CN116542016A - 一种基于cfrp加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法 - Google Patents

一种基于cfrp加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法，包括(1)获取CFRP粘贴钢管参数；(2)采用等效截面法，计算加固后的复合构件的等效长细比；(3)计算CFRP加固后钢管结构的稳定承载力；(4)根据实际载荷和稳定承载力进行判断。本发明采用等效截面法，引入模量比参数，将CFRP环向粘贴、CFRP纵向粘贴以及CFRP环向纵向交替粘贴时的等效截面面积和等效截面惯性矩的计算公式合并为一种计算公式，将CFRP的截面积等效为钢材的截面积，计算加固后的复合构件的等效长细比，从而计算出CFRP加固后钢管结构的稳定承载力，不需要借助于有限元分析进行计算，计算过程快，精度高，最终实现CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力的直接评估。

Description

一种基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法
技术领域
本发明涉及导管架海洋平台加固技术领域，特别涉及一种基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法。
背景技术
海洋导管架平台在服役期间因其所处海洋工作环境复杂多变，导致平台节点和杆件结构出现凹陷、裂缝等损伤，影响平台使用可靠性和安全性。为了延长在役平台使用寿命，确保平台安全工作，需要对损伤的结构进行加固修复。碳纤维增强复合材料(CarbonFiber Reinforced Polymer，简称CFRP)质量轻、弹性模量大、抗火、耐腐蚀，与传统灌浆、卡箍、加肋板等加固修复方式相比，使用碳纤维增强复合材料加固修复损伤结构具有不增加自重、不存在残余应力、施工简单方便等优点。
目前，碳纤维加固修复技术已经得到广泛的应用，但在加固导管架平台杆件方面的研究较少，且现有碳纤维加固修复钢结构的理论研究还尚不成熟，缺乏具有指导意义的评估方法。为了对CFRP加固效果进行研究，需要提出一种方法对CFRP加固圆钢管结构的稳定承载力进行准确的评估。
发明内容
本发明实施例提供了一种基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明实施例提供了一种基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法，其改进之处在于，包括：
(1)获取CFRP粘贴钢管参数；
(2)采用等效截面法，计算加固后的复合构件的等效长细比；
(3)计算CFRP加固后钢管结构的稳定承载力；
(4)根据实际载荷和稳定承载力进行判断。
优选的，所述步骤(1)钢管参数包括钢管外直径、钢管壁厚、钢管总长、钢管弹性模量和屈服强度。
优选的，所述步骤(2)包括通过计算粘贴CFRP后的钢管截面的复合构件的等效截面面积和等效截面惯性矩，计算得到复合构件的长细比，由复合构件的长细比得到复合构件的稳定性系数。
进一步的，所述步骤(2)包括CFRP加固后复合构件的抗压刚度和抗弯刚度可以表示为：
EsAeq＝EsAs+EcfrpAcfrp (1)
EsIeq＝EsIs+EcfrpIcfrp (2)
由式(1)和(2)可得复合构件等效截面面积和等效截面惯性矩为：
式中，Es为钢管弹性模量；Aeq为复合构件等效截面积；As为钢管截面面积；Ecfrp为CFRP的弹性模量；
其中，不同粘贴方式时应该具体讨论正交异性；Acfrp为CFRP截面面积；Ieq为复合构件等效惯性矩；Is为钢管截面惯性矩；Icfrp为CFRP截面惯性矩；
当CFRP环向粘贴时，式(3)和(4)中的Ecfrp就是非纤维主方向的弹性模量Es,cfrp；
当CFRP纵向粘贴时，式(3)和(4)中的Ecfrp就是纤维主方向的弹性模量Ep,cfrp；定义两个模量比αs和αp如下：
当CFRP环向和纵向交替粘贴时：
Aeq＝As+(αpnL+αsnH)πDstcfrp (6)
式中，nH为环向粘贴的CFRP层数；Ds为钢管外径；tcfrp为单层CFRP的厚度；nL为纵向粘贴的CFRP层数；
式(6)和(7)即为复合构件等效截面面积和等效截面惯性矩的表达式；这两式可以概括CFRP全环向粘贴(即nL＝0)、CFRP全纵向粘贴(即nH＝0)以及CFRP环向和纵向交替粘贴三种情况。
根据复合构件的等效截面面积和等效截面惯性矩，可以求出复合构件的长细比：
式中，λc为复合构件修正后的长细比；L0为被加固钢管有效计算长度。
优选的，所述步骤(3)包括基于未加固的圆钢管稳定性承载力的计算方法可得到CFRP加固后的圆钢管的稳定性承载力。
进一步的，所述步骤(3)
CFRP加固后的复合构件的稳定承载力Nc可有下式得到：
