第八章 圆管构件强度与稳定

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：受有轴向力作用而无弯矩 的杆件。
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 强度条件是截面上的平均应力不得超过容 许应力，其强度计算公式为：
2. 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 范规定将基本容许弯曲应力提高10%，因此圆管杆件受弯 时的强度计算公式：
1. 轴压作用下圆管构件的局部屈曲
我国平台规范规定，采用下式计算弹性局 部屈曲临界应力：
xe

0.6E
t D
采用下式计算非弹性局部屈曲临界应力：
2. 圆管构件在轴向压力作用下的整体屈曲
3. 构件有效长度和容许长细比
4. 局部屈曲和整体屈曲的相互影响
二、圆管构件在弯矩作用下的局部屈曲
一、轴向压力作用下圆管构件的屈曲
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D/t和长 径比L/D。整体屈曲由长径比控制，局部屈曲由径 厚比控制。L/D很大而D/t很小，则只有整体屈曲， 没有局部屈曲。D/t较大，则既有整体屈曲，又有 局部屈曲。
我国平台规范规定：当D/t<60时不要求计算局部 稳定性，当D/t>60时要计算局部稳定性。
平台规范规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。
s
n
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8-2
极端环境条件下安全系数可降低25%，也就是容许应力可 提高1/3。
焊缝的容许应力：工作环境下，对接焊缝的容许应力取母
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2倍，抗剪强度条件为：
当圆管杆件承受作用在两个主轴平面的弯矩时，弯矩可矢 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：
3. 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件 或同时受轴向力和横向力的杆件。
轴向受力杆件的刚度用长细比控制。
第二节 圆管构件的强度计算
圆管构件按其受力性质可分为： 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
一、强度破坏准则
1. 钢材单向受拉的主要性能 2. 钢材的破坏形式：
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
强度条件是截面边缘处的最大应力不得超过容 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管 杆件，其强度计算公式为：
4. 静水压力下轴向受力杆件的强度计算
静水压力下，圆管管壁在环向受到的压应力为：
环向受压的容许应力为：
故圆管管壁环向受压强度安全条件为：
5. 圆管杆件的抗扭强度计算 圆管抗扭能力最好。
=N0.9
A
Mx2My2 W
[a]
3. 钢管桩的稳定计算
四、圆管构件在水压和轴力作用下的破坏
1. 圆管构件在静水压力作用下的环向屈曲
弹性环向屈曲应力为： 非弹性阶段采用塑性折减来考虑非弹性的影响，因此环向
屈曲临界应力公式为：
2. 轴向拉力和外水压力相互作用
3. 轴向压力和外水压力相互作用
三、轴向压力和弯矩的联合作用
弯矩和轴向压力共同作用下的圆管构件， 既有强度问题，又有稳定问题，所以应该 进行强度和稳定性两项校核。
1. 强度验算
受拉或受压并在两个平面内受弯的圆管构 件按下式进行强度校核：
=N0.9 Mx2My2 []
A
W
2. 压弯圆管构件的稳定计算 我国平台规范压弯圆管构件的稳定验算公式为：
第八章 圆管构件的强度与稳定 计算
第一节 概述
圆管构件是一种非常有效的构件型式，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。
一、 圆管构件特性
1. 优点
2. 缺点
有焊缝的钢管。
根据焊接方法可分为：电弧焊管、电阻焊管、摩擦焊管、气焊 管、炉焊管等。
按焊缝形状分为直缝焊管和螺旋焊管 直缝焊管：生产工艺简单、效率高、成本低，适合小直径钢管
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。
三、圆管 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。
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8-1确定。
2. 钢管类型
按有无焊缝分类：焊接钢管（有缝管）和无缝钢管 按断面形状分类：圆管、异形管 圆管和圆形实心柱 1）无缝钢管 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 应力—应变曲线的区别 2）焊接钢管 用钢带货钢板弯曲变形为圆形、方形等形状后再焊接成的表面
在扭矩作用下，圆管受到纯扭矩产生的剪 应力为：
第三节 圆管构件的稳定性计算
稳定性包括：整体稳定性和局部稳定性 影响圆管构件稳定性的因素很多，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。 无加强圆管构件的稳定性计算，主要是正确选择
壳体长度L、直径D和壁厚t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。 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。
二、钢管材料和类型
1. 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， 高强度钢虽然重量轻，但是韧性较差，需采用特殊焊接 工艺。近海工程选用的钢材屈服强度小于420MPa。
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。
体金属的容许应力，即抗拉和抗压为 ，抗剪为 ，
贴角焊缝不论抗拉、抗压或抗剪均为0 .6 s 。
0.4 s
0.4 s
2. 计算原则 1）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。
2）稳定条件 整体稳定性： 局部稳定性：大直径薄壁钢管当D/t>60时，需考虑局部稳定 3）变形和刚度条件 受弯构件的刚度用挠度衡量，结构振动用自振周期衡量，