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1、会计学1海洋平台海洋平台(pngti)桩基设计桩基设计第一页，共145页。第五章第五章 桩基设计桩基设计(shj)n n桩基是用来支承甲板荷载和抵抗环境荷载的结构。n n设计中应考虑桩对轴向荷载和水平荷载的承载能力。桩对水平荷载的承载能力是由桩截面的抗弯强度或容许的水平变位值决定(judng)的。桩的轴向承载能力来自桩周围土壤对桩侧表面所产生的摩擦阻力和桩底端土壤对桩产生的支承阻力。第1页/共144页第二页，共145页。第一节第一节 桩基分类桩基分类(fn li)一、按施工方法一、按施工方法(fngf)分类分类打入桩基础（两级套管桩）打入桩基础（两级套管桩）钻孔灌注桩基础钻孔灌注桩基础钟型桩基
2、础钟型桩基础打入桩最简单，费用最低，是海洋工程中优打入桩最简单，费用最低，是海洋工程中优先选用的一种桩基，钻孔灌注桩和钟型桩先选用的一种桩基，钻孔灌注桩和钟型桩一般在不得已的情况下采用。一般在不得已的情况下采用。实际工程中采用何种桩基主要考虑土质条件、实际工程中采用何种桩基主要考虑土质条件、桩的用途、桩的承载能力、地基类型及施桩的用途、桩的承载能力、地基类型及施工条件等工条件等第2页/共144页第三页，共145页。二、按支承性状分类二、按支承性状分类摩擦型桩：桩顶竖向荷载全部或主要由桩侧摩擦型桩：桩顶竖向荷载全部或主要由桩侧摩阻力来承受。又可分为纯摩擦桩和端承摩阻力来承受。又可分为纯摩擦桩和端
3、承摩擦桩。摩擦桩。端承型桩：桩顶竖向荷载由桩端阻力承受。端承型桩：桩顶竖向荷载由桩端阻力承受。又可分为端承桩和摩擦端承桩。又可分为端承桩和摩擦端承桩。大多数情况大多数情况(qngkung)下，桩承载能力主要下，桩承载能力主要是由桩身摩擦阻力提供，其承载能力随桩是由桩身摩擦阻力提供，其承载能力随桩身表面积的增大而增大。因此，摩擦型桩身表面积的增大而增大。因此，摩擦型桩是近海工程桩基常用形式。是近海工程桩基常用形式。第3页/共144页第四页，共145页。第二节第二节 单桩轴向承载力计算单桩轴向承载力计算(j sun)一、受压桩的轴向承载力计算方法一、受压桩的轴向承载力计算方法受压桩的轴向承载力主要
4、取决于桩本身的材受压桩的轴向承载力主要取决于桩本身的材料强度和桩周土壤对桩的支持料强度和桩周土壤对桩的支持(zhch)能力。能力。桩的承载能力估算方法：静力法、动力法、桩的承载能力估算方法：静力法、动力法、静载试桩法。静载试桩法。第4页/共144页第五页，共145页。1.静力法静力法桩顶轴向荷载由桩身表面桩顶轴向荷载由桩身表面(biomin)摩擦力和摩擦力和桩端支撑力共同承担：桩端支撑力共同承担：第5页/共144页第六页，共145页。1）粘性(zhn xn)土的桩测摩阻力fs和桩端阻力qp2）沙性土中的桩测摩阻力fs和桩端阻力qp第6页/共144页第七页，共145页。2.动力法动力法动力法包括
5、动力打桩公式、波动动力法包括动力打桩公式、波动(bdng)方方程和动力试验程和动力试验3种方法。目前海洋工程中应种方法。目前海洋工程中应用较多的是一维波动用较多的是一维波动(bdng)方程法。方程法。打桩公式：打桩公式：第7页/共144页第八页，共145页。n n一维波动一维波动(bdng)方程法方程法第8页/共144页第九页，共145页。3.静载试桩法静载试桩法静载试桩是在工程现场直接静载试桩是在工程现场直接(zhji)对桩顶加对桩顶加载，测试土对桩的阻力。载，测试土对桩的阻力。基本又可靠的方法。但随着海洋工程向深海基本又可靠的方法。但随着海洋工程向深海发展，规模扩大，海上试桩很难实现，费发
6、展，规模扩大，海上试桩很难实现，费用很高。用很高。第9页/共144页第十页，共145页。确定受压桩承载力方法比较：确定受压桩承载力方法比较：静载试桩法：最可靠，但费用高，水深大时困静载试桩法：最可靠，但费用高，水深大时困难难一维波动方程法：有效，应用广泛。一维波动方程法：有效，应用广泛。打桩公式：存在明显缺点，应用很少。打桩公式：存在明显缺点，应用很少。静力法：最常用静力法：最常用(chn yn)的一种简单方法。的一种简单方法。第10页/共144页第十一页，共145页。二、打入成层土壤二、打入成层土壤(trng)中受压桩的承中受压桩的承载力计算载力计算第11页/共144页第十二页，共145页。
