第2章修1-有損傷結(jié)構(gòu)可靠性-9750827

有損傷結(jié)構(gòu)可靠性分析一：概述實(shí)際結(jié)構(gòu)在使用過程中難免會發(fā)生局部損傷。以近海平臺結(jié)構(gòu)為例，因?yàn)樗鼈冊趶?fù)雜惡劣的環(huán)境中工作，除去正常工作和環(huán)境載荷外，由于意外的事故，如給養(yǎng)船只與平臺的碰撞或重物墜落等，造成某些構(gòu)件局部損傷。這些損傷不斷累積以及加上災(zāi)難性外界環(huán)境造成1980年“亞歷山大.基蘭德”號海洋平臺在挪威近海傾覆。類似事故還有1967年“海寶”號和1982年“海洋徘徊者”海洋平臺分別在英國北海毀壞和在美國海域傾覆，均造成人員傷亡和巨大財產(chǎn)損失。這些事故使人們對海洋開采平臺在受損傷后的安全問題引起極大關(guān)注。研究這些事故發(fā)生原因，有技術(shù)性的，也有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的。從統(tǒng)計(jì)來講，由于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不當(dāng)引起事故有40%，占現(xiàn)已知事故的首位?？梢娫诤Ｑ笃脚_的設(shè)計(jì)、建造和使用過程中，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度是至關(guān)重要的。為了做到這點(diǎn)，以往確定性分析和完整結(jié)構(gòu)可靠性分析就顯得不夠了。有必要引入不完整結(jié)構(gòu)的可靠性問題。無容質(zhì)疑，損傷降低結(jié)構(gòu)的可靠性，提高了結(jié)構(gòu)的破壞概率。現(xiàn)有近海平臺主要構(gòu)件常常由圓柱殼構(gòu)成。管狀體（充填與未充填）受壓變形模型無容質(zhì)疑，損傷降低結(jié)構(gòu)的可靠性，提高了結(jié)構(gòu)的破壞概率?，F(xiàn)有近海平臺主要構(gòu)件常常由圓柱殼構(gòu)成。管狀體三點(diǎn)彎曲變形分布形式管狀體三點(diǎn)彎曲應(yīng)力分布形式二：圓柱客體受沖擊后的凹陷模型海洋平臺在波濤滾滾的大海中難免會受到給養(yǎng)船的碰撞，而碰撞等效一個沖擊載荷，為了預(yù)測沖擊載荷造成的損傷，現(xiàn)有的研究表明：結(jié)構(gòu)所承受沖擊載荷的能力不是材料的極限載荷，而是結(jié)構(gòu)對沖擊能量的吸收能力大小決定。這樣碰撞的問題可處理為能量的輸入和結(jié)構(gòu)是否有能力吸收這個能量？因此，將碰撞動力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)靜態(tài)載荷作用問題。對于這類問題必須進(jìn)行一些假設(shè)，解決問題的途徑才可能實(shí)現(xiàn)。因此，從最壞的情況假設(shè)：碰撞物（供給船）為完全剛體，即在碰撞的過程中不吸收能量，全部能量由被碰撞結(jié)構(gòu)所吸收。海洋平臺構(gòu)件吸收碰撞能的方式主要是局部凹陷變形和整體彎曲變形兩種。由此決定損傷形式如下：1、局部凹陷。一般發(fā)生在園殼構(gòu)件較短，且薄壁的支撐結(jié)構(gòu)中，由鋒利剛性結(jié)構(gòu)的碰撞所引起；2、無凹陷的整體彎曲。這種可能出現(xiàn)在較長（高）且厚壁的支撐結(jié)構(gòu)中，通常由軟的、可變形的結(jié)構(gòu)作用所引起；3、局部凹陷和整體彎曲同時發(fā)生。此時損傷圓柱殼體一般伴隨著復(fù)雜的殘余應(yīng)力，精確的分析需要借助于三維模型分析。為了驗(yàn)證這些破壞模式，不少學(xué)者做了一些，分析公式均較復(fù)雜，可靠性分析使用時較困難。其中邵文蛟等提出一種完全塑性模型。采用了如下假設(shè)：（1）、假設(shè)材料為各向同性和理想塑性；（2）、只考慮構(gòu)件的軸向應(yīng)力,剪切和環(huán)向應(yīng)力忽略；（3）、殘余應(yīng)力對塑性極限載荷影響很小，忽略不計(jì)；（4）、最深凹陷處有一扁平部分。圓柱殼體受船舶或墜落物的撞擊，其典型的凹陷如圖所示，圖中S為凹陷區(qū)損傷部分的弧長，0為凹陷深度。隨著軸向應(yīng)力的增加，在達(dá)到極限載荷前損傷圓柱殼的力學(xué)性能可分成三個階段：階段I：軸力較小時，圓柱殼產(chǎn)生幾乎均布的軸向應(yīng)力，而不引起初始側(cè)向位移。慢慢由于凹陷影響，使凹陷區(qū)產(chǎn)生擠壓和彎曲，達(dá)到屈服應(yīng)力，凹陷區(qū)就塑性化了，這時的軸向力和應(yīng)力分別記為Ppd,pd。階段II：凹陷區(qū)塑性化后，此部分已不能再承受更大的軸力，進(jìn)一步增加的外力只能由未損傷部分來承受。慢慢臨近凹陷處的應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力s，此時的軸力為初始屈服載荷Pfs，相應(yīng)的應(yīng)力為fs。階段III：隨著軸力的增加，圓柱殼凹陷處整個界面逐漸進(jìn)入塑性，直到全部塑性化形成塑性鉸，構(gòu)件已經(jīng)傷失承受更多載荷的能力，此時，軸力為Pu，相應(yīng)的極限應(yīng)力為u。首先考慮第I階段，損傷圓柱殼并使凹陷塑性化的應(yīng)力為pd,則作用于凹陷區(qū)的軸力為：式中:S－為損傷部分弧長；H－殼體厚度。該軸力如偏心作用于凹陷區(qū)引起的彎矩為：－為損傷部分的形心離凹陷區(qū)扁平部分的距離，且滿足上述關(guān)系。－損傷部分交角之半。根據(jù)凹陷損傷部分受力圖（如下所示）,最大拉壓應(yīng)力值不等?當(dāng)未損傷部分圓柱殼截面全部進(jìn)入塑性時，在軸力和彎矩共同作用下，截面的應(yīng)力分布由下圖給出，此時軸力和對中性軸AA’的彎矩分別為：的意義為凹陷區(qū)未損傷部分（D-S)的偏心。的意義為凹陷區(qū)未損傷部分（D-S)的偏心。顯然＝0相當(dāng)于未損傷圓柱殼情況，如令＝0和彎矩中的＝/2，可得未損傷圓柱殼在軸力和彎矩單獨(dú)作用下的完全塑性載荷分別是：得到完全塑性的屈服條件：三、損傷圓柱殼體的極限狀態(tài)方程損傷圓柱殼體的極限狀態(tài)方程如果忽略Mpd和Ppd對中性軸的影響，這是因?yàn)樗鼈兿啾萂A,PA是個小量，因此不計(jì)Mpd和Ppd對中性軸AA’的影響

