不锈钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力计算方法

技术领域

本发明涉及海洋平台导管腿抗剪性能技术领域，特别是涉及一种不锈钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力计算方法。

背景技术

在经济全球化竞争和国际形势日趋复杂的今天，能源安全成为国家经济安全的重要内容，是国家在国际政治活动中争取主动，维护国家战略利益，促进地区经济可持续发展的基础和前提条件。海洋油气资源是当今世界最重要的能源，海洋平台则是海洋油气开采的主要装备。海洋平台结构复杂，造价昂贵，所处环境恶劣，经常会受到风、浪、流、海冰甚至是地震荷载的影响。在外界激励荷载作用下，海洋平台轻则产生振动和噪声，使设备仪器不能正常使用，影响工作；重则会使海洋平台发生倒塌。而导管腿是导管架海洋平台关键的承重构件，其可靠性则直接关系着海洋平台的安全。不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿是一种新型导管腿结构，利用不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土来替换原导管架海洋平台的空心钢质导管腿，使得海洋平台在刚度相同的情况下，有效地减小海洋平台导管腿直径，从而直接减小海洋平台所受的冰荷载。海洋平台在海冰作用下主要承受横向剪切作用，因此需保证导管腿具有足够的抗剪能力。如何确定海洋平台导管腿抗剪性能，进而采取相关措施降低重大灾害性事故的发生，延长其使用寿命，是目前国内外专家学者亟需解决的重要问题。

在现有的计算方法中，针对钢管混凝土抗剪承载力计算方法主要有如下几种：

GB 50936-2014《钢管混凝土结构技术规范》中给出了实心和空心钢管混凝土抗剪承载力计算方法，如下所示：

蔡绍怀按照极限平衡条件，将钢管和混凝土的极限受剪承载力加以叠加，给出一种较为简单的计算方法，如下所示：

钱稼茹在试验的基础上，按照蔡绍怀提出的理论，考虑钢管、混凝土和轴压力三部分贡献组成的钢管混凝土柱受剪承载力计算公式，公式考虑剪跨比的影响，具体如下所示：

0＜λ≤0.5且N/(f

λ≥0.5且N/(f

0＜λ＜0.5且N/(f

λ≥0.5且N/(f

现有计算方法的缺点

①钢管混凝土导管腿抗剪承载力实际上是混凝土和钢管共同受力的结果。蔡绍怀提出的计算方法在计算钢管混凝土抗剪承载力时，仅将钢管和混凝土的受剪承载力进行简单的叠加，未考虑钢管对混凝土的套箍作用，并且该方法仅适用于实心钢管混凝土。这种方法计算钢管混凝土承载力会产生一定的偏差。

②钢管混凝土导管腿抗剪承载力受剪跨比和轴压比的影响。《钢管混凝土结构技术规范》中计算方法得到的抗剪承载力是在实心钢管混凝土的基础上乘一个空心率系数，未考虑剪跨比和轴压比的作用。钱稼茹提出的计算方法虽考虑了剪跨比的影响，但仅给出实心钢管混凝土抗剪承载力计算方法，未考虑空心率的作用。基于上述计算方法得到的结果可能存在较大的误差。

③海洋平台长期处于盐雾、潮水和海洋环境中，导管腿会出现不同程度的锈蚀。现有中空夹层钢管混凝土外管主要采用碳素钢，而未进行防锈处理的碳素钢耐腐蚀性能较差，不适合作为海洋平台中空夹层钢管混凝土导管腿外管材料。不锈钢具有较好的耐腐蚀性，且其韧性和可焊性均优于碳素钢。故不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力计算方法需进一步研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种不锈钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力计算方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够准确预测不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力，并且计算公式的表达式仅与截面几何特征参数和构件物理特性参数有关，具有概念清晰，形式简单，适应性强的特点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种不锈钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力计算方法，包括以下步骤：

