吳劍國(guó)，沈傳釗，朱榮成，馬 劍

(1. 浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310032；2. 浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014；3. 中國(guó)船級(jí)社 上海規(guī)范與技術(shù)中心，上海 200135)

船舶與海上移動(dòng)平臺(tái)焊接系數(shù)安全性驗(yàn)證研究

吳劍國(guó)1,2，沈傳釗3，朱榮成3，馬 劍1

(1. 浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310032；2. 浙江省工程結(jié)構(gòu)與防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014；3. 中國(guó)船級(jí)社 上海規(guī)范與技術(shù)中心，上海 200135)

建立一套驗(yàn)證船體結(jié)構(gòu)與海上移動(dòng)平臺(tái)規(guī)范焊縫安全性的理論方法，提出了船體與海上移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)焊縫應(yīng)力計(jì)算的3種模型和焊縫應(yīng)力計(jì)算方法，確定了焊縫強(qiáng)度的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)5個(gè)板條梁和4個(gè)短柱的焊縫強(qiáng)度試驗(yàn)，驗(yàn)證了焊縫的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)、焊縫應(yīng)力公式的正確性和適用性。進(jìn)行了11艘船體結(jié)構(gòu)焊縫應(yīng)力的提取和焊接系數(shù)利用因子的計(jì)算，獲得了船體結(jié)構(gòu)各類(lèi)角焊縫利用因子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，證明現(xiàn)有規(guī)范的焊接系數(shù)符合GBS的要求。

焊接系數(shù)；角焊縫；焊縫強(qiáng)度；結(jié)構(gòu)有限元；焊縫試驗(yàn)

Abstract: A theory etical method is proposed to verify the safety of fillet weld factors in hull and offshore floating platform rules. Three kinds of models and weld stress calculation methods for weld stress calculation of hull structures are proposed, and the weld strength standard of hull structural fillet welds is determined. To verify the correctness and applicability of weld stress formula and the criterions, the weld strength tests of 5 panels and 4 short columns are carried out. The fillet weld stresses of 11 hull structures are extracted and the utilization factors for weld factor are calculated, and the statistic results of utilization factor of all fillet welds of 13 hull structures are obtained. It is proved that the safety of hull structural fillet weld factors in rules accords with the requirement of GBS.

Keywords: weld factor; fillet weld; weld strength ; structure finite element； weld test

焊縫設(shè)計(jì)是船體與海上移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。由于船體與海上移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)焊縫繁多、接頭復(fù)雜、承受載荷的多樣性，進(jìn)行逐條焊縫的強(qiáng)度計(jì)算是幾乎不可能完成的任務(wù)[1]。為了方便設(shè)計(jì)者進(jìn)行焊縫設(shè)計(jì)，各國(guó)船級(jí)社經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工程經(jīng)驗(yàn)的積累，總結(jié)提出了船體與海上移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)角焊縫設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)便方法——焊接系數(shù)規(guī)格表[2-3]。焊接系數(shù)(weld factor)是焊縫剪切強(qiáng)度系數(shù)wτ(fillet weld factor on shear strength)的簡(jiǎn)稱(chēng)，其定義為角焊縫焊喉厚度與腹板厚度之比[4]。

然而，由于種種原因，焊接系數(shù)規(guī)格表系統(tǒng)完整的數(shù)據(jù)來(lái)源已不可循。ISSC296[5]對(duì)比了美國(guó)船級(jí)社ABS、其他船級(jí)社、美國(guó)海軍、美國(guó)焊接協(xié)會(huì)、美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)關(guān)于角焊縫的規(guī)范，發(fā)現(xiàn)各種規(guī)范以不同的形式指定最小尺寸，且規(guī)定的焊接系數(shù)不盡相同。該報(bào)告還應(yīng)用ADINA(動(dòng)態(tài)增量非線(xiàn)性分析)程序，進(jìn)行焊接工字梁焊縫的彈塑性分析，并建議采用光彈或類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)數(shù)學(xué)建模和計(jì)算結(jié)果的有效性。ISSC323[6]使用簡(jiǎn)單的工程設(shè)計(jì)方法，通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證ABS規(guī)范的角焊縫尺寸，并把它們改成更加實(shí)用的形式。

焊接系數(shù)作為規(guī)范不可或缺的一部分，同樣需要按照IMO的GBS(goal based standard)要求進(jìn)行驗(yàn)證并接受審核[7]。為此，中國(guó)船級(jí)社上海規(guī)范與技術(shù)中心聯(lián)合浙江工業(yè)大學(xué)等單位，進(jìn)行了為時(shí)多年的船體與海上移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)焊接系數(shù)的確定方法和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究，提出了一整套驗(yàn)證船體與海上移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)規(guī)范焊縫安全性的理論方法，通過(guò)11艘實(shí)船的計(jì)算分析和焊接短柱和鋼梁的試驗(yàn)[8-10]，驗(yàn)證了中國(guó)船級(jí)社CCS規(guī)范中的焊接系數(shù)取值符合GBS船舶安全性的要求。