。損傷殼體承受的軸力和彎矩分別表示為：損傷圓柱殼體的極限狀態(tài)方程基于凹陷殼體的屈服線破壞結(jié)構(gòu)理論用屈服條件求損傷構(gòu)件的極限載荷[89]J.Taby,T.Moan.NorwegianMaritimeResearch,1981,2:26-33.[90]C.P.Ellinas,ASCE,No.Se2,1984,110:245-259極限應(yīng)力四、損傷圓柱殼體的可靠性分析BACLaLVH為簡化起見，取如圖所示的門式結(jié)構(gòu)為例，在B點(diǎn)受水平和鉛垂載荷作用。假設(shè)桿件AB為圓柱殼體，在C點(diǎn)受到其他結(jié)構(gòu)的碰撞而發(fā)生凹陷損傷，桿件AB及凹陷數(shù)據(jù)取自文獻(xiàn)[89]，如表所示。變量平均值COV圓柱殼直徑D(mm)圓柱殼厚度H(mm)凹陷深度0(mm)彎曲位移d0(mm)載荷V=0.4Pp(N)載荷H=0.01Pp(N)125.142.046.252.5965442.51636.10.001110.028750.200000.200000.200000.20000由結(jié)構(gòu)的平衡方程得到C點(diǎn)的軸力P和彎矩M分別為：假定載荷V和H是相關(guān)的且相關(guān)系數(shù)為0.3，而其他變量均是相互獨(dú)立，根據(jù)損傷圓柱殼體的極限狀態(tài)方程，求得可靠性指標(biāo)：相應(yīng)的破壞概率為：如果圓柱殼體AB沒有出現(xiàn)損傷，則C點(diǎn)不會發(fā)生凹陷。此時，圓柱殼體AB的最危險點(diǎn)在B點(diǎn)，以B點(diǎn)作為危險截面，求得不發(fā)生損傷的可靠性指標(biāo)=3.1515。則相應(yīng)的破壞概率為P’f=0.0812%。BACLaLVH由此可見，因撞擊將大大降低結(jié)構(gòu)的可靠性。隨著載荷的增大，可靠度逐漸降低，由于凹陷參數(shù)d和的增加，使得結(jié)構(gòu)破壞概率上升很快。五、管接頭極限強(qiáng)度公式