7、第12页/共144页第十三页，共145页。三、开口三、开口(ki ku)钢管桩的桩端钢管桩的桩端闭塞效应闭塞效应n n开口桩打入海床初期土壤随桩的贯入不断进入桩内，由于桩内壁与土壤之间的摩擦力，进入桩内的土壤被压密。当摩擦力增大(zn d)到超过桩端土的挤入力时，桩内土壤上升非常小，桩端形成闭塞状态。管内土壤像“塞子”一样把桩端堵住，土壤在管内形成的塞子称为“栓塞”，栓塞对桩端阻力的影响称为闭塞效应。第13页/共144页第十四页，共145页。考虑考虑考虑考虑(k(k olol)开口桩闭塞效应，式（开口桩闭塞效应，式（开口桩闭塞效应，式（开口桩闭塞效应，式（5-15-1）改为如下形式：）改为如下
8、形式：）改为如下形式：）改为如下形式：第14页/共144页第十五页，共145页。第15页/共144页第十六页，共145页。第16页/共144页第十七页，共145页。四、受拉桩抗拔力计算四、受拉桩抗拔力计算(j sun)1.单桩的抗拔力计算单桩的抗拔力计算开口钢管桩，计算受拉时抗拔力一般假定桩开口钢管桩，计算受拉时抗拔力一般假定桩端阻力为零，但要考虑桩体有效重量端阻力为零，但要考虑桩体有效重量2.拔桩力计算拔桩力计算上式计算的拔桩力再乘以一个大于上式计算的拔桩力再乘以一个大于1的系数的系数(xsh)，该系数，该系数(xsh)一般取一般取23，以此，以此作为设计拔桩力。作为设计拔桩力。第17页/共
9、144页第十八页，共145页。第四节第四节 群桩效应群桩效应(xioyng)与与荷载分布荷载分布n n当组成群桩的各个单桩间距较小时，由于相邻(xin ln)的相互作用，一般群桩的承载能力和变形特征要受到影响，这种影响通常称为群桩效应。第18页/共144页第十九页，共145页。一、轴向荷载一、轴向荷载(hzi)作用下的群桩效作用下的群桩效应应1.承载能力承载能力群桩的总轴向承载能力可用下式估算群桩的总轴向承载能力可用下式估算(sun)打入砂土中的群桩取打入砂土中的群桩取 ，打入粘土中的群，打入粘土中的群桩取桩取当桩距当桩距s3D时，必须考虑群桩效应；当时，必须考虑群桩效应；当s3D时，可按整体
10、深基础计算时，可按整体深基础计算2.沉降沉降轴向荷载作用下无论打入砂土还是粘土中的轴向荷载作用下无论打入砂土还是粘土中的群桩，沉降都大于群桩荷载均布到单桩上群桩，沉降都大于群桩荷载均布到单桩上引起的沉降量。引起的沉降量。第19页/共144页第二十页，共145页。二、横向荷载二、横向荷载(hzi)作用下的群桩效应作用下的群桩效应n n无论打入沙土中的群桩，还是打入粘土中的群桩，其群桩的变形通常都大于作用于群桩的荷载均分(jn fn)到孤立单桩上引起的单桩的变形。第20页/共144页第二十一页，共145页。三、群桩的轴向力计算三、群桩的轴向力计算(j sun)第21页/共144页第二十二页，共14
11、5页。第三节第三节 单桩横向单桩横向(hn xin)承载力计算承载力计算桩的横向承载力与下列因素有关：桩的入土深度桩的截面强度和抗弯刚度桩顶和桩底的嵌固条件载荷性质有无轴向载荷同时作用桩周围土的强度与变形性状上部结构物特性一般分别按刚性(n xn)桩和柔性桩计算。第22页/共144页第二十三页，共145页。一、桩的破坏(phui)性状和分类1.1.横向荷载作用下单桩的破坏性状横向荷载作用下单桩的破坏性状横向荷载作用下单桩的破坏性状横向荷载作用下单桩的破坏性状受力情况：桩在横向荷载作用下桩顶产生水平位移和转角，受力情况：桩在横向荷载作用下桩顶产生水平位移和转角，受力情况：桩在横向荷载作用下桩顶产
12、生水平位移和转角，受力情况：桩在横向荷载作用下桩顶产生水平位移和转角，桩身出现弯曲应力，桩前土体受侧向挤压。桩身出现弯曲应力，桩前土体受侧向挤压。桩身出现弯曲应力，桩前土体受侧向挤压。桩身出现弯曲应力，桩前土体受侧向挤压。破坏情况：破坏情况：破坏情况：破坏情况：桩身由于荷载产生的弯矩过大而断裂桩身由于荷载产生的弯矩过大而断裂桩身由于荷载产生的弯矩过大而断裂桩身由于荷载产生的弯矩过大而断裂(dun li)(dun li)桩周土被挤出，从而导致桩的整体转动、倾倒或桩顶位移桩周土被挤出，从而导致桩的整体转动、倾倒或桩顶位移桩周土被挤出，从而导致桩的整体转动、倾倒或桩顶位移桩周土被挤出，从而导致桩的整