S1：确定不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿的尺寸参数，包括：

(1)核心混凝土的尺寸参数：钢管内核心混凝土横截面面积A

(2)外不锈钢管的尺寸参数：外不锈钢管横截面面积A

(3)内钢管的尺寸参数：内钢管横截面面积A

测定不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿的材料参数，包括：

(1)核心混凝土的材料参数：核心混凝土的抗压强度f

(2)外不锈钢管的材料参数：外不锈钢管的抗拉强度f

(3)内钢管的材料参数：内钢管的抗拉强度f

S2：根据极限平衡原理，将外不锈钢管、核心混凝土和内钢管的极限受剪承载力予以叠加；组成不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿的钢管和混凝土之间的相互作用，主要表现在内外钢管对混凝土的约束作用和核心混凝土对钢管的支撑作用，使得其在横向剪力作用下能保持其横截面几何形状的稳定性，并呈现出相当良好的塑性；采用套箍指标作为衡量内外钢管和核心混凝土相互作用的基本参数；考虑套箍作用的不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力计算，具体分为以下几个子步骤：

S21：考虑到内外钢管相同与不同的两种情况，套箍指标的计算方法如下：

(1)当内外钢管强度相同时，即f

(2)当内外钢管强度不同时：

其中：

S22：在套箍作用下，不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿在剪跨比等于零时的抗剪承载力V

(1)当内外钢管强度相同时：

(2)当内外钢管强度不同时：

S3：随着剪跨比的增长，不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿受剪承载力随之逐渐下降；基于未考虑轴压比的试验结果，通过多元线性回归求得待定系数；在剪跨比λ≤1的范围内：

不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力与剪跨比的关系可以用下列公式描述：

(1)当内外钢管强度相同时：

(2)当内外钢管强度不同时：

其中，V

S4：当不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿中存在轴力作用时，其抗剪承载力会有所提高，其提高量如下式所示：

ΔV＝εN

其中，N为不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿轴力设计值；ε为N的影响系数，考虑到设计安全，取ε＝0.1；

S5：不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿轴力设计值计算公式如下：

N

N

N

f

其中，n为轴压比；

S6：不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿轴心受压稳定系数

(1)当λ≤λ

(2)λ

(3)当λ＞λ

其中，λ

S7：综合考虑套箍作用、剪跨比和轴压比影响的不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力V

(1)当内外钢管强度相同时：

/>

(2)当内外钢管强度不同时：

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供一种不锈钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力计算方法，包括如下步骤：测定钢管内核心混凝土的横截面面积和抗压强度；测定内外钢管的横截面面积和抗拉强度；确定套箍指标，计算套箍作用下的抗剪承载力；基于试验结果，通过多元线性回归求得待定系数，计算考虑剪跨比的抗剪承载力；确定轴力设计值，计算考虑轴压比的抗剪承载力；建立不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力的计算模型。本发明综合考虑了套箍作用、剪跨比和轴压比的影响，计算过程简洁明了，能够准确计算不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿的抗剪承载力，并且计算公式的表达式仅与截面几何特征参数和构件物理特性参数有关，具有概念清晰，形式简单，适应性强的特点。该计算方法填补了不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪性能的研究空白，为海洋平台导管腿设计提供新方法、新思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的不锈钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力计算方法的流程图；

图2为本发明实施例中不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿的横截面示意图；

图3为本发明中不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力有限元模拟值和公式计算值的对比图；

图中：1-核心混凝土、2-外不锈钢管、3-内钢管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种不锈钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力计算方法，以解决现有技术存在的问题，能够准确预测不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力，并且计算公式的表达式仅与截面几何特征参数和构件物理特性参数有关，具有概念清晰，形式简单，适应性强的特点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1-图2所示，本实施例提供一种不锈钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力计算方法，包括以下步骤：

S1：确定不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿的尺寸参数，包括：

钢管内核心混凝土1横截面面积A

测定不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿的材料参数，包括：

钢管内核心混凝土1的抗压强度f

S2：根据极限平衡原理，将外不锈钢管2、核心混凝土1和内钢管3的极限受剪承载力予以叠加；采用套箍指标作为衡量内外钢管和核心混凝土相互作用的基本参数；考虑套箍作用的不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力计算，具体分为以下几个子步骤：

