王洪慶，李德江，傅 強(qiáng)，李 磊，張國棟，杜之富

(中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264000)

半潛式平臺立柱與浮筒連接節(jié)點(diǎn)疲勞可靠性分析

王洪慶，李德江，傅 強(qiáng)，李 磊，張國棟，杜之富

(中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺 264000)

半潛式平臺結(jié)構(gòu)和受力條件復(fù)雜。能否準(zhǔn)確把握關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)在復(fù)雜受力條件下的疲勞性能，直接影響到平臺整體結(jié)構(gòu)的疲勞可靠性。針對目前頻繁出現(xiàn)的平臺立柱與浮筒連接節(jié)點(diǎn)疲勞失效，首先總結(jié)工程中主流的四種立柱與浮筒連接節(jié)點(diǎn)形式；然后，利用設(shè)計(jì)波法計(jì)算總體載荷，子模型法獲得熱點(diǎn)應(yīng)力，以及簡化疲勞方法評估節(jié)點(diǎn)疲勞壽命；再次，采用古特曼模型以及Gerber模型討論平均應(yīng)力對節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)壽命的影響，計(jì)算結(jié)果表明，四種不同方案的節(jié)點(diǎn)形式熱點(diǎn)應(yīng)力水平和疲勞壽命差異很大。據(jù)此，從半潛式平臺總體結(jié)構(gòu)響應(yīng)入手，通過對比分析各個方案結(jié)構(gòu)形式和計(jì)算結(jié)果，闡述導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)計(jì)算疲勞壽命差異的主要原因。最后根據(jù)挪威船級社(DNV)規(guī)范提供的數(shù)據(jù)簡要分析該節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命對整個平臺可靠度的影響。

半潛式平臺；疲勞壽命；連接節(jié)點(diǎn)；平均應(yīng)力；可靠性

0 引 言

半潛式鉆井平臺是一種長期在惡劣海況中工作的深水油氣開發(fā)設(shè)備。其不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價昂貴，且若發(fā)生事故，將對海洋環(huán)境造成嚴(yán)重污染。因此，保證整個平臺結(jié)構(gòu)具有足夠的可靠性和安全性，是保證半潛式鉆井平臺長期安全可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。由于半潛式鉆井平臺結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，結(jié)構(gòu)存在多處剛度突變的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度問題顯著。剛度存在突變的結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度問題一直備受國內(nèi)外學(xué)者和工程界的關(guān)注。

劉華祥等[1]認(rèn)為，半潛式鉆井平臺的疲勞問題都集中在平臺主體結(jié)構(gòu)連接的節(jié)點(diǎn)區(qū)域。崔磊等[2]利用裂紋擴(kuò)展對半潛式平臺立柱與橫撐節(jié)點(diǎn)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行了研究，總結(jié)了深水半潛式平臺結(jié)構(gòu)疲勞裂紋擴(kuò)展分析的流程。馬網(wǎng)扣等[3]針對半潛式鉆井平臺節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度，利用譜分析方法進(jìn)行研究，考慮了有效主應(yīng)力方向的選取范圍。張劍波等[4]在研究半潛式平臺的極限強(qiáng)度時，重點(diǎn)研究了半潛式平臺中典型管節(jié)點(diǎn)的極限強(qiáng)度問題。在針對中深域的半潛式平臺總體強(qiáng)度進(jìn)行研究時，發(fā)現(xiàn)在半潛式平臺的關(guān)鍵連接區(qū)域存在明顯的動應(yīng)力，疲勞問題嚴(yán)重。而在針對海洋結(jié)構(gòu)物焊接結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中參數(shù)進(jìn)行的理論研究中，發(fā)現(xiàn)由于焊接誤差的存在，往往會導(dǎo)致額外的應(yīng)力集中系數(shù)[5-6]。當(dāng)前文獻(xiàn)中，主要將半潛式平臺中的管節(jié)點(diǎn)作為分析的重點(diǎn)，并且文獻(xiàn)主要是對現(xiàn)有平臺的一種校核，或者是反向驗(yàn)證算法的可行性[7-9]。很少有人從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)剛度匹配、應(yīng)力流向以及應(yīng)力集中等方面去討論半潛式平臺節(jié)點(diǎn)的疲勞和強(qiáng)度問題。目前某半潛式平臺在其立柱與浮筒連接處出現(xiàn)焊縫疲勞開裂導(dǎo)致漏水造成整個平臺無法作業(yè)。對此，本文從結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則與工程實(shí)踐角度，對工程中半潛式平臺立柱與浮筒連接位置采用的四種不同節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行分析討論。借助分析結(jié)果分析說明由于新近半潛式平臺結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)空間梁系理論分析方法不能夠準(zhǔn)確反映節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中程度，導(dǎo)致評估結(jié)果與實(shí)際情況背離。最后，本文討論了節(jié)點(diǎn)位置出現(xiàn)應(yīng)力集中的原因以及避免的方法，總結(jié)出準(zhǔn)確把握和評估節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度的關(guān)鍵因素，并且選出適合工程實(shí)踐的最佳方案。

