塔形井架半刚性节点的初始刚度研究

邹龙庆，熊 敏 ，崔晓华

（东北石油大学 井架检测部级重点实验室，黑龙江 大庆163318）①

塔形井架具有承载能力大、稳定性好的优点，成为陆地超深井钻机井架和海洋钻机井架最主要的一种结构形式。井架结构通过焊接、销座耳板连接和螺栓连接3种形式组装成整体。从连接刚度和连接传力方面分析，井架构件间的连接可分为刚性、半刚性和铰接3种类型。

刚性连接的特点是传力时保持相交构件间原有的夹角不变，可传递各种内力。在钻机底座结构中的焊接连接以及部分井架的焊接连接，由于构件较粗大，节点处刚度大，可视为刚性连接。半刚性连接在传力时不能保持相交构件原有夹角不变，但能可靠地承受各种内力。试验和分析表明，大多数的井架焊接节点以及螺栓连接节点均属于此种连接。铰接连接仅能传递轴力，允许构件绕节点转动。销座耳板连接允许连接构件绕销轴转动，所以在销轴中心方向属于铰接连接，在其他方向上不属于铰接连接［1］。

在对塔形井架进行研究时，通常假设钢架结构是完全刚接或理想铰接［2］，以达到简化计算的目的，并没有考虑其连接的半刚性，这与现场使用多年的在用井架的实际工作情况不相符，计算结果必然会带来误差。为此，应该充分考虑半刚性连接对其结构性能的影响，真正达到安全和经济的统一。本文提出了单、双螺栓连接节点初始刚度的理论计算方法，并利用有限元软件进行数值分析，获得了连接节点的初始刚度值。

1 节点的初始刚度

1.1 双螺栓连接结构

图1为井架大腿与拉筋之间采用双螺栓连接结构的简图。在弯矩M（M为当外力矩T大于预紧力矩时，外力矩与预紧力矩的差值，以下同）的作用下，节点在水平和竖直方向都将发生形变，产生转角，如图2所示。

图1 双螺栓连接结构示意

图2 螺栓节点变形示意

假设井架结构材料为线弹性材料，在弯矩的作用下产生的变形很小，即处于弹性变形阶段，节点的转角变形为［3］

式中：Δuf为受拉翼缘的轴向变形；Δtf为受压翼缘的轴向变形；Db为两螺栓间距离；tbf为螺栓的公称直径。

式中：Δep为座板的变形；Δcf为大腿翼缘的弯曲变形；Δbo为螺栓的变形；Δs为节点域剪切变形；Δwc为节点区腹板的受压变形。

为了简化计算，认为上、下两螺栓承担所有的弯矩，则拉筋翼缘受拉端和受压端的力F与节点弯矩M 的关系式为

初始刚度是指加载初期连接的弯矩与转角之间为线性时的刚度，由此连接节点的初始刚度可写为

1） 销座受力分析如图3，座板在弯矩M作用

下，结构应力为

应变为

得到变形结果为

图3 销座受力

2） 上、下两螺栓承受到剪力为

每个螺栓在连接长度上受到的均布力如图4所示，可以得到均布载荷q为

式中：l1为座板厚度。

通过力学计算可以得到中点最大挠度，即螺栓的变形为

图4 螺栓受力

3） 柱腹板的变形按照纯剪板件的公式计算［4］，节点域剪切变形Δs为

式中：Dc、tcw分别为柱截面高度、腹板厚度；E为钢材弹性模量；γ为腹板钢材的泊松比。

因为井架在钩载作用下拉筋受力很小，对柱变性影响小，Δcf、Δwc在计算中可以忽略。

1.2 单螺栓连接结构

井架大腿与拉筋之间单螺栓连接如图5所示。在弯矩M的作用下，在水平和竖直方向发生形变。如图6。水平方向变形Δ1包括座板伸长变形，纵向变形Δ2为座板弯曲的纵向位移。

图5 单螺栓连接结构示意

图6 节点变形示意

拉筋相对大腿的转角包括座板平面内转角、螺栓扭转角。其中

Δs1为螺栓剪切变形，其大小为

γ为切应变，τ为切应力，则

在竖直方向的位移为

设螺栓的扭转角为φ

整个转角为

则初始刚度为

2 有限元求解初始刚度

销座耳板连接一般由销轴、座板、耳板和别针等4个零件组成。耳板和座板分别装在被连接的构件上，通过销轴连接在一起。别针装在销轴的一端，防止销轴松脱。销座耳板连接的结构形式按销轴数目分为单销轴连接和双销销轴连接。按照耳板的数目可分为单耳板连接和双耳板连接。销座耳板连接允许连接构件绕销轴转动，在销轴中心方向属于铰接连接，在其他方向属于半刚性连接，应该按照半刚性连接来进行分析。

针对TJ2－41型塔型钻机井架的销座耳板连接节点，建立了三维有限元模型，如图7所示。将销轴与销座、耳板之间设为接触连接，如图8所示。实体模型采用Solid185单元，通过网格划分得到了螺栓连接结构的三维实体有限元模型。ANSYS选用双线性随动强化模型，计算时钢材选用Q345钢，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，材料本构关系如图9所示。在实际受力时，座板应该受到全约束的作用。在这里为了计算方便，将双耳板固定，外力以位移的方式施加于座板耦合端面的主节点上。

图7 销座耳板连接有限元模型

图8 定义的接触对

图9 材料本构关系模型

图10～11分别为模型的应力和位移云图，图12为销轴的应力云图。

图10 应力云图

图11 位移云图

图12 销轴应力云图

由图10～12可以看出：销轴与耳板接触处的应力较大，在侧向载荷的作用下，最容易发生强度破坏。梁柱连接节点处的初始转动刚度，近似为钢材在弹性阶段弯矩－转角关系的比值。节点的弯矩近似为M＝P×L，其中P是座板自由端作用的载荷值（计算中采用销座端面主节点的反力值，大小为230.53kN），L是座板端面到螺栓中心的长度值；节点转角近似为θ＝ΔF／L，其中ΔF是节点沿力的方向产生的位移。经过计算，得到了销座耳板连接节点的侧向初始转动刚度值为3 417kN·m／rad。

3 结论

1） 本文以塔形石油井架螺栓、销座耳板连接节点为研究对象，推导了单、双螺栓连接节点初始刚度的理论计算公式。

2） 以TJ2－41型钻机井架结构为例，根据销座耳板连接节点的构造和受力特点，建立了单销轴连接的双耳板结构的有限元模型，并进行了仿真分析，发现销轴与耳板接触处的应力较大，最容易发生强度破坏。通过计算求得了连接节点的侧向初始转动刚度值。

［1］常玉连，刘玉泉.钻井井架、底座的设计计算［M］.北京：石油工业出版社，1994：62－63.

［2］邹龙庆，付海龙，任国友.JJ160／41－K型井架有限元分析与承载能力研究［J］.石油矿场机械，2004，33（6）：33－35.

［3］曾 意.门式刚架厂房半刚性梁柱节点在高强螺栓欠拧和超拧下的数值模拟分析［D］.武汉：武汉理工大学，2010.

［4］赵必大，郝际平.钢框架梁柱焊接连接的半刚性及其对结构自振频率影响的研究［J］.结构工程师，2008，24（6）：90－91.