石油井架结构焊接节点的刚度计算.pdf

2 01 2 正 第 2期 第 4 1卷 第 1 7页 石油 矿场 机械 OI L F I E LD E QUI PME NT 2 O 1 2， 4 1 2 1 7 ～ 2 O 文 章 编 号 1 0 01 - 34 8 2 2 0 1 2 0 2 一 O 01 7 04 石油井架结构焊 接节点 的刚度 计算 邹龙庆 ， 刘 冬 ， 崔晓华 东北石油大学 机械科学 与工程学 院 ， 黑龙江 大庆 1 6 3 3 1 8 摘 要 为研 究 梁端 节点连接 的柔性 对连接 的非线 性性 能 的影响 ， 提 出了空 间钢 架半 刚性 梁单 元 的 元 刚度 矩 阵的表 达 形式 。将 半刚性 焊接 节 点分 为 受剪焊 缝 、 受弯 梁翼 缘 焊 缝和 受剪 节 点域 3类 件 ， 分 别计 算各 组件 初 始 刚 度 ， 再 将 其 进 行 组 装 ， 推 导 了连 接 节 点初 始 刚 度 的 理 论 计 算 公 式。 J J 1 6 0 ／ 4 1 一 K 型钻机 井架 结构 为例 ， 采用 理论 公 式 计 算 立柱 与拉 筋 连接 节 点 的初 始 刚 度 ， 并 与 相 的有 限元计 算 结果进 行对 比 分析 ， 2个结 果吻合 较好 。 关 键词 井架 ； 节点 分析 ； 刚度 中图分 类 号 T E9 2 3 文 献标 识码 A M e c ha ni c a l Pr o p e r t i e s o f W e l de d J o i nt s f o r Oi l De r r i c k S t r u c t u r e ZOU Lo ng q i n g， LI U Do ng， CU I Xi a h ua C o l l e g e o f M e c h a n i c a l S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g , “ ， No r t h e a s t Pe t r o l e u m Un i v e r s i t y， Da q i n g 1 6 3 3 1 8， C hi n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t t h e f l e x i b i l i t y o f t h e b e a m t o c o l u mn j o i n t s c o n n e c t i o n， wh i c h i s a n e f f e c t o n no nl i n e a r i t y of t he c on ne c t i o n， t h e f o r m u l a t i o n o f t he s e m i r i g i d be a m e l e m e nt s t i f f ne s s m a t r i x f or t hr e e d i m e ns i on a l s t e e l f r a m e i s gi v e n ．Th e f or mul a t o c a l c u l a t e t he i n i t i a 1 s t i f f n e s s o f s e mi r i g i d we l d e d j o i n t wa s p r o p o s e d b y d i v i d i n g t h e j o i n t i n t o we l d i n g i n s h e a r i n g， we l d i n g o f b e a m f l a n g e i n b e n di n g a nd c ol u m n p a ne l z on e i n s h e a r ．