1 立柱與浮筒內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)方案介紹

本文以目前已投入生產(chǎn)運(yùn)營的半潛式平臺為樣本，總結(jié)對于立柱寬度與浮筒寬度不一致的半潛式平臺，其立柱與浮筒的典型四種不同的連接節(jié)點(diǎn)形式，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分析討論。研究的立柱與浮筒內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)具體位置如圖1所示。節(jié)點(diǎn)具體實(shí)施方案如下。

方案一(圖2)：該方案是在與立柱圓角區(qū)域連接的浮筒甲板下面設(shè)置1/4圓周的圓弧板，使之支撐立柱圓弧外板，所加圓弧板端部分別焊接到浮筒的縱橫艙壁上[10]。該方案早期應(yīng)用在巴西海域平臺，優(yōu)點(diǎn)就是保證立柱形狀簡單。

方案二(圖3)：在方案一的基礎(chǔ)之上，在與圓弧板垂直的方向布置肘板，肘板與圓弧板交叉布置；同時立柱圓弧外板內(nèi)側(cè)采用豎向加強(qiáng)筋。該方案是方案一的升級版，設(shè)計(jì)者試圖利用增加的肘板增強(qiáng)立柱拐角處支撐的剛度。

方案三(圖4)：將立柱外板直接延伸到浮筒底部，使豎向結(jié)構(gòu)連續(xù)。該方案的設(shè)計(jì)理念與前兩種方案相比，完全不同，該方案的思想就是保證豎向結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，合理傳遞應(yīng)力。

方案四(圖5)：將立柱底端截面改為矩形，使之與浮筒內(nèi)部艙壁相互對應(yīng)。在拐點(diǎn)位置設(shè)置相互垂直的兩個肘板。該方案與方案三的設(shè)計(jì)理念一樣，就是保證結(jié)構(gòu)連續(xù)性；其做法則與方案三相反，即通過改變立柱截面形狀使浮筒縱橫艙壁對齊，保證主要傳力構(gòu)件的連續(xù)性。

圖1 分析節(jié)點(diǎn)位置Fig.1 Location of connection details

圖2 方案一俯視圖Fig.2 Plan view of the 1st connection type

圖3 方案二俯視圖Fig.3 Plan view of the 2nd connection type

圖4 方案三俯視圖Fig.4 Plan view of the 3rd connection type

圖5 方案四俯視圖Fig.5 Plan view of the 4th connection type

2 基于簡化疲勞的設(shè)計(jì)波載荷

本文所述立柱與浮筒連接節(jié)點(diǎn)的載荷主要來自于半潛式平臺結(jié)構(gòu)的總體變形，對于雙浮筒半潛式平臺，波浪對其作用的主要表現(xiàn)為浮筒之間的內(nèi)開力、扭矩、縱向和橫向剪力以及甲板盒質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力[11]?；诎霛撌狡脚_響應(yīng)特性以及本文所討論節(jié)點(diǎn)的受力特點(diǎn)，以操作工況下的作業(yè)條件為基準(zhǔn)，結(jié)合波浪的長期分布特性，以上述載荷特點(diǎn)為統(tǒng)計(jì)值，選取一系列設(shè)計(jì)波作為節(jié)點(diǎn)疲勞強(qiáng)度分析的載荷輸入。

本文根據(jù)南海波浪的長期分布特點(diǎn)(見表1)，結(jié)合平臺的具體結(jié)構(gòu)形式，選取對半潛式平臺總體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生最不利影響的波浪。利用SESAM程序包中的WADAM模塊搜索并計(jì)算波浪載荷。利用半潛式平臺總體結(jié)構(gòu)在不同設(shè)計(jì)波載荷下的響應(yīng)，作為連接節(jié)點(diǎn)疲勞分析的動載荷輸入[5，12]。考慮結(jié)構(gòu)的對稱性，文中選擇0°～180°內(nèi)的設(shè)計(jì)波，詳細(xì)設(shè)計(jì)波參數(shù)如表2所示。