近海采油平臺以圓柱殼體為主要構(gòu)件，在圓柱殼之間的交接點(diǎn)，其應(yīng)力集中系數(shù)和極限強(qiáng)度是整座海洋平臺使用壽命的最要指標(biāo)。為此，管接頭強(qiáng)度問題長期以來被人們所重視。常見的管接頭形式管接頭受載方式判定管接頭破壞準(zhǔn)則：試驗(yàn)中得到最大載荷；首次出現(xiàn)開裂的載荷被認(rèn)為是極限載荷；位移達(dá)到一定值時，載荷為極限載荷。影響管接頭強(qiáng)度的幾個幾何參數(shù)影響管接頭強(qiáng)度的因素很多，如加載方式、焊接形式、材料特性等。但在實(shí)際中同一材料和相同加工情況下，幾何參數(shù)影響管接頭強(qiáng)度成了主要因素。如圖所示的三種常見管接頭為例，考慮幾何參數(shù)的變化導(dǎo)致的強(qiáng)度變化。影響管接頭強(qiáng)度的幾何參數(shù)一般以無量綱參數(shù)表示：＝d/D——它代表支管向弦管傳遞載荷的集中因子，直接影響弦管與支管交接處的應(yīng)力分布，是管接頭強(qiáng)度分析的重要參數(shù)；＝D/(2H)——它是弦管的徑向柔度參數(shù)，當(dāng)較小時，對管接頭強(qiáng)度影響不大，但當(dāng)>0.6時，一般不能忽視的影響；＝h/H——它表示弦、支管相對的抗彎剛度。它是管接頭應(yīng)力分布的一個重要參數(shù)，但對管接頭的強(qiáng)度影響不大；——為支管與弦管軸線傾斜角度，因?yàn)橹Ч茌S向載荷主要通過弦管局部彎曲和沿厚度的剪切來承擔(dān)，因此只有垂直于弦管軸向分量的載荷才有意義，而水平分量載荷則通過弦管壓縮或拉伸來傳遞；＝g/D——它的物理意義是表示載荷從一支管傳遞到另一支管時在弦管壁上產(chǎn)生局部彎曲的相互作用的影響；除上述幾何參數(shù)對強(qiáng)度的影響外，還需考慮交接面長度因子Ka、交接面截面因子Kbi、Kb0；管接頭強(qiáng)度的幾個計(jì)算公式軸向壓縮：T、Y型接頭類型雙T型接頭類型K型接頭類型管接頭強(qiáng)度的幾個計(jì)算公式軸向拉伸：T、Y型接頭類型面內(nèi)彎曲：T、Y型接頭類型面外彎曲：T、Y型接頭類型實(shí)際管接頭往往是上述載荷的組合下工作的，為此需要建立組合載荷下的管接頭強(qiáng)度公式?？紤]到可靠性分析中不便于使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)公式，通常有：面內(nèi)彎曲面外彎曲六、有損傷構(gòu)件海洋平臺的可靠性分析

海洋中作業(yè)的平臺有很多類型，本教程以固定式平臺的導(dǎo)管架型平臺為例介紹其結(jié)構(gòu)可靠性分析方法。導(dǎo)管架型平臺一般由下列幾部分組成：

樁——與海底固定受側(cè)向和垂直載荷。導(dǎo)管架——作為樁的側(cè)向支撐物。上部結(jié)構(gòu)——由框架和甲板組成，用來支撐作業(yè)載荷和其它載荷。