13、体转动、倾倒或桩顶位移过大过大过大过大1 1）刚性桩的破坏）刚性桩的破坏）刚性桩的破坏）刚性桩的破坏2 2）半刚性桩的破坏）半刚性桩的破坏）半刚性桩的破坏）半刚性桩的破坏3 3）柔性桩的破坏）柔性桩的破坏）柔性桩的破坏）柔性桩的破坏弹性(tnxng)桩第23页/共144页第二十四页，共145页。2.横向载荷作用下桩的相对刚度、相对桩长横向载荷作用下桩的相对刚度、相对桩长相对刚度：反映桩的刚性特征与土的刚性特征之间的相对刚度：反映桩的刚性特征与土的刚性特征之间的 相对关系；间接反映土抗力模量相对关系；间接反映土抗力模量Es随深度变化的性随深度变化的性质。质。水平地基系数沿深度为常数的地基，桩的相
14、对刚度系水平地基系数沿深度为常数的地基，桩的相对刚度系数为：数为：水平地基系数随深度线性增加水平地基系数随深度线性增加(zngji)的地基，桩的的地基，桩的相对刚度系数为：相对刚度系数为：相对桩长：桩打入土中的深度与相对刚度系数的比值：相对桩长：桩打入土中的深度与相对刚度系数的比值：相对桩长反映桩的刚度特性，可根据相对桩长把桩分相对桩长反映桩的刚度特性，可根据相对桩长把桩分为刚性桩或弹性桩。为刚性桩或弹性桩。Zmax4为弹性长桩，为弹性长桩，4 Zmax2.5为中长桩，为中长桩，Zmax3s时，对导管架管节点进行疲劳分析。第48页/共144页第四十九页，共145页。第二节第二节 设计计算设计计
15、算(j sun)模型模型n n导管架是空间杆系结构，它承受结构本身及工艺设备等垂直荷载和由风、波浪、地震、冰、海流等环境荷载引起的水平荷载。受力分析(fnx)时，通常选取的结构计算模型有整体分析(fnx)计算模型和分部分析(fnx)计算模型。第49页/共144页第五十页，共145页。一、整体一、整体(zhngt)分析计算模型分析计算模型把导管架和桩视为一个整体把导管架和桩视为一个整体(zhngt)建立三建立三维空间框架结构的计算模型，编制计算机维空间框架结构的计算模型，编制计算机程序，分析整个结构在海洋环境荷载和使程序，分析整个结构在海洋环境荷载和使用荷载作用下，并考虑结构用荷载作用下，并考虑
16、结构-流体流体-基础相基础相互作用，确定结构的内力。互作用，确定结构的内力。该方法分析工作复杂，需要高容量的计算机，该方法分析工作复杂，需要高容量的计算机，一般适用于深水结构分析。一般适用于深水结构分析。第50页/共144页第五十一页，共145页。二、分部分析计算模型二、分部分析计算模型用于浅水的不太复杂用于浅水的不太复杂(fz)的导管架结构，的导管架结构，通常采用简化的分析方法：把导管架与桩通常采用简化的分析方法：把导管架与桩基在泥面处分开，对泥面以上的导管架和基在泥面处分开，对泥面以上的导管架和泥面以下的桩基分别建立计算模型进行计泥面以下的桩基分别建立计算模型进行计算。算。泥面以上部分是具
17、有基桩支座的空间杆系结泥面以上部分是具有基桩支座的空间杆系结构，泥面以下部分是埋置于土中的桩。基构，泥面以下部分是埋置于土中的桩。基桩支座是两者的结合点。通过计算和迭代桩支座是两者的结合点。通过计算和迭代分析，使在泥面处位移和内力相容。分析，使在泥面处位移和内力相容。第51页/共144页第五十二页，共145页。两种计算两种计算(j sun)模型的比较：模型的比较：整体分析计算整体分析计算(j sun)模型节点与杆件数目模型节点与杆件数目较多，计算较多，计算(j sun)工作量大。如考虑桩工作量大。如考虑桩变位变位土反力的非线性计算土反力的非线性计算(j sun)，则，则工作量更大。工作量更大。
18、分部分析计算分部分析计算(j sun)模型节点与杆件数目模型节点与杆件数目较少，且采用线性结构分析方法计算较少，且采用线性结构分析方法计算(j sun)工作量小。对桩的分析，如果有些桩工作量小。对桩的分析，如果有些桩截面相同还可大幅度减少计算截面相同还可大幅度减少计算(j sun)工工作量。作量。推荐使用分部分析计算推荐使用分部分析计算(j sun)模型。模型。第52页/共144页第五十三页，共145页。第三节第三节 导管导管(dogun)架结构静架结构静力分析力分析n n导管(dogun)架结构的受力分析是个复杂的过程，工程中广泛采用有限元分析方法，把结构模拟为二维或三维框架结构，用计算机计
19、算结构内力和节点位移。第53页/共144页第五十四页，共145页。一、有限元方法一、有限元方法(fngf(fngf)分析导管架结构的基本概念分析导管架结构的基本概念第54页/共144页第五十五页，共145页。1.1.结构分析的基本假定结构分析的基本假定2.2.导管架结构静力分析是基于线弹性理论，导管架结构静力分析是基于线弹性理论，假定：假定：3.3.（1）材料是线弹性的，单元节点力与节）材料是线弹性的，单元节点力与节点位移之间保持线性关系点位移之间保持线性关系4.4.（2）各单元或结构变形与整个结构尺寸）各单元或结构变形与整个结构尺寸(ch cun)相比很小，可应用叠加原理。相比很小，可应用叠