表1 海況參數(shù)輸入

表2 某半潛式平臺針對南海海況校核疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)波列表(0°～180°)

3 計(jì)算模型與邊界條件

3.1 計(jì)算模型

為了準(zhǔn)確模擬立柱與浮筒連接節(jié)點(diǎn)處結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想和節(jié)點(diǎn)周圍結(jié)構(gòu)剛度的分布，為了準(zhǔn)確反映節(jié)點(diǎn)局部應(yīng)力傳遞的路徑，為了消除邊界位移載荷插值計(jì)算對節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布的影響，將模型做如下處理：各個方案的局部計(jì)算模型范圍均為截取1/4的立柱與浮筒，見圖6～9，節(jié)點(diǎn)附近位置網(wǎng)格大小采用t×t(t為板厚)，模型最大網(wǎng)格為400 mm×400 mm。圖6～9中利用不同顏色表示模型中厚度屬性的分布，楊氏模量均為2.06 GPa，泊松比為0.3，材料為屈服強(qiáng)度355 MPa的高強(qiáng)度鋼。

圖6 模型網(wǎng)格和板厚屬性:方案一Fig.6 Mesh and thickness model of the 1st type

圖7 模型網(wǎng)格和板厚屬性:方案二Fig.7 Mesh and thickness model of the 2nd type

圖8 模型網(wǎng)格和板厚屬性:方案三Fig.8 Mesh and thickness model of the 3rd type

圖9 模型網(wǎng)格和板厚屬性：方案四Fig. 9 Mesh and thickness model of the 4th type

3.2 邊界條件與載荷

邊界條件通過子模型技術(shù)，將平臺總體結(jié)構(gòu)的變形或者位移邊界，通過節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)，同時將單元自身形狀函數(shù)作為插值函數(shù)，合理地匹配總體模型與局部模型在邊界位置的位移。本文利用SESAM軟件的SUBMOD模塊，將總體結(jié)構(gòu)位移結(jié)果施加到局部分析模型的邊界上面，作為位移載荷。同時，模型考慮了局部海水波浪的動壓力與整體模型運(yùn)動產(chǎn)生的慣性力。

4 海洋工程結(jié)構(gòu)簡化疲勞評估方法

海洋工程結(jié)構(gòu)簡化疲勞方法是基于海洋結(jié)構(gòu)物應(yīng)力長期分布特點(diǎn)推導(dǎo)出的一種快速評估海洋工程結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的方法[12]。工程經(jīng)驗(yàn)表明，雙參數(shù)Weibull分布能夠很好地模擬波浪的長期分布特點(diǎn)，并且認(rèn)為結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)的長期分布也服從雙參數(shù)Weibull分布[13]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到節(jié)點(diǎn)位置應(yīng)力長期分布的特點(diǎn)，推導(dǎo)出Weibull分布的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)。北大西洋海域和全球范圍內(nèi)操作海域，Weibull形狀參數(shù)可以參考船級社規(guī)范選取。通過設(shè)計(jì)年限，參考應(yīng)力回復(fù)周期的概率水平，最后可以確定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命內(nèi)出現(xiàn)頻率為1次的最大應(yīng)力范圍作為疲勞設(shè)計(jì)許用應(yīng)力。簡化疲勞方法規(guī)定熱點(diǎn)應(yīng)力范圍不大于許用應(yīng)力范圍。

簡化疲勞方法能夠快速地評價結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度。借助簡化疲勞結(jié)果，對各個方案關(guān)鍵焊縫位置的疲勞壽命進(jìn)行對比分析，以此評價各方案節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)缺點(diǎn)[14]。

4.1 基于Weibull分布的疲勞許用應(yīng)力

本文所述平臺的不同連接方案分析中，波浪長期都服從雙參數(shù)Weibull分布，形狀系數(shù)取γ=1.0；設(shè)計(jì)壽命為20年，設(shè)計(jì)壽命期間的許用應(yīng)力的參考概率水平為10-8；m，r,A,C為疲勞-壽命(S-N)曲線參數(shù),文中所用的S-N曲線為名義應(yīng)力S-N曲線和熱點(diǎn)應(yīng)力S-N曲線[13]。FDF為疲勞設(shè)計(jì)系數(shù)，取FDF=1，許用應(yīng)力范圍為[13]