式中，Nc为复合构件稳定承载力；fy为钢管屈服应力；为复合构件稳定性系数，
其中，当λc的计算值不为整数时，由公式计算复合构件的稳定系数，计算复合构件的正则化长细比
则有：
当λn＞0.215时
当λn≤0.215时
式中α1、α2和α3由规范中表7.2.1规定的截面分类按照表D.0.5采用。
进一步的，
根据GB 50017-2017《钢结构设计标准》附录D中式(D.0.5-2)计算复合构件的正则化长细比；
根据λc在《钢结构设计规范》附录D中查得，附录表头为λc/εk，εk为钢号修正系数，其值为235与钢材牌号中屈服值的比值的平方根。
进一步的，根据碳纤维布的正交各向异性，分析其粘贴方向不同时的受力情况，CFRP既要限制钢管的压缩变形同时满足限制钢管的侧向弯曲变形；沿环向粘贴时，碳纤维布在非纤维主方向承受压力载荷，而当发生弯曲变形时则非主纤维方向限制钢管的弯曲变形；沿纵向粘贴时，碳纤维布在纤维主方向承受压力载荷，同时也限制钢管的弯曲变形。
进一步的，所述步骤(4)包括当圆钢管的实际载荷大于稳定承载力时，圆钢管发生失稳破坏，反之，管钢管结构稳定。
本发明实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明基于等效截面法，提出CFRP加固钢管结构稳定承载力的计算方法，可用于准确计算出钢管结构的稳定承载力，进而判定钢管结构是否时发生失稳。并且CFRP加固的有限元模型计算时间长，采用公式计算稳定承载力时间短，结果精确。
本发明采用等效截面法，引入模量比参数，将CFRP环向粘贴、CFRP纵向粘贴以及CFRP环向纵向交替粘贴时的等效截面面积和等效截面惯性矩的计算公式合并为一种计算公式，将CFRP的截面积等效为钢材的截面积，计算加固后的复合构件的等效长细比，从而计算出CFRP加固后钢管结构的稳定承载力，不需要借助于有限元分析进行计算，计算过程快，精度高，最终实现CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力的直接评估。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了复合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法流程示意图；
图2是根据一示例性实施例示出的加固圆钢管示意图；
图3是根据一示例性实施例示出的碳纤维环向缠绕示意图；
图中，1-CFRP布纤维主方向、2-钢管轴向；
图4是根据一示例性实施例示出碳纤维纵向缠绕示意图；
图中，1-CFRP布纤维主方向、2-钢管轴向
图5是根据一示例性实施例示出碳纤维交替缠绕示意图；
图6是根据实施例2示出的基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法流程示意图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，各实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。本文中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的结构、产品等而言，由于其与实施例公开的部分相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
下面结合附图及实施例对本发明做进一步描述：
如图1所示，本发明提供了一种CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力的计算方法对于CFRP加固的圆钢管稳定承载力的计算方法，采用等效截面法，基于结构参数，计算粘贴CFRP后的钢管截面的复合构件的等效截面面积和等效截面惯性矩，从而可以计算得到复合构件的长细比，基于GB 50017-2017《钢结构设计规范》的附录D以及稳定系数计算公式，可由复合构件的长细比得到复合构件的稳定性系数；最终基于未加固的圆钢管稳定性承载力的计算方法可得到CFRP加固后的圆钢管的稳定性承载力，当圆钢管的实际载荷大于稳定承载力时，圆钢管发生失稳破坏，反之，管钢管结构不会发生失稳。
实施例1：
(1)获取CFRP粘贴钢管参数
钢管参数包括钢管外直径、钢管壁厚、钢管总长、钢管弹性模量和屈服强度。
如图2～5所示，图2为CFRP加固圆钢管的模型，图3～图5为CFRP缠绕方向示意图。由于CFRP的抗拉强度比圆钢管大得多，定义圆钢管达到屈服为最终状态。
(2)采用等效截面法，计算加固后的复合构件的等效长细比
通过计算粘贴CFRP后的钢管截面的复合构件的等效截面面积和等效截面惯性矩，计算得到复合构件的长细比，由复合构件的长细比得到复合构件的稳定性系数。
CFRP加固后复合构件的抗压刚度和抗弯刚度可以表示为：
EsAeq＝EsAs+EcfrpAcfrp (1)
EsIeq＝EsIs+EcfrpIcfrp (2)