1 角焊縫強(qiáng)度計(jì)算模型

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[11-12]中，角焊縫的應(yīng)力計(jì)算是基于如下2個(gè)假定：

1) 采用沿45°方向的焊縫有效截面為計(jì)算時(shí)的破壞面，稱(chēng)為焊喉he，其寬度等于0.7倍焊腳高度hf，如圖1(a)所示；

2) 在通過(guò)焊縫形心的橫向力Ny和剪力Nx作用下，如圖1(b)，沿焊縫長(zhǎng)度lw方向的應(yīng)力是均勻分布的。

圖1 角焊縫的截面應(yīng)力分析Fig. 1 Stress analysis of fillet weld section

將焊縫應(yīng)力分解為垂直焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力σf和平行于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力τf，故：

焊接強(qiáng)度公式為：

式中：fvw,d為角焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值[11]。 對(duì)于CCSA配套的焊接材料，fvw,d=208 N/mm2；對(duì)于AH32、AH36配套的焊接材料，fvw,d=262 N/mm2。

除去熔透焊，針對(duì)船舶與海上移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)角焊縫的受力特點(diǎn)，將船舶與海上移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)角焊縫分為3種模型：1) 剪切受力焊縫模型，如扶強(qiáng)材與帶板的焊縫、主要支撐構(gòu)件與外板的聯(lián)系焊縫；2) 橫向受力焊縫模型，如扶強(qiáng)材端部的焊縫、平面板材或平面艙壁周界的端部焊縫；3) 復(fù)合受力焊縫模型，同時(shí)剪切和橫向受力的焊縫，如主要支撐構(gòu)件之間的焊縫、支柱端部計(jì)算模型。

2 角焊縫應(yīng)力的計(jì)算方法

由于船體與海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，焊縫受力很難通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)等方法確定，因此考慮采用有限元方法計(jì)算焊縫應(yīng)力。然而，由于結(jié)構(gòu)尺寸和焊腳尺寸根本不在一個(gè)量級(jí)，比如船體結(jié)構(gòu)有限元分析所用板單元的尺寸一般都在800 mm×800 mm 左右，而焊腳高度一般都小于10 mm。因此，不可能在船體結(jié)構(gòu)分析模型中建立焊縫實(shí)體，再劃分單元[13]，而需要尋找新方法計(jì)算焊縫應(yīng)力。

2.1 角焊縫剪應(yīng)力的計(jì)算方法

圖2所示扶強(qiáng)材與帶板的聯(lián)系角焊縫，取長(zhǎng)度為dz的梁段作為隔離體。在彎矩差dM作用下，微段dz的帶板縱向受力之差必須與帶板和腹板間角焊縫有效截面上的縱向水平剪力相平衡，即

由于

代入式(3)，得

式中：S1=Afy1為帶板面積Af對(duì)截面中和軸x的面積矩，Ix為整個(gè)橫截面對(duì)其中和軸的慣性矩，hf為焊腳高度，τf為焊喉平均剪應(yīng)力，V為橫截面上的剪力。如圖2(b)所示。

圖2 焊縫應(yīng)力計(jì)算模型Fig. 2 Weld stress analysis model

根據(jù)材料力學(xué)公式，焊縫處腹板的剪應(yīng)力為

式中：tw為腹板厚度，其余符號(hào)同式(5)。

對(duì)比式(5)和式(6)，獲得焊縫應(yīng)力的計(jì)算公式如下：

式中：k是考慮有限元模型的影響而引進(jìn)的修正系數(shù)，其他符號(hào)同前。針對(duì)4個(gè)焊接板梁進(jìn)行了式(5)的焊縫理論計(jì)算；式(7)有限元應(yīng)力換算，如圖3所示；以及梁和焊縫的應(yīng)力測(cè)試，如圖4所示。經(jīng)過(guò)比對(duì)，確定修正系數(shù)k為1.0～1.1。

圖3 工字梁腹板應(yīng)力的有限元計(jì)算模型Fig. 3 Finite element model of I beam web stress analysis

圖4 焊接工字梁的彎剪試驗(yàn)照片F(xiàn)ig. 4 Welded I beam bending shear tests

因此，可以采用通常的船體結(jié)構(gòu)艙段或海上移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的有限元模型，先對(duì)縱骨等梁?jiǎn)卧M(jìn)行腹板板元化，再由腹板板單元(不建焊縫)的剪應(yīng)力，通過(guò)式(7)換算獲得焊縫剪應(yīng)力。