S21：套箍指标的计算方法如下：

其中：

S22：在套箍作用下，不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿在剪跨比等于零时的抗剪承载力V

S3：随着剪跨比的增长，不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿受剪承载力随之逐渐下降；基于未考虑轴压比的试验结果，通过多元线性回归求得待定系数；在剪跨比λ≤1的范围内：

不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力与剪跨比的关系用下列公式描述：

其中，V

S4：当不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿中存在轴力作用时，其抗剪承载力会有所提高，其提高量如下式所示：

ΔV＝εN

其中，N为不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿轴力设计值；ε为N的影响系数，考虑到设计安全，取ε＝0.1；

S5：不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿轴力设计值计算公式如下：

N

N

N

f

其中，n为轴压比；

S6：不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿轴心受压稳定系数

(1)当λ≤λ

(2)λ

(3)当λ＞λ

其中，λ

S7：综合考虑套箍作用、剪跨比和轴压比影响的不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力V

下文结合具体实施例和有限元对本发明作进一步的详细描述。图2为本发明实施例中不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿的横截面示意简图。

设计不同空心率ξ、不同剪跨比λ、不同轴压比n的试件，如表1所示：

表1不同空心率ξ、不同剪跨比λ、不同轴压比n的试件

注：D

步骤1：确定不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿的基本参数，具体包括：

(1)外不锈钢管2基本参数：外直径D

(2)内钢管3基本参数：外直径D

(3)核心混凝土1基本参数：横截面面积A

步骤2：计算套箍指标：

步骤3：计算套箍作用下的抗剪承载力：

步骤4：确定剪跨比λ；

步骤5：计算考虑套箍作用和剪跨比的抗剪承载力：

步骤6：确定轴心受压稳定系数

(1)当λ≤λ

(2)λ

(3)当λ＞λ

其中，λ

步骤7：计算外不锈钢管2和核心混凝土1截面的轴压强度设计值f

f

其中，β

步骤8：确定外不锈钢管2和核心混凝土1截面的抗压承载力N

N

步骤9：计算内钢管3截面的抗压承载力N

N

其中，f

步骤10：确定不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗压承载力N

N

步骤11：确定轴压比n；

步骤12：计算不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿轴力设计值N：

步骤13：计算综合考虑套箍作用、剪跨比和轴压比影响的不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力V

图3为不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力有限元模拟值和公式计算值的对比，通过图3可以看出，采用本发明计算方法得到的数值与有限元模拟值接近，从而验证了本发明计算方法的准确性。

本发明外不锈钢管和内钢管对混凝土起到套箍约束的作用，使构件表现出更好的界面几何形状稳定性和良好的塑性。本发明基于极限平衡原理，考虑内外钢管对混凝土的套箍作用，确定考虑套箍作用的抗剪承载力计算公式，考虑套箍作用影响可以使计算结果更加精确。

本发明随着剪跨比的增长，抗剪承载力随之逐渐减小。基于试验结果得到的经验公式能够较好的反应剪跨比对抗剪承载力的影响。

本发明当存在轴压力作用时，抗剪承载力会有所提高。综合考虑套箍作用、剪跨比和轴压比的计算模型可以较为精确的计算不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力。

本发明外管为不锈钢材料，相对于碳素钢具有较好的耐锈蚀性能和可焊性，本发明提出了新材料下导管腿的抗剪承载力计算方法。

本发明的不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力计算模型不仅仅适用于海洋平台导管腿设计，亦可以应用于海上、路上风电机导管腿设计。

本发明为不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力计算提供了新思路，综合考虑了套箍作用、剪跨比和轴压比的影响，克服了考虑一种或两种因素影响的计算误差。通过本发明可以更加准确的确定不锈钢-混凝土-钢中空夹层钢管混凝土导管腿抗剪承载力。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。