對于這類結(jié)構(gòu)可近似處理成框架系統(tǒng)。由于這類平臺中節(jié)點(diǎn)都是圓柱殼相交而成的管接頭，因管接頭效應(yīng)使得節(jié)點(diǎn)的極限承載能力下降，從而使整座平臺的可靠性降低。

在海洋中作業(yè)，時常發(fā)生供應(yīng)船與平臺的碰撞，為計(jì)算由碰撞所引起的對平臺構(gòu)件的損傷影響，可用前面提到的全塑性模型，該模型較好地計(jì)算損傷構(gòu)件地極限承載能力。

設(shè)供應(yīng)船的質(zhì)量為m，碰撞速度為Vi,被碰撞平臺圓柱殼構(gòu)件的直徑為D，厚度為H，則被碰撞點(diǎn)的凹陷深度為：

可靠性分析是把各種不定因素匯集在一套計(jì)算方法中，然后用它去預(yù)測大量可能的破壞事件中每一事件發(fā)生的概率。根據(jù)計(jì)算結(jié)果及各種失效后果的了解，就可對結(jié)構(gòu)體系作出合適的決策。

在可靠性分析中需要確定隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)數(shù)字特性以及隨機(jī)變量的分布特性等。

對海洋平臺的隨機(jī)變量主要是環(huán)境載荷及結(jié)構(gòu)自身的材料等參數(shù)，如風(fēng)、浪和海流引起的外力。由風(fēng)引起的載荷估計(jì)為：風(fēng)速（km/h)形狀系數(shù)受風(fēng)物體的面積

對作用于海洋平臺的波浪載荷是具有動力性質(zhì)的，對近海大多數(shù)設(shè)計(jì)水域，這些載荷可以用等效晶粒載荷來簡化處理，它們作用在圓柱殼上的波浪力可分為曳(ye)力和慣性力之和：F2——在單位長度上，垂直作用于構(gòu)件軸線的波浪矢量(N/m);FD——在單位長度上，垂直作用于構(gòu)件軸線的曳力矢量(N/m);FI——在單位長度上，垂直作用于構(gòu)件軸線的慣性力矢量(N/m);Cd——曳力系數(shù)；——單位體積水的重量(N/m3);D——圓柱體構(gòu)件的直徑(m);Cm——質(zhì)量系數(shù)；u——垂直于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點(diǎn)的速度分矢量(m/s),且

Hw——波高；T——波周期；K——2/L；L——波長(m)；d——水面到海底垂直距離(m)；Z——構(gòu)件離水面的垂直距離；du/dt——垂直于構(gòu)件軸線的水質(zhì)點(diǎn)的加速度分矢量(m/s2)。

海流在固定平臺的設(shè)計(jì)中是很重要的一項(xiàng)，因?yàn)樗绊懙酱?、平臺及防撞裝置的位置和方位，也是作用在平臺上的主要外力之一。根據(jù)美國石油協(xié)會(ADI)標(biāo)準(zhǔn)建議的計(jì)算海流力公式：F3—在單位長度上的曳力(N/m);Cd——曳力系數(shù)；Vs——海流速度(m/s);A——單位長度上的投影面積(m2/m);注意的是：根據(jù)這些參數(shù)，可以進(jìn)行海洋簡易平臺的可靠性分析。不同海域的設(shè)計(jì)平臺，各規(guī)范要求不同的風(fēng)速Vw，波高Hw和海流流速Vs。建議考慮取Vw服從極值I型分布，其變異系數(shù)為0.13，其余兩項(xiàng)服從正態(tài)分布，其變異系數(shù)均為0.3。而曳力系數(shù)和質(zhì)量系數(shù)建議分別取值為0.75和1.8，它們的變異系數(shù)均為0.2且服從正態(tài)分布。如果考慮供給船靠近平臺其碰撞速度Vd的平均值為2m/s，也服從正態(tài)分布，變異系數(shù)為0.2。1.270m0.762m0.508m1.270m甲板支撐構(gòu)件的直徑D=1.2192m，厚度H=0.0762m，斜桿直徑D’=0.6096m，H’=0.0128m，上部結(jié)構(gòu)重量W=2205kN，上部結(jié)構(gòu)尺寸為16m8m3m。變量分布平均值變異系數(shù)敏感系數(shù)完整有損風(fēng)速Vw極I型141km/h0.13-0.553-0.549波高Hw正態(tài)7.5m0.3-0.667-0.663海流速度正態(tài)1.1m/s0.3-0.272-0.265