2.2 橫向受力的焊縫正應(yīng)力的計(jì)算方法

對(duì)于橫向受力的焊縫，如圖2(c)所示。立板上的橫向載荷F和彎矩M是通過(guò)垂直于焊縫長(zhǎng)度方向的應(yīng)力σf傳遞到邊界上。由力和力矩的平衡，可推導(dǎo)出焊縫橫向應(yīng)力σf與立板表面垂直于焊縫方向的正應(yīng)力σ+和σ-以及中面平均正應(yīng)力σ0的關(guān)系如式(8)，同樣，考慮到有限元模型的影響，針對(duì)不同的立板形式，采用修正系數(shù)k進(jìn)行修正。

式中：σ+和σ-分別為立板兩個(gè)表面焊縫方向的正應(yīng)力，σ0為立板中面焊縫方向的平均正應(yīng)力。

3 船體角焊縫的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)

通常鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范中的焊縫強(qiáng)度許用值是根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)規(guī)范確定的，不能直接應(yīng)用于船體與海上移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)焊縫的強(qiáng)度評(píng)估。這是因?yàn)槎叽嬖趦蓚€(gè)差別：一是載荷與強(qiáng)度的體系不同；二是計(jì)算模型也不同，建筑規(guī)范是基于近似的焊縫平均應(yīng)力公式，船舶與移動(dòng)平臺(tái)規(guī)范是基于結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算。為確定船體與移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)角焊縫有限元計(jì)算的焊縫強(qiáng)度許用值。將鋼結(jié)構(gòu)中母材設(shè)計(jì)強(qiáng)度與焊縫設(shè)計(jì)強(qiáng)度[11-12]的協(xié)調(diào)關(guān)系γ，引入到船舶與海上移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)中。

通過(guò)上式的類(lèi)比，使得船舶與海上移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)中焊縫的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)隨同構(gòu)件(母材)的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)變化，從而獲得各個(gè)構(gòu)件的焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;

用此公式可以根據(jù)船體結(jié)構(gòu)或海上移動(dòng)平臺(tái)規(guī)范的艙段有限元計(jì)算的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)[2-3]，換算出相應(yīng)模型構(gòu)件的焊縫許用剪切應(yīng)力。表1列出了鋼結(jié)構(gòu)焊縫與母材的許用強(qiáng)度比值。

表1 焊縫與母材應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)換算系數(shù)γTab. 1 Conversion factors for weld and parent metal strength standards γ

表2以CSR-OT為例，列出了其焊縫許用應(yīng)力，其他規(guī)范略。

表2 CSR-OT焊縫許用剪切應(yīng)力Tab. 2 Allowable shear strengths of CSR -OT fillet weld

4 焊縫模型試驗(yàn)

為了驗(yàn)證焊縫強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的安全性，進(jìn)行了4根受剪短柱的焊縫剪切破壞試驗(yàn)，以及1根工字型梁在集中載荷作用下的焊縫破壞實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)、焊縫破斷面、載荷與位移的曲線(xiàn)，如圖5和圖6所示。

圖5 受剪短柱的焊縫剪切破壞試驗(yàn)Fig. 5 Shear failure tests of welding short columns

圖6 集中載荷作用下的工字型梁焊縫破壞試驗(yàn)Fig. 6 Weld failure test of I beam under concentrated load

表3給出了試驗(yàn)結(jié)果匯總，以及與不同規(guī)范的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)的比值?？梢钥闯?，目前規(guī)范的焊縫設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，具有2倍左右的安全系數(shù)，對(duì)于以承受剪應(yīng)力為主的聯(lián)系焊縫，由于剪應(yīng)力沿焊縫長(zhǎng)度是不均勻的，因此，安全余量更大。

表3 試驗(yàn)結(jié)果匯總Tab. 3 Test results summary

5 實(shí)船焊接系數(shù)利用因子計(jì)算

焊接系數(shù)利用因子的定義如下：

當(dāng)焊接系數(shù)利用因子小于1時(shí)，則焊縫滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，且利用因子越小，安全余量越大。

計(jì)算過(guò)程如下：

1)根據(jù)船體與移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)焊縫的分類(lèi)，提取結(jié)構(gòu)有限元模型中各部位所需的板單元應(yīng)力；

2)對(duì)于受剪焊縫依據(jù)式(7)，對(duì)于受拉(壓)的焊縫依據(jù)式(8)，對(duì)于復(fù)合受力的焊縫按式(7)、式(8)，再按式(6)進(jìn)行合成，將板應(yīng)力換算為焊縫應(yīng)力；