Th e i ni t i a l s t i f f n e s s of e a c h c o m p o ne n t wa s c a l c ul a t e d a n d c o mb i n e d t o g e n e r a t e t h e o v e r a l l i n i t i a l s t i f f n e s s o f t h e j o i n t ． Ai mi n g a t s t r u c t u r a l p r o b l e m o f j o i n t b e t we e n c o l u mn s a n d g i r t o n J J 1 6 0 ／ 4 1 一 K t y p e d e r r i c k u s e d i n Da q i n g Oi l Fi e l d a t p r e s e n t ， t h e i ni t i a l s t i f f ne s s wa s ob t a i n e d by f o r m u l a c a l c ul a t i o n． By c o m p a r i s o n b e t we e n t he r e s u l t s of f o r m u l a c a l c u l a t i o n a n d f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s f o r we l d e d j o i n t s ， i t s h o we d t h a t t h e r e s u l t s b e t we e n f o r mu l a c a l c u l a t i o n a nd FEM ha v e g oo d ma t c h． Ke y wo r d s d r i l l i ng d e r r i c k； no de a n a l ys i s； r i g i d i t y 在传统钢结构 的设计和分析 中， 假设 梁柱连接 是 刚度 为无 穷 大 的完 全 刚接 或 刚 度 为 零 的 理 想 铰 接 。实际上 ， 任何刚性连接都具有一定的柔性， 而铰 接 都具 有一 定 的刚 性 ， 工 程 中的 梁柱 连接 通 常 介 于 这 两者 之间 ， 属半 刚性 连接 l_ 1 ] 。近年来 ， 国 内外 有 关 半 刚性 连接 的研 究 成 果很 多 ， 主要 集 中在 梁 柱 节 点 的弯矩一 转 角 曲线 ， 以及 对平 面框 架 进行 初 步分 析 和 讨 论 ， 对 具有 半 刚性 连 接 的空 间 框架 的分 析 依 然 很 少 l2 ] 。在对 石油 井 架结 构进 行 有 限 元 分析 时 ， 通 常 将 井 架各杆 件 间 的连 接 考虑成 完全 刚接 的 形式 _ 3 ] ， 忽略了实际工况下立柱与横拉筋 、 斜拉筋之问焊接 节 点 连接性 能对 井架 结构 各方 面性 能 的影 响 。本 文 推 导 了空 间钢架 半 刚 性 梁单 元 的单 元 刚度 矩 阵 ， 提 出了梁 柱 焊 接 节 点初 始 刚 度 的理 论 计 算 方 法 。 以 J J 1 6 0 ／ 4 1 一 K 型井 架 为例 ， 应 用 ANS YS有 限元 软 件 验 证 了公式 的合 理性 。 收 稿 日期 2 0 1 1 - 0 9 0 6 基金项 目 黑龙江省教育厅科学技术研 究项 目 1 1 5 4 1 0 1 0 作者 简介 邹龙庆 1 9 6 2 一 ， 男 ， 辽宁复县人 ， 教授 ， 博 士， 主要从事石油井架 的设计 、 承载能力及检测 、 安全评定研究 工作 。 单组以 应 石油 矿场机 械 2 0 1 2年 2月 1 半 刚性 梁单元刚度矩 阵 梁单元是用于生成三维结构的一维理想化数学 模型， 三维梁单元 是具有拉伸 、 压缩 、 扭转和弯曲功 能的单轴单元 。每个节点上有 6个 自由度 3个平 动 ， 3个转 动 ， 考 虑节 点 的半 刚性 ， 对 空 间梁 单 元 的 刚度矩阵进行修改 ， 推导空 间钢架半刚性梁单元刚 度矩阵。