由式(1)和(2)可得复合构件等效截面面积和等效截面惯性矩为：
式中，Es为钢管弹性模量；Aeq为复合构件等效截面积；As为钢管截面面积；Ecfrp为CFRP的弹性模量；
其在不同粘贴方式时应该具体讨论正交异性；Acfrp为CFRP截面面积；Ieq为复合构件等效惯性矩；Is为钢管截面惯性矩；Icfrp为CFRP截面惯性矩；
考虑碳纤维布的正交各向异性，需要分析其粘贴方向不同时的受力情况。CFRP既要限制钢管的压缩变形也要限制钢管的侧向弯曲变形。沿环向粘贴时，碳纤维布在非纤维主方向承受压力载荷，而当发生弯曲变形时也是非主纤维方向限制钢管的弯曲变形。沿纵向粘贴时，碳纤维布在纤维主方向承受压力载荷，同时也要限制钢管的弯曲变形。
当CFRP环向粘贴时，式(3)和(4)中的Ecfrp就是非纤维主方向的弹性模量Es,cfrp；
当CFRP纵向粘贴时，式(3)和(4)中的Ecfrp就是纤维主方向的弹性模量Ep,cfrp；定义两个模量比αs和αp如下：
当CFRP环向和纵向交替粘贴时：
Aeq＝As+(αpnL+αsnH)πDstcfrp (6)
式中，nH为环向粘贴的CFRP层数；Ds为钢管外径；tcfrp为单层CFRP的厚度；nL为纵向粘贴的CFRP层数。
式(6)和(7)即为复合构件等效截面面积和等效截面惯性矩的表达式。这两式可以概括CFRP全环向粘贴(即nL＝0)、CFRP全纵向粘贴(即nH＝0)以及CFRP环向和纵向交替粘贴三种情况。
根据复合构件的等效截面面积和等效截面惯性矩，可以求出复合构件的长细比：
式中，λc为复合构件修正后的长细比；L0为被加固钢管有效计算长度。
(3)计算CFRP加固后钢管结构的稳定承载力
基于未加固的圆钢管稳定性承载力的计算方法可得到CFRP加固后的圆钢管的稳定性承载力。
所述步骤(3)包括
CFRP加固后的复合构件的稳定承载力Nc可有下式得到：
式中，Nc为复合构件稳定承载力；fy为钢管屈服应力；为复合构件稳定性系数，根据λc在《钢结构设计规范》附录D中查得，附录表头为λc/εk，εk为钢号修正系数，其值为235与钢材牌号中屈服值的比值的平方根。
其中，当λc的计算值不为整数时，由公式计算复合构件的稳定系数，根据GB50017-2017《钢结构设计标准》附录D中式(D.0.5-2)计算复合构件的正则化长细比
则有：
当λn＞0.215时
当λn≤0.215时
式中α1、α2和α3由规范中表7.2.1规定的截面分类按照表D.0.5采用。
(4)根据实际载荷和稳定承载力进行判断
包括当圆钢管的实际载荷大于稳定承载力时，圆钢管发生失稳破坏，反之，管钢管结构稳定。
实施例2
如图6所示，以碳纤维增强复合材料(CFRP)加固圆钢管长柱的稳定承载力值的计算为例，圆钢管长柱的基本参数：钢管外直径Ds＝180mm，钢管壁厚ts＝5mm，总长L＝1500mm。钢管弹性模量Es＝190GPa，屈服强度fy＝310MPa。
碳纤维布加固层数为6层，加固方式为90°/0°/90°/0°/90°/0°，即环向碳纤维布层数nH＝3，纵向碳纤维布层数nL＝3。碳纤维布的基本参数：单层厚度tcfrp＝0.167mm，碳纤维布纤维方向弹性模量Ep,cfrp＝238GPa，碳纤维布垂直于纤维方向弹性模量Es,cfrp＝2400MPa。
采用本发明基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力的计算方法步骤如下：
(a)由碳纤维布纤维方向弹性模量Ep,cfrp和碳纤维布垂直于纤维方向弹性模量Es,cfrp计算两个模量比αs和αp如下
纤维方向模量与钢管的模量比αp为1.253，垂直于纤维方向模量与钢管的模量比αs为0.0126；
(b)根据钢管的基本参数，计算钢管截面积和截面惯性矩
(c)计算复合构件等效截面面积Aeq和等效截面惯性矩Ieq如下
Aeq＝As+(αpnL+αsnH)πDstcfrp＝3107.4mm2
(d)计算复合构件长细比
(e)本例采用轧制钢管，钢管截面为圆截面。根据GB 50017-2017《钢结构设计标准》，截面为a类截面，则根据λc按照附录D.0.1选择复合构件稳定系数
(f)计算GB 50017-2017《钢结构设计标准》附录D.0.1中表D.0.1的表头为表中27对应的稳定系数值为0.968，28对应的稳定系数为0.966；
(g)更准确的计算复合构件的稳定系数，根据GB 50017-2017《钢结构设计标准》附录D中式(D.0.5-2)计算复合构件的正则化长细比λn＞0.215，则有其中α2＝0.986，α3＝0.152，其值由规范中表7.2.1规定的截面分类按照表D.0.5采用；
(h)复合构件的稳定承载力为
(i)公式结果与实验测试结果对比如下，其误差为，在允许范围内。
管件规格 管件编号 CFRP加固方式 Nexp(kN)/试验 Nc(kN)/公式 Nexp/Nc
φ180*5 SJ-1C 3H3L 998 930 1.07