20、加原理。第55页/共144页第五十六页，共145页。2.基本(jbn)方程第56页/共144页第五十七页，共145页。二、导管二、导管(dogun)架结构静力架结构静力分析分析1.结构计算模型的建立结构计算模型的建立（1）单元与节点）单元与节点节点：对于泥面以上的杆件，凡杆件交叉点、节点：对于泥面以上的杆件，凡杆件交叉点、集中荷载作用点、杆件横截面变化点、桩集中荷载作用点、杆件横截面变化点、桩与泥面交接点一般都应设为节点。泥面以与泥面交接点一般都应设为节点。泥面以下的桩基上设置多个节点，每个节点处设下的桩基上设置多个节点，每个节点处设置两个垂直于桩身的弹簧，代替置两个垂直于桩身的弹簧，代替(d
21、it)桩桩土的相互作用。土的相互作用。单元：连接两个节点的构件视为一个单元，单元：连接两个节点的构件视为一个单元，一般取导管架构件的单元为梁单元，传递一般取导管架构件的单元为梁单元，传递轴力、弯矩和剪力。桩一般作为独立的单轴力、弯矩和剪力。桩一般作为独立的单元，若桩视为若干弹簧支撑，则弹簧视为元，若桩视为若干弹簧支撑，则弹簧视为节点，桩划分为若干单元。节点，桩划分为若干单元。第57页/共144页第五十八页，共145页。（2）坐标系统通常采用两种坐标系统：整体坐标系（结构坐标系）：空间固定的任意坐标系，用x，y，z表示局部坐标系（杆件坐标系）：用于表示局部构件(gujin)的坐标系统，用S1，S
22、2，S3表示结构整体坐标系与杆件局部坐标系均取为右手坐标系统。第58页/共144页第五十九页，共145页。l对任意(rny)空间杆件，杆端节点有3个线位移和3各角位移共6个位移分量，杆端力也有3个力与3个力矩共6个分量。第59页/共144页第六十页，共145页。2.计算刚度矩阵(j zhn)按分部分析计算模型对导管架和桩分别进行计算，即分别建立杆件坐标系下的桩基刚度矩阵(j zhn)和空间杆件刚度矩阵(j zhn)。1)桩基刚度矩阵(j zhn)2)空间杆件刚度矩阵(j zhn)第60页/共144页第六十一页，共145页。3.3.坐标系统转换矩阵坐标系统转换矩阵坐标系统转换矩阵坐标系统转换矩阵
23、前面计算了杆件坐标系统的刚度矩阵，为了把各杆件刚度前面计算了杆件坐标系统的刚度矩阵，为了把各杆件刚度前面计算了杆件坐标系统的刚度矩阵，为了把各杆件刚度前面计算了杆件坐标系统的刚度矩阵，为了把各杆件刚度矩阵汇集成结构坐标系统下的刚度矩阵，需要对杆件矩阵汇集成结构坐标系统下的刚度矩阵，需要对杆件矩阵汇集成结构坐标系统下的刚度矩阵，需要对杆件矩阵汇集成结构坐标系统下的刚度矩阵，需要对杆件坐标系统和结构坐标系统进行转换。坐标系统和结构坐标系统进行转换。坐标系统和结构坐标系统进行转换。坐标系统和结构坐标系统进行转换。转轴矩阵转轴矩阵转轴矩阵转轴矩阵TT杆件坐标系下的杆端力与节点位移杆件坐标系下的杆端力与
24、节点位移杆件坐标系下的杆端力与节点位移杆件坐标系下的杆端力与节点位移(wiy)(wiy)关系为：关系为：关系为：关系为：坐标转换：坐标转换：坐标转换：坐标转换：代入得结构坐标系下的杆件刚度矩阵：代入得结构坐标系下的杆件刚度矩阵：代入得结构坐标系下的杆件刚度矩阵：代入得结构坐标系下的杆件刚度矩阵：第61页/共144页第六十二页，共145页。4.4.直接刚度法解节点位移与杆端力直接刚度法解节点位移与杆端力直接刚度法解节点位移与杆端力直接刚度法解节点位移与杆端力每个杆单元在结构坐标系下刚度矩阵每个杆单元在结构坐标系下刚度矩阵每个杆单元在结构坐标系下刚度矩阵每个杆单元在结构坐标系下刚度矩阵KeKe求出
25、后，即可汇集成结求出后，即可汇集成结求出后，即可汇集成结求出后，即可汇集成结构总刚度矩阵构总刚度矩阵构总刚度矩阵构总刚度矩阵KK，它是将各杆件按总自由度编号为下标的刚，它是将各杆件按总自由度编号为下标的刚，它是将各杆件按总自由度编号为下标的刚，它是将各杆件按总自由度编号为下标的刚度系数相叠加而成的度系数相叠加而成的度系数相叠加而成的度系数相叠加而成的6n6n6n6n矩阵。矩阵。矩阵。矩阵。为了求结构位移和内力，需将基桩约束刚度矩阵为了求结构位移和内力，需将基桩约束刚度矩阵为了求结构位移和内力，需将基桩约束刚度矩阵为了求结构位移和内力，需将基桩约束刚度矩阵KPHKPH叠加到结叠加到结叠加到结叠加
