套筒参数对T型管节点受力特征的影响研究*

刘 芸，周 翾，毛成超

（青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033）

石油和天然气作为重要的绿色稀缺资源及战略储备得到了世界各国的高度重视。海洋平台以综合性好、适用性强等优点在石油、天然气海上开采过程中得到广泛应用，但其同时存在建造时间长、造价高等显著缺点，因此合理改进设计方法以延长其使用寿命，是一个具有现实意义的研究领域。

管节点相贯部位在反复荷载作用下易发生破坏，进而对海洋平台整体受力产生影响，甚至导致其发生倾覆。本文借鉴建筑钢结构对梁柱节点进行加强来提高节点承载能力、转移塑性铰的研究思路，对管节点进行局部加强［1－3］。目前，管节点多采用焊接肘板、主管焊接环向加劲肋、鞍型板、灌浆、增加支撑等方式对局部进行加强［4－6］。上海交通大学冯祺等人提出一种套筒新型加强管节点型式，并针对以下因素对节点承载力的影响进行了研究：（1）撑管与弦管直径比；（2）套筒长轴与撑管直径比；（3）套筒横轴与撑管直径比［7－8］，然而其研究内容却并未涉及套筒厚度及长度等参数对节点的影响，加之椭圆形套筒在实际加工过程中构件精度不易保证，本文针对圆形套筒的厚度、长度对节点承载力的影响展开研究。

1 有限元建模

套筒加强T型管节点的具体做法为：在T型管节点端部焊接一空心圆台，具体构造见图1。

图1 套筒节点的结构形式及有限元模型Fig.1 Structure form and FEM model of sleeve reinforced T-joint

1.1 几何模型

本文共研究了17个模型，所有构件均采用Q345钢，spa-1至spa-16模型为套筒加强 T 型节点，spa-17为未加套筒的普通节点。spa-17选用烟台大学邵永生等人进行环口板加强型节点试验研究时普通节点的尺寸［9－11］，具体尺寸如下：弦管长度l0＝2 000mm，直径d0＝203mm，厚度t0＝6mm；撑管长度l1＝300mm，直径d1＝50mm，厚度t1＝6mm。spa-1至spa-16模型的主管及撑管尺寸与spa-17相等，仅改变套筒尺寸，套筒长度l，厚度t，为研究方便，设套筒厚度与撑管厚度之比为α，即α＝t/t1，其变化范围为0.6～1.2；设套筒长度与撑管直径之比为β，即β＝l/d1，其变化范围为1～2.5，具体参数见表1。

表1 试件编号及参数变化表Table 1 Specimens number and parameters

1.2 有限元建模及加载方式

为验证本文研究方法的有效性，以文献［9］中的普通T型管节点为例，利用ANSYS对其试验过程进行模拟，模型采用solid92单元，泊松比0.3，弹性模量2.05×105MPa，选取文献［9］材性试验中实测的应力应变关系，弦管两端均为固支，撑管端部为滑动约束，采用施加轴向位移的方式进行加载。经过有限元模拟，试件承载能力达到91.13kN，相对于试验实测数据93.2kN，仅存在2.22%的误差，因此本文有限元模拟结果能够反映节点的真实受力情况。

在普通节点有限元模型的基础上增设加强套筒，同时对套筒及附近区域网格进行加密，并对撑管端部施加轴向位移（见图2）。

图2 节点有限元模型Fig.2 FEM model of joint

2 套筒参数对T型管节点承载能力的影响评估

2.1 应力云图

图3～5分别以模型spa-1、spa-16、spa-17为例，给出节点对应位移加载为5和10mm时的应力云图。

对比图3～5的应力云图分布规律可以看出，相对于普通节点spa-17而言，尽管加强型管节点spa-1和spa-16的最大应力仍然出现在相贯线及附近区域，但应力集中现象均得到一定程度的缓解。由于spa-1加强套筒尺寸较小，故对节点应力分布的改善能力弱于spa-16，即套筒的加强参数会对节点应力分布产生影响，因此本文的研究内容具有实际意义。

图3 spa-1在不同位移下的应力云图Fig.3 Stress nephogram of spa-1for different displacement

图4 spa-16在不同位移下的应力云图Fig.4 Stress nephogram of spa-16for different displacement

图5 spa-17在不同位移下的应力云图Fig.5 Stress nephogram of spa-17for different displacement

2.2 加强套筒厚度t对节点的影响

为研究套筒厚度t的影响，图6列出了β分别为1，1.5，2和2.5时各构件的轴力－位移曲线，因加载初期各曲线较为接近，为更加清晰的体现节点随α变化沿y轴方向的增长规律，图中仅描述了节点在承载力超过60kN的轴力位移发展曲线。由图6（a）可知，当β＝1.0时，加强管节点spa-1、spa-2、spa-3、spa-4较普通管节点spa-17的极限承载力91.13kN显著提高，分别达到160.66、163.39、167.23、171.79kN，并且各构件荷载－位移曲线变化趋势较为相似，在轴向位移达到5.5 mm之前，各构件的曲线几乎重合，当位移超过5.5mm之后，试件的承载能力随α的增加而增大，即套筒越厚，节点承载力越高。图6（b）、（c）和（d）中曲线变化规律与图6（a）基本一致。