,(1)

式中：Γ( )為伽瑪函數(shù);δ為Weibull分布尺度函數(shù)。

由S-N曲線方程N(yùn)=AΔσ-m可知，疲勞損傷與應(yīng)力幅值之間存在m次方的關(guān)系。根據(jù)簡化疲勞計(jì)算結(jié)果簡單地估算疲勞壽命值：

(2)

式中：Lact為結(jié)構(gòu)的實(shí)際疲勞壽命，Ldesign=20年；SFEM為模型提取的最大主應(yīng)力值；m為S-N曲線參數(shù)，一般從保守角度考慮，取m=3.0。因此根據(jù)疲勞應(yīng)力的比值大小，就可以對比分析出不同結(jié)構(gòu)疲勞壽命的差異程度。

4.2 計(jì)算模型應(yīng)力的讀取與平均應(yīng)力修正

根據(jù)斷裂力學(xué)理論可知，結(jié)構(gòu)同時受到拉伸彎曲載荷時，表面裂紋的張開與擴(kuò)展決定著結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。所以，在利用有限元數(shù)值計(jì)算結(jié)果時，要考慮板結(jié)構(gòu)自身彎曲導(dǎo)致的上下表面應(yīng)力的差異，即考慮板結(jié)構(gòu)本身彎曲應(yīng)力的成分。同時板內(nèi)的軸向力的拉壓效果同樣對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大影響，合理考慮板的軸向力，也是準(zhǔn)確評估結(jié)構(gòu)疲勞壽命的重要因素[15-16]。

在挪威船級社(DNV)疲勞規(guī)范中，只針對非焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)的平均應(yīng)力提出了修正。但是對于焊接結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在平均軸向應(yīng)力時，對疲勞強(qiáng)度的影響，卻沒有規(guī)定。本文根據(jù)古特曼曲線以及Gerber曲線分析對計(jì)算應(yīng)力進(jìn)行修正，來說明平均應(yīng)力對節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)壽命的影響。

古特曼曲線假設(shè)疲勞極限線是經(jīng)過對稱循環(huán)變應(yīng)力的疲勞極限A點(diǎn)和靜強(qiáng)度極限B點(diǎn)的一條直線，見圖10曲線2和式(3)；Gerber曲線假設(shè)疲勞極限線為疲勞極限A點(diǎn)和靜強(qiáng)度極限B點(diǎn)的拋物線[17-18]，見圖10曲線1和式(4)：

(3)

(4)

式中：σm為平均應(yīng)力；σb為極限強(qiáng)度，一般取屈服強(qiáng)度；σ-1為疲勞極限；σa為應(yīng)力幅值。

圖10 疲勞極限圖譜Fig.10 Fatigue limits curves

5 計(jì)算應(yīng)力結(jié)果與疲勞壽命分析

5.1 計(jì)算應(yīng)力結(jié)果

圖11～14為四種方案下立柱與浮筒連接節(jié)點(diǎn)的主應(yīng)力分布云圖。從分析結(jié)果來看，前三種方案的連接節(jié)點(diǎn)形式的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在立柱與浮筒相交的拐角圓弧位置。第四種方案應(yīng)力峰值出現(xiàn)在縱向肘板的自由邊位置和肘板與立柱連接的焊縫處。各方案主應(yīng)力峰值情況如表3所示。

圖11 最大主應(yīng)力分布云圖和節(jié)點(diǎn)處主應(yīng)力分布云圖0～200 MPa:方案一Fig.11 Maximum principal stress plot of global and connections ranging from 0 to 200 MPa for the 1st type

圖12 最大主應(yīng)力分布云圖和節(jié)點(diǎn)處主應(yīng)力分布云圖0～200 MPa:方案二Fig.12 Maximum principal stress plot of global and connections ranging from 0 to 200 MPa for the 2nd type

圖13 最大主應(yīng)力分布云圖和節(jié)點(diǎn)處主應(yīng)力分布云圖0～200 MPa:方案三Fig.13 Maximum principal stress plot of global and connections ranging from 0 to 200 MPa for the 3rd type