3)由式(9)得到焊縫許用應(yīng)力；

4)由式(11)計(jì)算焊接系數(shù)利用因子。

本文共計(jì)分析統(tǒng)計(jì)了11艘CSR-OT和CSR-BC所有工況下的數(shù)萬(wàn)條焊縫應(yīng)力，對(duì)比相應(yīng)的焊縫許用剪切應(yīng)力，計(jì)算出焊接系數(shù)利用因子，并進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。圖7為艙段有限元模型；圖8為某艘CSR-BC不同工況下，肋板對(duì)內(nèi)底板的焊接利用因子；表4給出了主要構(gòu)件的焊接系數(shù)利用因子統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖7 艙段有限元模型示例Fig. 7 Finite element model of cargo hold of welding factor

圖8 不同工況的焊接利用因子Fig. 8 Utilization coefficients of welding factor under different working conditions

位置CSR-OTCSR-BC均值方差均值方差中桁對(duì)內(nèi)底板0.250.150.390.18中桁對(duì)外底板0.230.140.320.17旁桁材對(duì)內(nèi)底板0.420.200.350.21旁桁材對(duì)外底板0.350.180.350.21肋板對(duì)內(nèi)底板0.350.210.470.19肋板對(duì)外底板0.330.230.400.17縱骨對(duì)內(nèi)底板0.110.060.170.10縱骨對(duì)外底板0.110.070.210.14縱骨對(duì)頂邊艙——0.190.12縱骨對(duì)底邊艙0.060.040.100.07橫梁對(duì)甲板0.050.030.070.06縱骨對(duì)甲板0.140.100.270.21舷側(cè)平臺(tái)對(duì)舷側(cè)內(nèi)板0.130.10——舷側(cè)平臺(tái)對(duì)舷側(cè)外板0.140.11——垂向肋板對(duì)舷側(cè)內(nèi)板0.280.22——垂向肋板對(duì)舷側(cè)外板0.260.200.170.09肋板對(duì)縱桁0.200.200.440.15橫艙壁對(duì)內(nèi)底板0.380.19——

結(jié)果表明，現(xiàn)行的CSR船舶規(guī)范焊接系數(shù)均能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

從理論、試驗(yàn)、計(jì)算三個(gè)方面對(duì)船體與海上移動(dòng)平臺(tái)規(guī)范中焊接系數(shù)利用因子進(jìn)行了研究。所得結(jié)論如下：

1) 建立了一套基于有限元模型的焊接系數(shù)利用因子計(jì)算方法。主要包括：①船體與移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)焊縫計(jì)算模型；②船體與移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)焊縫應(yīng)力的有限元計(jì)算方法；③船體與移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)焊縫應(yīng)力的有限元強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。

2) 完成了4個(gè)焊接板梁焊縫的應(yīng)力測(cè)試，證明所提應(yīng)力計(jì)算方法的正確性。完成了4個(gè)短柱的焊縫剪切和1根工字梁聯(lián)系焊縫的破壞實(shí)驗(yàn)，獲得了實(shí)際焊縫的極限強(qiáng)度。與規(guī)范的理論值相比，表明現(xiàn)行鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范的理論值較為保守，安全系數(shù)在2.0倍以上；梁的聯(lián)系焊縫破壞試驗(yàn)與理論值之比達(dá)4.2～5.5，通常角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值用于聯(lián)系角焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)是足夠安全的。

3) 利用11艘CSR散貨船和油船的有限元應(yīng)力計(jì)算模型，獲得了各種構(gòu)件、各個(gè)工況的焊縫應(yīng)力，進(jìn)行了CSR規(guī)范焊接系數(shù)的驗(yàn)證。結(jié)果表明，現(xiàn)行船舶規(guī)范焊接系數(shù)均能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，有些構(gòu)件的焊接系數(shù)利用因子較低，尚有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

致謝：最后特別感謝浙江工業(yè)大學(xué)的吳華鋒、余東方、牛師彬、周攀、梁晨誠(chéng)，中國(guó)船舶與海洋設(shè)計(jì)研究院吳嘉蒙 、劉寅華為本項(xiàng)目作出的貢獻(xiàn)。

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On safety verification of fillet weld factors in hull and offshore floating platform rules

WU Jianguo1,2, SHENG Chuanzhao3, ZHU Rongcheng3, MA Jian1

(1. College of Architectural & Civil Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310032,China；2. Zhejiang Research Laboratory of Btuilding and Civil Engineering Structures & Diseaster Drevention and Mitigation Engineering, Hangzhou 310014, China;3. Shanghai Rules & Technology Center, CCS, Shanghai 200135,China )

1005-9865(2016)04-0093-07

P751

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2016.04.013

2015-07-01

吳劍國(guó)(1963-)，男，教授，主要從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì)研究。E-mail：wujg63@163.com