表2是以普通节点spa-17为参照，对比当β＝1、β＝1.5、β＝2、β＝2.5时，管节点随α的改变对应的承载能力与钢材用量变化规律。由表2可知，套筒对提高节点承载能力极为有效，模型spa-16的用钢量仅增加3.03%，其对应的承载能力达到普通构件的240.48%，即使用钢增量最小的spa-1模型，其承载能力也得到显著提高，为spa-17的176.3%。以上分析表明，套筒这一新型加强方式对改善管节点力学性能效果明显。

将表2中的相关内容绘制于图7，由图中曲线发展规律可看出：套筒长度固定时，随用钢量的递增（即套筒厚度增加）节点承载力不断增强。但当β＝2、β＝2.5时，曲线表现出较为平缓的分布规律，即当套筒长度超过一定范围后，厚度对节点承载能力的影响程度减弱。

2.3 套筒长度h对节点的影响

图8分别绘制了α＝0.6、0.8、1.0和1.2时，采用不同长度套筒进行加强的管节点与普通管节点的荷载－位移曲线。可以看出套筒参数β对节点加强后极限强度的影响规律：图8（a）中，当α＝0.6时，加强管节点与普通节点spa-17相比，极限承载能力得到显著提高，但通过对比各曲线间的增幅可发现，尽管spa-5与spa-1、spa-9与spa-5、spa-13与spa-9之间增幅呈现出逐渐减弱的趋势，但对比图6可知，β的取值对节点力学性能的影响较α显著。图8（b）、（c）和（d）曲线变化规律与图8（a）类似。总体来说，各条曲线之间增幅明显，即节点对β的变化较为敏感。当加强套筒厚度固定之后，增加套筒长度能够有效提高节点的承载能力。

图6 套筒厚度对节点的影响Fig.6 The effect of sleeve thickness on bearing capacity of joints

表2 参数与模型spa-17的对比Table 2 Comparison of parameters for specimens and spa-17

图7 套筒加强型节点质量与承载能力关系Fig.7 The relationship between weight and bearing capacity in sleeve reinforced T-joints

表3为当α取值分别为0.6、0.8、1.0、1.2时，各节点承载能力及钢材用量与spa-17的对比结果，可以看出，随着α的增加，β对节点的影响逐渐减弱，例如当α＝0.6时模型spa-13用钢量仅增加1.52%就促使节点承载能力达到普通模型的234%，然而，当α＝1.2时，spa-16试件的用钢量增加3.03%，其承载能力仅为对比构件的240%，即套筒长度对节点承载力影响将随套筒厚度的增加而逐渐减弱。

为进一步直观研究β的影响规律，将表3中的内容绘制于图9。由曲线发展规律可以看出：（1）与图7对比，图9中各曲线较为陡直，随用钢量增长，承载能力得到显著提升，即套筒长度对节点影响明显；（2）各曲线间差别较图7微弱，这一现象表明参数α对节点的影响弱于β；（3）对比α＝0.6、α＝0.8、α＝1.0和α＝1.2时的4条曲线可发现，尽管其斜率伴随α增加而减小，即套筒长度对节点承载力影响将随套筒厚度的增加而逐渐减弱，但与图7相比图线仍然表现出显著的递增趋势。

综上所述，当套筒厚度固定时，节点承载能力随套筒长度增加得到显著改善，故适当提高加强套筒的轴向长度对优化节点承载力而言是一项有效措施。

图8 套筒长度对节点的影响Fig.8 Effect of sleeve height on bearing capacity of joints

表3 参数与模型spa-17的对比Table 3 Comparison of parameters for specimens and spa-17

图9 套筒加强型节点质量与承载能力关系Fig.9 The relationship between weight and bearing capacity in sleeve reinforced T-joints

3 结论

通过本文研究，可得到如下结论：

（1）套筒对于T型管节点具有很好的加强效果，能够很大程度地提高节点的极限承载能力，但由应力云图分布规律可知最大应力仍然出现在相贯线附近。

（2）当加强套筒长度固定时，单纯增加其厚度对提高节点承载力的效果有限。

（3）节点对套筒长度的变化较为敏感，当用钢量一定时，应优先选择增加套筒轴向长度尺寸来改善节点受力情况。

本文研究成果表明套筒作为一种加强措施可有效改善管节点的受力情况。但应该注意到加强套筒虽然对节点的承载能力有显著提高，但最大应力依然出现在节点相贯线附近，此处有撑管与弦管、套筒与弦管两条焊缝通过，焊接残余应力的影响不容忽视，故未来应在考虑焊缝的基础上对套筒加强T型管节点展开更进一步的深入研究。

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