任取一空间梁单元 ， 如图 1所示 ， 其梁单元 为 直杆 ， 左 节点 为 i ， 右 节 点 为 ； 局 部 坐 标 系 是 以 i 点为原点， 连线为 z轴 ， 另外 2个 坐标轴 取在梁 单 元横 截 面 的 2 个 主惯 性轴 上 。 a 位 移向量 b 力 向量 图 1 空间梁单元节点位移与节点 力 单 元 节点 位移 向量为 { 6 } 一L 叫 U j V j 叫J ] 1 单元 节 点力 向量 为 l F 、 e F F F z M M M F MJ MJ ] 2 式 中 ， 、 、 叫 为节 点 i 在 局 部坐标 系 中的线位 移 ； K． EA L o 2 c 0 0 O 0 ， l 、EI “十 为单 兀 节 点 i的 扭转 角 位 移 ； ， 为 单 兀 节 点 i 在 z z及 x y平 面 内 的 角 位 移 ； F 为 节 点 i的轴 向 力 ； F ， F 为节 点 i 在 z 及 z 平 面 内 的剪 力 ； M 为 节点 i的扭矩 ； ， 为节 点 i在 z z及 z 平 面 内的弯 矩 。J节 点位 移 和力 的符号 含义 同 i 节 点 。 用 螺旋 弹 簧来 考虑 节点 柔性 对梁 单元 刚度 的影 响， 弹簧初始刚度为 尼 ， 是 ， r z， Y ， 令 去 c 4 { 6 一 1 4 十． 12E I 3 I 一 素 其 中 R _ 1 1 壶 4 平衡 方 程可 以简 化 为 一 譬 一 M 一 ㈨ ， 一 c 5 一 一 ， 一 一 6 式中， L 为单 元长 度 ； E 为 弹性 模 量； I为截 面惯 性矩 。 则修 正 后 的半 刚 性梁 单元 刚度 矩 阵为 一 [ ] ㈤ 其 中 ， O S L 0 0 M EI EI 0 。丁 7 第 4 1卷第 2期 邹龙庆 ， 等 石 油井 架结构焊接节点 的刚度计算 1 9 Kz K EA L O O O 0 O O EA L O O 0 0 O O K4 2节点的初始 刚度 O O O O O O 节点初始刚度 的计算采用组件法 ， 将节点分 为受剪焊缝 、 受弯梁翼缘焊缝和受剪节点域 3类组 件 ， 分别计算各组件初 始刚度 ， 再将其组 装成节点 刚度 。 0 O O O 0 GI L 0 0 O 0 O 0 0 一 L 0 0 S y GI L o 6 L O ．n 1 EI z u D O O EI， O 0 EI 8 9 1 0 2 ． 1 梁 翼缘 焊缝 等效 剪切 刚度 为 了简化 ， 认为梁 的弯矩全部 由上下翼缘来 承 担 ， 梁上的弯矩是通过翼缘焊缝传到柱上 的。这样 就在翼缘焊缝上产 生很大 的剪切变形 ， 假设 剪应力 在梁宽范 围内均匀分布。梁翼缘焊缝等效剪切刚度 可表 示 为 0 、 0 6 一 坠 一 0 o L 0 f ／ 一 里 r 一 2 O O O 6 卜 卜 一 一 口 口 一 坠 、， C 2 O O n 一 坠 ＼， C O 卜 一 a ／ 一 C O 卜 O 0 ， 一 0 0 警。 2 O O 0 6 _ 十 _ 卜 6 一／ 口 一 一 一 『 坠 ＼， 哆 一 O 1 O 6 口 ， 一 O 6 ， 6 L 0 里 一 ， 一 ， C 巨 一I 学 0 O 一 ～ 6 _广 卜 6 一／ 以 坠 O 卜 一 石油 矿场 机械 2 0 1 2年 2月 Kb f -- 1 1 式 中 ， 为节 点 域剪 力 ； 为梁 宽 范 围 内产 生 的水 平 位移 。 一 1 -- ph 一 4l t b一 式 中 ， M 。 ， M 分 别 为 节点 域 两边 的梁 弯矩 ； h 为梁 截 面高 度 ； t 为 梁翼 缘厚 度 ； 用 p来 反 映柱 端 剪 力 的 有 利影 响 ， p 一 b t ／ H ， H 为柱 高 ； z 为梁 翼 缘 焊 缝 宽 度 ； t 为 焊 缝 有 效 厚 度 ； G 为 钢 材 剪 切 模 量 l b 为梁 截面 宽度 。 2 ． 2梁翼 缘焊 缝 的抗 弯刚 度 对节点变形的分析采用平截 面假设 ， 并且弯矩 全部 由翼 缘焊 缝 传 递 ， 焊 缝 受 力 均 匀 。