26、到结构总刚度矩阵构总刚度矩阵构总刚度矩阵构总刚度矩阵KK相应相应相应相应(xingyng)(xingyng)位置上，经过约束处理后的位置上，经过约束处理后的位置上，经过约束处理后的位置上，经过约束处理后的结构刚度矩阵为结构刚度矩阵为结构刚度矩阵为结构刚度矩阵为KrKr，则：，则：，则：，则：KrD=PKrD=P式中式中式中式中DD为全部节点位移向量，为全部节点位移向量，为全部节点位移向量，为全部节点位移向量，PP为节点荷载向量。为节点荷载向量。为节点荷载向量。为节点荷载向量。求结构的节点位移公式为：求结构的节点位移公式为：求结构的节点位移公式为：求结构的节点位移公式为：D=Kr-1PD=Kr-
27、1P结构坐标系下，节点位移产生的杆端力：结构坐标系下，节点位移产生的杆端力：结构坐标系下，节点位移产生的杆端力：结构坐标系下，节点位移产生的杆端力：Fe=KeDeFe=KeDe杆件坐标系下，节点位移产生的杆端力：杆件坐标系下，节点位移产生的杆端力：杆件坐标系下，节点位移产生的杆端力：杆件坐标系下，节点位移产生的杆端力：如果杆件上作用有分布荷载，则杆件坐标系下的杆端力为：如果杆件上作用有分布荷载，则杆件坐标系下的杆端力为：如果杆件上作用有分布荷载，则杆件坐标系下的杆端力为：如果杆件上作用有分布荷载，则杆件坐标系下的杆端力为：第62页/共144页第六十三页，共145页。杆件断面杆件断面杆件断面杆件
28、断面(dun min)(dun min)要素的确定要素的确定要素的确定要素的确定杆件断面杆件断面杆件断面杆件断面(dun min)(dun min)要素：杆件横截面面积要素：杆件横截面面积要素：杆件横截面面积要素：杆件横截面面积A A，有效剪切面积，有效剪切面积，有效剪切面积，有效剪切面积AyAy，AzAz，截面惯性矩，截面惯性矩，截面惯性矩，截面惯性矩IyIy，IzIz及极惯性矩及极惯性矩及极惯性矩及极惯性矩J J型钢截面：截面积和惯性矩查型钢表，工字型截面杆件有效面型钢截面：截面积和惯性矩查型钢表，工字型截面杆件有效面型钢截面：截面积和惯性矩查型钢表，工字型截面杆件有效面型钢截面：截面积和
29、惯性矩查型钢表，工字型截面杆件有效面积可取腹板面积。积可取腹板面积。积可取腹板面积。积可取腹板面积。圆管杆件：截面为圆环，按公式计算。圆管杆件：截面为圆环，按公式计算。圆管杆件：截面为圆环，按公式计算。圆管杆件：截面为圆环，按公式计算。导管与桩之间环形空间用水泥砂浆填充的情况：假设水泥砂浆导管与桩之间环形空间用水泥砂浆填充的情况：假设水泥砂浆导管与桩之间环形空间用水泥砂浆填充的情况：假设水泥砂浆导管与桩之间环形空间用水泥砂浆填充的情况：假设水泥砂浆只起连接作用，不参与抵抗荷载，杆按双壁管计算，将内外只起连接作用，不参与抵抗荷载，杆按双壁管计算，将内外只起连接作用，不参与抵抗荷载，杆按双壁管计算
30、，将内外只起连接作用，不参与抵抗荷载，杆按双壁管计算，将内外管各自的断面管各自的断面管各自的断面管各自的断面(dun min)(dun min)面积、惯性矩等相加即可。面积、惯性矩等相加即可。面积、惯性矩等相加即可。面积、惯性矩等相加即可。第63页/共144页第六十四页，共145页。第四节第四节 导管架构件导管架构件(gujin)强强度校核度校核n n规范(gufn)普遍采用许用应力法n n我国海上固定平台入级与建造规范(gufn)规定，在工作环境条件和施工条件下，构件材料的许用应力值按表6-2选用。在极端环境条件下各种荷载组合后的许用应力可提高1/3；计算地震荷载时，构件的许用应力可提高70
31、%。第64页/共144页第六十五页，共145页。圆管构件圆管构件(gujin)的强度要求和计算公式的强度要求和计算公式一、轴向应力(yngl)（表6-3）二、剪应力(yngl)（表6-4）三、环向应力(yngl)（式6-79）四、折算应力(yngl)（表6-5）第65页/共144页第六十六页，共145页。第一节第一节 概述概述(i sh)n n圆管构件(gujin)是一种非常有效的构件(gujin)型式，它能很好的承受轴向拉力或压力，弯矩或扭矩，内力或外力。本章主要介绍无加强圆管构件(gujin)在各种荷载作用下的强度和稳定问题，以及按现行平台规范的计算方法，以满足强度和稳定性的要求。第66页