方案編號主應(yīng)力峰值水平/MPa位置參考1264浮筒甲板與立柱外板焊縫處圖112205安裝肘板根部硬點(diǎn)位置圖123198立柱外板與浮筒甲板相交處圖134154縱向肘板自由邊圖14

5.2 應(yīng)力結(jié)果分析與方案評價

方案一：從圖11中可以看出，立柱與浮筒相交焊縫位置處，局部結(jié)構(gòu)動載應(yīng)力峰值極高，見表3，并且主應(yīng)力峰值處在關(guān)鍵焊縫位置。究其原因，第一，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度來說，該節(jié)點(diǎn)處立柱外板與浮筒的連接沒有進(jìn)行有效的過渡，存在剛度突變，導(dǎo)致應(yīng)力流無法從立柱外板直接傳遞到浮筒內(nèi)的強(qiáng)力構(gòu)件，致使該位置應(yīng)力集中嚴(yán)重。第二，從變形角度來講，立柱外板與浮筒縱橫艙壁將連接節(jié)點(diǎn)處的浮筒甲板分割出來一個斜邊為圓弧形狀的直角三角形區(qū)域(見圖15陰影部分)，在該區(qū)域的圓弧和直角邊接近末端1/3位置，直角邊與浮筒艙壁焊接位置出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)(下表面應(yīng)力分布)，同時在圓弧邊與立柱外板焊接位置出現(xiàn)高應(yīng)力區(qū)(上表面應(yīng)力分布)，原因?yàn)樵诳傮w彎矩及壓力作用下，連接處焊縫要產(chǎn)生位移，此時浮筒的縱橫艙壁對三角區(qū)域產(chǎn)生額外的約束，導(dǎo)致該三角區(qū)域的局部彎曲應(yīng)力無法傳遞到其他強(qiáng)力構(gòu)件上，進(jìn)而成為高應(yīng)力區(qū)。該高應(yīng)力區(qū)直接影響連接節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。

圖15 方案一連接節(jié)點(diǎn)三角板區(qū)域與主應(yīng)力分布云圖Fig.15 Drawings and maximum principal stress plot of the 1st type connections

方案二：該方案可以認(rèn)為是方案一的補(bǔ)充，它通過在立柱內(nèi)安裝加強(qiáng)筋與浮筒內(nèi)安裝垂向肘板，增強(qiáng)該節(jié)點(diǎn)處的抗彎剛度和抗壓能力。該方案仍沒有有效改善立柱外板與浮筒交線位置的結(jié)構(gòu)連續(xù)性，故應(yīng)力集中現(xiàn)象仍然嚴(yán)重。但加強(qiáng)筋與肘板剛度的分擔(dān)作用很明顯，見圖12，三角形高應(yīng)力區(qū)(見圖15)的應(yīng)力水平下降25%左右。值得注意的是，在肘板與加強(qiáng)筋連接的位置，有明顯的硬點(diǎn)出現(xiàn)?？梢缘玫浇Y(jié)論：方案二中安裝的加強(qiáng)筋與大肘板，改變了應(yīng)力的傳遞路徑，成功分擔(dān)了立柱外板上的應(yīng)力流。這也從側(cè)面證明，立柱內(nèi)的骨材豎向布置優(yōu)于水平布置。

方案三：由于立柱外板拐角處與浮筒內(nèi)部艙壁結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，消除了方案一與方案二中高應(yīng)力三角區(qū)域，很大程度上降低了應(yīng)力集中程度。從應(yīng)力云圖上可以明顯看出，浮筒甲板上的主應(yīng)力降低為方案二的60%左右。但是在抵抗彎矩方面，立柱外板與浮筒甲板之間的直角仍然無法完美地傳遞彎曲應(yīng)力。從分析結(jié)果來看，立柱外板的主應(yīng)力幅值升高明顯。

方案四：基于上面的分析，該方案保證結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，同時考慮了沿浮筒方向以及垂直于浮筒方向的彎矩效應(yīng)，在立柱根部增加兩個相互垂直的肘板。從分析結(jié)果的主應(yīng)力分布圖可知，該方案將危險焊縫位置應(yīng)力幅值降低到了70～80 MPa，幾乎降到了方案一30%的水平，疲勞壽命將直接提高15倍左右。此外，通過安裝肘板，消除了連接處的硬點(diǎn)；合理地傳遞了波浪動載荷下，總體變形產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力；改變了主應(yīng)力方向與危險焊縫之間的角度，在危險焊縫區(qū)域內(nèi)，主應(yīng)力大致方向與焊縫之間角度小于45°，部分區(qū)域接近平行，這使得主應(yīng)力對焊縫裂紋擴(kuò)展的作用大幅度削減。綜上所述，相比方案一，方案四可以將節(jié)點(diǎn)疲勞壽命提高到大約20倍；相比方案二與方案三，疲勞壽命也有極大提高。

