见3.1节）。为了便于定位，采用撑-弦杆相交线极角标识相交线上的点，逆时针为正，处为冠踵，处为冠趾，冠趾和冠踵统称为冠点，和处为两侧鞍点。 3.焊趾处应力构成 由于焊接缺陷和残余应力不可避免，焊接构件焊趾处应力沿钢板壁厚方向的分布是不均匀的，如图1.5所示[28]。焊趾处总应力称为局部切口应力，记为σns，其主要应力组成为沿壁厚均匀分布的膜应力σm、沿壁厚方向线性变化的弯曲应力σb和由焊趾切口效应产生的自平衡非线性峰值应力σnlp。膜应力与弯曲应力之和称为结构应力，通常记为σhs，结构应力σhs由焊接构件的几何尺寸决定。非线性峰值应力的影响因素很多，如焊缝尺寸、焊接缺陷、初始裂纹和残余应力等。 由上述分析可知，管节点外表面焊趾处（壁厚t=T处）的应力如图1.6所示[28]。名义应力σ是指撑杆横截面上远离焊缝区域而均匀分布的应力，不考虑结构不连续性和局部影n响。当外荷载一定时，名义应力由构件的截面特性决定[29]。热点应力还需要考虑构件的几何尺寸，热点应力与名义应力的比值定义为SCF。需要说明的是，管节点的焊缝是一条空间曲线，可以认为焊趾处的热点应力有无数个，在管节点疲劳评估时，往往取焊趾曲线上*大的热点应力作为该管节点的热点应力，为了指代明确，在本书中将焊趾曲线上各点处的热点应力称为结构应力（图1.5中膜应力与弯曲应力在t=T时之和），而将焊趾曲线上结构应力*大值称为热点应力。 由上述说明可知，在试验或数值仿真时，焊缝处直接测得或提取的应力为局部切口应力，为了排除非线性峰值应力的影响，焊缝处的结构应力需要通过外推插值法计算得到。