32、/共144页第六十七页，共145页。第67页/共144页第六十八页，共145页。一、一、圆管构件圆管构件(gujin)特性特性1.优点(yudin)第68页/共144页第六十九页，共145页。2.缺点(qudin)第69页/共144页第七十页，共145页。二、钢管二、钢管(gnggun)材料和类型材料和类型1.1.钢管材料钢管材料钢管材料钢管材料导管架平台材料的选择决定于钢材的强度、韧性、抗疲劳、抗导管架平台材料的选择决定于钢材的强度、韧性、抗疲劳、抗导管架平台材料的选择决定于钢材的强度、韧性、抗疲劳、抗导管架平台材料的选择决定于钢材的强度、韧性、抗疲劳、抗腐蚀以及加工和焊接性能。腐蚀以及加工
33、和焊接性能。腐蚀以及加工和焊接性能。腐蚀以及加工和焊接性能。强度：平台构件通常采用普通和中等强度的钢材制造，高强度强度：平台构件通常采用普通和中等强度的钢材制造，高强度强度：平台构件通常采用普通和中等强度的钢材制造，高强度强度：平台构件通常采用普通和中等强度的钢材制造，高强度钢虽然重量轻，但是韧性较差，需采用特殊钢虽然重量轻，但是韧性较差，需采用特殊钢虽然重量轻，但是韧性较差，需采用特殊钢虽然重量轻，但是韧性较差，需采用特殊(tsh)(tsh)焊接工焊接工焊接工焊接工艺。近海工程选用的钢材屈服强度小于艺。近海工程选用的钢材屈服强度小于艺。近海工程选用的钢材屈服强度小于艺。近海工程选用的钢材屈服
34、强度小于420MPa420MPa。选用的钢材应具有良好的成形性和可焊性。对设计的环境条件选用的钢材应具有良好的成形性和可焊性。对设计的环境条件选用的钢材应具有良好的成形性和可焊性。对设计的环境条件选用的钢材应具有良好的成形性和可焊性。对设计的环境条件具有良好的断裂韧性。具有良好的断裂韧性。具有良好的断裂韧性。具有良好的断裂韧性。钢材等级的选择，应根据构件的类别、构件厚度和人工设计温钢材等级的选择，应根据构件的类别、构件厚度和人工设计温钢材等级的选择，应根据构件的类别、构件厚度和人工设计温钢材等级的选择，应根据构件的类别、构件厚度和人工设计温度按我国平台规范规定选用。度按我国平台规范规定选用。度
35、按我国平台规范规定选用。度按我国平台规范规定选用。各等级钢材允许使用的最大构件厚度可根据构件类别和最低设各等级钢材允许使用的最大构件厚度可根据构件类别和最低设各等级钢材允许使用的最大构件厚度可根据构件类别和最低设各等级钢材允许使用的最大构件厚度可根据构件类别和最低设计温度按表计温度按表计温度按表计温度按表8-18-1确定。确定。确定。确定。第70页/共144页第七十一页，共145页。2.钢管类型钢管类型按有无焊缝分类：焊接按有无焊缝分类：焊接(hnji)钢管（有缝管）和无缝钢管钢管（有缝管）和无缝钢管按断面形状分类：圆管、异形管按断面形状分类：圆管、异形管圆管和圆形实心柱圆管和圆形实心柱 1）
36、无缝钢管）无缝钢管热轧无缝钢管：适合大直径钢管，精度低，成本低热轧无缝钢管：适合大直径钢管，精度低，成本低冷轧无缝钢管：适合小直径钢管，精度高，成本高冷轧无缝钢管：适合小直径钢管，精度高，成本高应力应力应变曲线的区别应变曲线的区别2）焊接）焊接(hnji)钢管钢管用钢带货钢板弯曲变形为圆形、方形等形状后再焊接用钢带货钢板弯曲变形为圆形、方形等形状后再焊接(hnji)成的表面有焊缝的钢管。成的表面有焊缝的钢管。根据焊接根据焊接(hnji)方法可分为：电弧焊管、电阻焊管、摩擦方法可分为：电弧焊管、电阻焊管、摩擦焊管、气焊管、炉焊管等。焊管、气焊管、炉焊管等。按焊缝形状分为直缝焊管和螺旋焊管按焊缝形
37、状分为直缝焊管和螺旋焊管直缝焊管：生产工艺简单、效率高、成本低，适合小直径直缝焊管：生产工艺简单、效率高、成本低，适合小直径钢管钢管螺旋焊管：强度高、能生产不同直径的焊管、焊缝长，生螺旋焊管：强度高、能生产不同直径的焊管、焊缝长，生产速度低，适合大直径钢管。产速度低，适合大直径钢管。第71页/共144页第七十二页，共145页。三、圆管构件三、圆管构件(gujin)设计计设计计算方法算方法1.1.安全系数和容许应力安全系数和容许应力安全系数和容许应力安全系数和容许应力平台规范平台规范平台规范平台规范(gufn)(gufn)规定采用容许应力设计法。规定采用容许应力设计法。规定采用容许应力设计法。规
38、定采用容许应力设计法。容许应力法是以钢材的屈服强度除以安全系数作为结构的强度标准。容许应力法是以钢材的屈服强度除以安全系数作为结构的强度标准。容许应力法是以钢材的屈服强度除以安全系数作为结构的强度标准。容许应力法是以钢材的屈服强度除以安全系数作为结构的强度标准。安全系数的确定分工作环境条件和极端环境条件两种工况。安全系数的确定分工作环境条件和极端环境条件两种工况。安全系数的确定分工作环境条件和极端环境条件两种工况。安全系数的确定分工作环境条件和极端环境条件两种工况。工作环境条件下安全系数规定见表工作环境条件下安全系数规定见表工作环境条件下安全系数规定见表工作环境条件下安全系数规定见表8-28-