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的流程及结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法，其特征在于，包括：
(1)获取CFRP粘贴钢管参数；
(2)采用等效截面法，计算加固后的复合构件的等效长细比；
(3)计算CFRP加固后钢管结构的稳定承载力；
(4)根据实际载荷和稳定承载力进行判断。
2.根据权利要求1所述的一种基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法，其特征在于，所述步骤(1)钢管参数包括钢管外直径、钢管壁厚、钢管总长、钢管弹性模量和屈服强度。
3.根据权利要求1所述的一种基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法，其特征在于，所述步骤(2)包括通过计算粘贴CFRP后的钢管截面的复合构件的等效截面面积和等效截面惯性矩，计算得到复合构件的长细比，由复合构件的长细比得到复合构件的稳定性系数。
4.根据权利要求3所述的一种基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法，其特征在于，所述步骤(2)包括CFRP加固后复合构件的抗压刚度和抗弯刚度可以表示为：
EsAeq＝EsAs+EcfrpAcfrp (1)
EsIeq＝EsIs+EcfrpIcfrp (2)
由式(1)和(2)可得复合构件等效截面面积和等效截面惯性矩为：
式中，Es为钢管弹性模量；Aeq为复合构件等效截面积；As为钢管截面面积；Ecfrp为CFRP的弹性模量；
其中，不同粘贴方式时应该具体讨论正交异性；Acfrp为CFRP截面面积；Ieq为复合构件等效惯性矩；Is为钢管截面惯性矩；Icfrp为CFRP截面惯性矩；
当CFRP环向粘贴时，式(3)和(4)中的Ecfrp就是非纤维主方向的弹性模量Es,cfrp；
当CFRP纵向粘贴时，式(3)和(4)中的Ecfrp就是纤维主方向的弹性模量Ep,cfrp；定义两个模量比αs和αp如下：
当CFRP环向和纵向交替粘贴时：
Aeq＝As+(αpnL+αsnH)πDstcfrp (6)
式中，nH为环向粘贴的CFRP层数；Ds为钢管外径；tcfrp为单层CFRP的厚度；nL为纵向粘贴的CFRP层数；
式(6)和(7)为复合构件等效截面面积和等效截面惯性矩的表达式；这两式概括CFRP全环向粘贴(即nL＝0)、CFRP全纵向粘贴(即nH＝0)以及CFRP环向和纵向交替粘贴三种情况；
根据复合构件的等效截面面积和等效截面惯性矩，求出复合构件的长细比：
式中，λc为复合构件修正后的长细比；L0为被加固钢管有效计算长度。
5.根据权利要求1所述的一种基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法，其特征在于，所述步骤(3)包括基于未加固的圆钢管稳定性承载力的计算方法可得到CFRP加固后的圆钢管的稳定性承载力。
6.根据权利要求5所述的一种基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法，其特征在于，所述步骤(3)包括
CFRP加固后的复合构件的稳定承载力Nc可有下式得到：
式中，Nc为复合构件稳定承载力；fy为钢管屈服应力；为复合构件稳定性系数，
其中，当λc的计算值不为整数时，由公式计算复合构件的稳定系数，计算复合构件的正则化长细比
则有：
当λn＞0.215时
当λn≤0.215时
式中α1、α2和α3由规范中表7.2.1规定的截面分类按照表D.0.5采用。
7.根据权利要求6所述的一种基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法，其特征在于，
根据GB 50017-2017《钢结构设计标准》附录D中式(D.0.5-2)计算复合构件的正则化长细比；
根据λc在《钢结构设计规范》附录D中查得，附录表头为λc/εk，εk为钢号修正系数，其值为235与钢材牌号中屈服值的比值的平方根。
8.根据权利要求4所述的一种基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法，其特征在于，根据碳纤维布的正交各向异性，分析其粘贴方向不同时的受力情况，CFRP既要限制钢管的压缩变形同时满足限制钢管的侧向弯曲变形；
沿环向粘贴时，碳纤维布在非纤维主方向承受压力载荷，而当发生弯曲变形时则非主纤维方向限制钢管的弯曲变形；
沿纵向粘贴时，碳纤维布在纤维主方向承受压力载荷，同时也限制钢管的弯曲变形。
9.根据权利要求5所述的一种基于CFRP加固海洋平台圆钢管结构稳定承载力评估方法，其特征在于，所述步骤(4)包括当圆钢管的实际载荷大于稳定承载力时，圆钢管发生失稳破坏，反之，管钢管结构稳定。
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