5.3 疲勞壽命分析

利用海工簡化疲勞方法原理，評估結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，結(jié)果如表4和表5所示。從表中可以看出，方案四的疲勞壽命為方案一的30倍左右，并且方案四的疲勞壽命受平均應(yīng)力的影響很小。利用S-N曲線計(jì)算得到的疲勞壽命其實(shí)反映的是結(jié)構(gòu)失效的概率水平，根據(jù)DNV有關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)疲勞壽命達(dá)到設(shè)計(jì)值時，其失效的概率在15%左右。在只考慮立柱與浮筒內(nèi)側(cè)節(jié)點(diǎn)對整個平臺可靠性的影響時，計(jì)算得到整個平臺結(jié)構(gòu)疲勞可靠性的概率水平，如表6所示。表6分別列舉了四種方案在不同使用年限下不失效的概率。從表6中不同計(jì)算壽命下疲勞強(qiáng)度可靠性的差異，可以看出：(1)不同的節(jié)點(diǎn)形式對疲勞壽命的影響很大，方案四的節(jié)點(diǎn)形式疲勞壽命最高，方案一的疲勞壽命最短，兩者的疲勞壽命相差可達(dá)30倍以上；(2)平均應(yīng)力對疲勞的影響也不可以忽略，尤其對高受拉應(yīng)力焊縫的疲勞壽命折減很明顯，僅為修正前的1/5壽命，在特殊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時，考慮平均應(yīng)力的影響，將使結(jié)構(gòu)更加經(jīng)濟(jì)[19]。

表4 浮筒甲板內(nèi)表面連接焊縫疲勞壽命評估

表5 浮筒甲板外表面連接焊縫疲勞壽命評估

表6 立柱與浮筒連接節(jié)點(diǎn)失效對整個平臺結(jié)構(gòu)壽命的影響

*節(jié)點(diǎn)失效概率與疲勞壽命的關(guān)系，請參考文獻(xiàn)[20]；**(1-15%)4=52.20%，因?yàn)樵诎霛撌狡脚_中將有4處使用該節(jié)點(diǎn)。

6 結(jié) 語

通過對立柱與浮筒內(nèi)側(cè)不同節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式方案的疲勞分析，可以得到如下結(jié)論：

(1) 通過分析四種方案的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，得出關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要遵循結(jié)構(gòu)的連續(xù)性原則和結(jié)構(gòu)剛度匹配性的原則。

(2) 通過對比分析四種方案可知，疲勞強(qiáng)度問題是半潛式平臺關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵失效模式。

(3) 通過分析研究關(guān)鍵連接節(jié)點(diǎn)不同的結(jié)構(gòu)方案可知，方案四從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度以及分析結(jié)果方面，都是最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

(4) 本文所分析的研究節(jié)點(diǎn)都是基于雙浮體半潛式平臺，對于環(huán)形浮筒平臺的連接節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，需綜合環(huán)形浮筒平臺結(jié)構(gòu)的總體受力特點(diǎn)進(jìn)行分析。

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FatigueAnalysisofConnectionBetweenColumnandPontoonofSemi-SubmersibleUnits

WANG Hong-qing， LI De-jiang, FU Qiang， LI Lei， ZHANG Guo-dong， DU Zhi-fu

(CIMCRaffles，Yantai,Shandong264000,China)

Fatigue strength of connections between column and pontoon directly influences the reliability of the whole semi-submersible structure. Due to the frequently occurring fatigue failure of existing semi-submersible units, we carry out fatigue analysis based on simplified method for four type connections which have been used in present design. The connections fatigue life is modified by considering the mean stress accounted for the Goodman curve and Gerber curve. Then we compare the results to find out the optimized connection type. At last, the influence of the fatigue life on the reliability of the whole semi-submersible units is analyzed based on the data obtained from the Det Norske Veritas (DNV) rules.

semi-submersible units; fatigue life; connection; mean stress; reliability

2016-07-26

王洪慶(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事浮式海洋工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的研究。

P751

A

2095-7297(2016)04-0227-09