39、2极端环境条件下安全系数可降低极端环境条件下安全系数可降低极端环境条件下安全系数可降低极端环境条件下安全系数可降低25%25%，也就是容许应力可提高，也就是容许应力可提高，也就是容许应力可提高，也就是容许应力可提高1/31/3。焊缝的容许应力：工作环境下，对接焊缝的容许应力取母体金属的容许应力，即焊缝的容许应力：工作环境下，对接焊缝的容许应力取母体金属的容许应力，即焊缝的容许应力：工作环境下，对接焊缝的容许应力取母体金属的容许应力，即焊缝的容许应力：工作环境下，对接焊缝的容许应力取母体金属的容许应力，即抗拉和抗压为抗拉和抗压为抗拉和抗压为抗拉和抗压为 ，抗剪为，抗剪为，抗剪为，抗剪为 ，贴角焊
40、缝不论抗拉、抗压或抗剪均为，贴角焊缝不论抗拉、抗压或抗剪均为，贴角焊缝不论抗拉、抗压或抗剪均为，贴角焊缝不论抗拉、抗压或抗剪均为 。第72页/共144页第七十三页，共145页。2.2.计算原则计算原则1 1）强度条件：）强度条件：承受动力荷载的结构除计算静强度外，还应进行疲劳强度演算。一般表面光滑承受动力荷载的结构除计算静强度外，还应进行疲劳强度演算。一般表面光滑的构件不需演算疲劳强度，但高强度钢的疲劳强度比屈服点低，需要演算疲的构件不需演算疲劳强度，但高强度钢的疲劳强度比屈服点低，需要演算疲劳强度。劳强度。2 2）稳定条件）稳定条件整体稳定性：整体稳定性：局部稳定性：大直径薄壁钢管当局部稳定
41、性：大直径薄壁钢管当D/t60D/t60时，需考虑局部稳定时，需考虑局部稳定3 3）变形和刚度条件）变形和刚度条件受弯构件的刚度用挠度受弯构件的刚度用挠度(nod)(nod)衡量，结构振动用自振周期衡量，轴向受力杆件衡量，结构振动用自振周期衡量，轴向受力杆件的刚度用长细比控制。的刚度用长细比控制。第73页/共144页第七十四页，共145页。第二节第二节 圆管构件圆管构件(gujin)的强的强度计算度计算圆管构件按其受力性质(xngzh)可分为：轴向受力构件受弯构件偏心受力构件同时承受外水压力及受扭的构件第74页/共144页第七十五页，共145页。一、强度破坏准则1.钢材单向受拉的主要性能2.钢
42、材的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏3.复杂应用状态的屈服(qf)条件实际结构中，钢材常受到双向平面或三向立体应力的作用。在多向应力状态下，钢材向塑性阶段转化并不取决于一种应力而取决于某个应力函数，即折算应力第75页/共144页第七十六页，共145页。二、圆管构件的强度计算二、圆管构件的强度计算1.轴心受力杆件的强度计算轴心受力杆件的强度计算轴心受力杆件：受有轴向力作用而无弯矩轴心受力杆件：受有轴向力作用而无弯矩的杆件。的杆件。轴心力可以是拉力或压力。轴心力可以是拉力或压力。轴心受力杆件截面上的应力均匀分布，其轴心受力杆件截面上的应力均匀分布，其强度条件是截面上的平均应力不得强度条件是截面上的平均
43、应力不得(bu de)超过容许应力，其强度计算公式为：超过容许应力，其强度计算公式为：第76页/共144页第七十七页，共145页。2.2.受弯构件的强度计算受弯构件的强度计算受弯构件的强度计算受弯构件的强度计算正应力：离中和轴最远处的弯曲正应力最大。我国平台规范规正应力：离中和轴最远处的弯曲正应力最大。我国平台规范规正应力：离中和轴最远处的弯曲正应力最大。我国平台规范规正应力：离中和轴最远处的弯曲正应力最大。我国平台规范规定将基本容许弯曲应力提高定将基本容许弯曲应力提高定将基本容许弯曲应力提高定将基本容许弯曲应力提高10%10%，因此圆管杆件受弯时的强，因此圆管杆件受弯时的强，因此圆管杆件受弯
44、时的强，因此圆管杆件受弯时的强度计算公式：度计算公式：度计算公式：度计算公式：剪应力：最大剪应力在中和轴上，其值等于圆管截面平均剪应剪应力：最大剪应力在中和轴上，其值等于圆管截面平均剪应剪应力：最大剪应力在中和轴上，其值等于圆管截面平均剪应剪应力：最大剪应力在中和轴上，其值等于圆管截面平均剪应力的力的力的力的2 2倍，抗剪强度条件为：倍，抗剪强度条件为：倍，抗剪强度条件为：倍，抗剪强度条件为：当圆管杆件承受当圆管杆件承受当圆管杆件承受当圆管杆件承受(chngshu)(chngshu)作用在两个主轴平面的弯矩时，弯作用在两个主轴平面的弯矩时，弯作用在两个主轴平面的弯矩时，弯作用在两个主轴平面的弯