则 梁 翼 缘 焊 缝 的抗 弯 刚度 _ 8 ] 为 K 1 2 式 中 ， E。为 现 场检 测 得 到 的焊 缝 弹性 模量 ； 梁 翼 缘焊 缝 的惯 性矩 。 2 ． 3节 点域 的初 始 刚度 在计 算 节点 域初 始 刚度 时将该 处 的柱 腹板 看作 纯 剪板件 ， 认 为 节点 域 的变 形 主 要 由柱 腹板 剪 切 变 形 构 成 ， 得 到节 点初 始 刚度为 KI】 一 式 中 ， D。 为柱截 面 高度 ； t 为柱 腹 板 厚度 ； 为 腹 板 钢材 的泊 松 比 。 因此 连 接节 点 的初始 刚度 为 K一1 ／ K b -F 1 ／ Ko f - F 1 ／一 Kp z 1 4 3有 限元验证 及对 比分析 针 对 J J 1 6 0 ／ 4 1 一 K 型 钻 机 井 架 立 柱 与 拉 筋 连 接 节 点 ， 计 算 其初 始 刚 度 并 与相 应 的有 限元 值 进 行 对 比。ANS YS选用双线性 随动强化模 型， 计算 时钢 材 选用 Q3 4 5 钢 ， 弹性 模 量 为 2 ． 0 6 l O 。MP a ， 泊 松 比为 0 ． 3 。为简化计算 ， 假设节点处所 有的焊缝均 采用全熔透焊， 外力 以位移的方式施 加于耦合端面 的 主节点 上 。结 果如 表 1 。 由表 1知 ， 本文公式与有限元计算结果的吻合 程度较好 。有限元计算 所得到的初始 刚度值偏小 ， 这是因为在 ANS YS求解过程 中主要考虑了弯曲变 形 的影 响 ， 没有 充 分 考 虑剪 切 变 形 对 刚 度 的 影 响 造 成差异 的产生 。 表 1 节点初始 刚度的对比 4 结 论 1 针对 梁端 节点 连接 的柔 性对 连接 的非 线 性 性 能 的影 响 ， 给 出了 空 间钢 架 半 刚性 梁 单 元 的 单 元 刚度 矩 阵的表 达式 。 2 根据 已有 节 点初 始 刚度 的计 算 方 法 ， 推 导 了梁 柱焊 接 节点 初始 刚度 的理 论 计 算 公 式 ， 并 与 相 应 的有 限元 计算 结 果 进 行对 比分 析 ， 表 明该 计 算 公 式 与有 限元 结果 吻合 较好 。 参 考 文 献 [ 1 ] 舒 兴平 ． 半 刚性 连 接 钢结 构 理论 与设 计 研 究 的综 述 [ J ] ． 工业建筑 ， 2 0 0 9 ， 3 9 6 1 3 2 1 ． [ 2 ] 李永 泉， 何 若全． 框架半 刚性 连接的研究 概述 [ J ] ． 哈 尔 滨建 筑工程学院学报 ， I 9 9 4 ， 2 7 3 1 l 2 - 1 1 9 ． [ 3 ] 邹龙 庆 ， 付海 龙 ， 任 国友． J J 1 6 o ／ 4 1 一 K型井 架有 限元 分 析与承载 能力 研 究[ J ] ． 石 油矿 场 机 械 ， 2 0 0 4 ， 3 3 6 3 3 3 5． [ 4 ]赵焕娟 ， 齐 明侠 ， 赵 娜． 钻 机井 架 的可靠 性分 析 [ J ] ． 石 油 矿 场 机 械 ， 2 0 1 0， 3 9 3 2 2 2 7 ． [ 5 ] 王燕 ， 厉 见芬 ． 半刚性钢框架 的内力分 析[ J ] ． 力学 与 实践 ， 2 0 0 3 ， 2 5 2 3 6 3 8 ． E 6 ] 王素芳 ， 陈以一． 加强式端 板连接节点 的初始 刚度 与抗 弯 承载 力 [ J ] ． 东 南 大 学 学 报 自然 科 学 版 ， 2 0 0 8 ， 3 8 5 77 5 77 7 ． E 7 ] 刘洪波 ， 谢礼立 ， 邵永松． 工字 梁与 H 型钢 柱腹板 连接 节点性能分析[ J ] ． 工程 力学 ， 2 0 0 6 ， 2 3 1 2 8 1 8 2 ． E 8 ] 罗 永峰 ， 宋怀金． 考虑节点损伤 的钢框 架结构分 析模型 [ J ] ． 计算力学学报 ， 2 0 0 9 ， 2 6 5 7 l 1 7 1 2 ． E 9 ] 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 ， 2 0 0 8 ， 2 4 6 1 9 0 91 ．