45、矩时，弯矩可矢量相加，得合成弯矩，故强度计算公式为：矩可矢量相加，得合成弯矩，故强度计算公式为：矩可矢量相加，得合成弯矩，故强度计算公式为：矩可矢量相加，得合成弯矩，故强度计算公式为：相应的剪力计算公式为：相应的剪力计算公式为：相应的剪力计算公式为：相应的剪力计算公式为：第77页/共144页第七十八页，共145页。3.偏心受力杆件的强度计算偏心受力杆件的强度计算偏心受力杆件：轴向力不通过截面形心的杆偏心受力杆件：轴向力不通过截面形心的杆件或同时受轴向力和横向力的杆件。件或同时受轴向力和横向力的杆件。强度条件是截面边缘强度条件是截面边缘(binyun)处的最大应力处的最大应力不得超过容许应力，强
46、度计算公式为：不得超过容许应力，强度计算公式为：对于轴心受力并在两个主轴平面内受弯的圆对于轴心受力并在两个主轴平面内受弯的圆管杆件，其强度计算公式为：管杆件，其强度计算公式为：第78页/共144页第七十九页，共145页。4.静水压力下轴向受力杆件的强度计算静水压力下轴向受力杆件的强度计算静水压力下，圆管管壁静水压力下，圆管管壁(un b)在环向受到在环向受到的压应力为：的压应力为：环向受压的容许应力为：环向受压的容许应力为：故圆管管壁故圆管管壁(un b)环向受压强度安全条件环向受压强度安全条件为：为：第79页/共144页第八十页，共145页。5.圆管杆件的抗扭强度计算圆管杆件的抗扭强度计算圆
47、管抗扭能力圆管抗扭能力(nngl)最好。最好。在扭矩作用下，圆管受到纯扭矩产生的剪应在扭矩作用下，圆管受到纯扭矩产生的剪应力为：力为：第80页/共144页第八十一页，共145页。第三节第三节 圆管构件圆管构件(gujin)的稳的稳定性计算定性计算n n稳定性包括：整体稳定性和局部稳定性稳定性包括：整体稳定性和局部稳定性n n影响圆管构件稳定性的因素影响圆管构件稳定性的因素(yn s)(yn s)很多，稳定性计算方很多，稳定性计算方法是基于大量模型试验所得出的规律性结果。法是基于大量模型试验所得出的规律性结果。n n无加强圆管构件的稳定性计算，主要是正确选择壳体长度无加强圆管构件的稳定性计算，主
48、要是正确选择壳体长度L L、直径、直径DD和壁厚和壁厚t t等几何尺寸，以保证在工作和极端条件等几何尺寸，以保证在工作和极端条件荷载作用下具有整体和局部稳定性。荷载作用下具有整体和局部稳定性。n n主要介绍无加强圆管构件在轴向压力、弯矩、压弯联合作主要介绍无加强圆管构件在轴向压力、弯矩、压弯联合作用下的局部和整体屈曲，在静水压力作用下的环向屈曲以用下的局部和整体屈曲，在静水压力作用下的环向屈曲以及轴向拉力或压力共同作用下的屈曲计算方法。对每一种及轴向拉力或压力共同作用下的屈曲计算方法。对每一种屈曲给出计算弹性或非弹性临界应力公式。屈曲给出计算弹性或非弹性临界应力公式。第81页/共144页第八十
49、二页，共145页。一、轴向压力作用下圆管构件一、轴向压力作用下圆管构件(gujin)的屈曲的屈曲n n圆管构件在轴压作用下，既可能发生局部屈曲，又可能发圆管构件在轴压作用下，既可能发生局部屈曲，又可能发生整体屈曲，判断标准是径厚比生整体屈曲，判断标准是径厚比D/tD/t和长径比和长径比L/DL/D。整体。整体屈曲由长径比控制，局部屈曲由径厚比控制。屈曲由长径比控制，局部屈曲由径厚比控制。L/DL/D很大而很大而D/tD/t很小，则只有整体屈曲，没有局部屈曲。很小，则只有整体屈曲，没有局部屈曲。D/tD/t较大，则较大，则既有整体屈曲，又有局部屈曲。既有整体屈曲，又有局部屈曲。n n我国平台规范
50、规定我国平台规范规定(gudng)(gudng)：当：当D/t60D/t60D/t60时要计算局部稳定性。时要计算局部稳定性。第82页/共144页第八十三页，共145页。1.轴压作用下圆管构件的局部屈曲轴压作用下圆管构件的局部屈曲我国平台规范规定，采用我国平台规范规定，采用(ciyng)下式计算下式计算弹性局部屈曲临界应力：弹性局部屈曲临界应力：采用采用(ciyng)下式计算非弹性局部屈曲临界下式计算非弹性局部屈曲临界应力：应力：第83页/共144页第八十四页，共145页。2.圆管构件在轴向压力作用圆管构件在轴向压力作用(zuyng)下的整下的整体屈曲体屈曲第84页/共144页第八十五页，共1