采用FRP复合材料加固的多平面管状DK接头在海上风力涡轮机基础中的静载荷承载能力

《Applied Nursing Research》：Static load-bearing capacity of multi-planar tubular DK-joints reinforced with FRP composites in offshore wind turbine foundations

该研究通过非线性有限元模型分析了FRP加固管状DK节点的极限强度，探讨了几何参数（β、γ、τ、θ）和FRP层数（N）对刚度和强度的影响，建立了预测极限强度的参数方程，验证了模型准确性，并揭示了FRP加固对降低塑性应变和位移的有效性。

　　
本研究聚焦于双平面管节连接（DK-joints）的FRP加固设计，旨在建立预测其极限强度的参数方程。作为海洋风力涡轮机 jacket 基础的核心承重构件，此类连接的失效可能导致重大结构损伤。研究通过345个非线性有限元模型，系统分析了几何参数（β、γ、τ、θ）与FRP加固参数（层数N、层厚t、长度δ）对静力学性能的影响，并最终开发出可靠的设计方程。

### 1. 研究背景与意义
海上风电场的 jacket 基础中，双平面管节连接承受轴向载荷与循环应力，其设计需兼顾刚度与极限强度。传统金属加固方法（如加厚板、套筒）存在施工困难、重量大等问题，而FRP材料凭借轻质、耐腐蚀等特性成为理想替代方案。然而，现有研究多集中于单平面或简单管节连接，缺乏针对双平面DK-joints的系统性研究。本工作的创新点在于：
- 建立首个涵盖双平面DK-joints的FRP加固参数方程
- 揭示几何参数与FRP配置的复杂交互作用
- 提出基于有限元的优化设计流程

### 2. 关键技术路线
#### 2.1 数值模型构建
采用ABAQUS软件进行三维非线性分析，建立包含以下要素的有限元模型：
- **材料模型**：钢采用von Mises屈服准则与各向同性硬化，FRP作为正交各向异性材料，使用哈辛失效准则（Hashin, 1981）模拟脆性破坏
- **边界条件**： chord端部完全固定， brace端部施加轴向力，考虑对称性仅建模1/4连接体
- **网格划分**：钢主体采用C3D8R六面体单元（尺寸20mm），FRP层使用S4R壳单元实现连续铺层
- **接触处理**：通过共享节点实现钢与FRP的完全粘结，避免界面滑移

#### 2.2 验证体系
通过Lesani等（2015）的Y-joints实验数据验证模型准确性：
- **Y4（FRP加固）**：FE模型预测475kN，实测499kN，误差4.9%
- **Y4R（未加固）**：FE模型预测314kN，实测321kN，误差2.2%
- 验证涵盖不同几何参数（β=0.3-0.5，γ=12-24）和FRP配置（N=4-12）

### 3. 参数影响分析
#### 3.1 β（brace/diameter比）的影响
- **刚度提升**：β从0.3增至0.5，刚度提升幅度达35%（τ=0.7时）
- **极限强度增益**：β=0.5时，12层FRP可使极限强度达1.5倍未加固状态
- **交互效应**：β与γ存在负相关（β↑→γ↓导致刚度↓），但通过调整N可部分抵消

#### 3.2 γ（chord壁厚比）的影响
- **刚度衰减**：γ从12增至24，刚度下降约40%
- **强度非线性**：γ每增加1，极限强度衰减约1.8%（β=0.4时）
- **FRP补偿效应**：当τ≥0.7时，增加N可使强度损失降低30%

#### 3.3 τ（FRP层厚比）的影响
- **最佳厚度比例**：τ=0.7时，刚度提升最显著（达22.5%）
- **强度增长曲线**：τ从0.4增至1.0，极限强度增幅从3%升至38%
- **失效模式转变**：τ>0.7时，FRP层从纯压缩向纤维断裂转变

#### 3.4 θ（brace倾角）的影响
- **临界角效应**：θ>45°时，极限强度下降速率达25%/°
- **优化角度**：45°时刚度-强度平衡最佳，比30°和60°配置分别提升18%和22%
- **三维布局**：倾角对FRP层优化方向影响显著，需采用多角度铺层组合

#### 3.5 N（FRP层数）的影响
- **非线性增强**：N=4时提升约6%，每增加4层，强度增幅从12%升至32%
- **极限增强比**：N=12时，极限强度达1.5倍未加固状态（β=0.5，γ=18）
- **经济性平衡**：当τ>0.8时，增加层数收益递减（边际效应降低40%）

### 4. 参数方程开发
通过非线性回归分析（SPSS 26.0），建立以下预测方程：
```
F_u = 1.483 * f_y * A * β^{-0.116} * γ^{-0.348} * τ^{-0.375} * θ^{-0.632} * τ_{FRP}^{0.082}
```
其中：
- F_u：极限强度（MPa）
- f_y：钢材屈服强度（实测385MPa）
- A：brace截面积（mm2）
- θ需转换为弧度

#### 4.1 方程可靠性
- **R2值**：0.906（置信区间0.89-0.92）
- **预测误差**：
- 73%案例误差<5%
- 85%案例误差<10%
- 98%案例误差<15%
- **UK DoE标准验证**：
- 高估率（P/R>1.5）仅8.3%
- 低估率（P/R<0.8）11.1%
- 达到保守设计要求（高估率<50%）

#### 4.2 参数敏感度排序
| 参数 | 影响度 |
|------|--------|
| θ | 62% |
| γ | 58% |
| τ | 45% |
| β | 35% |
| N | 28% |

### 5. 工程应用启示
#### 5.1 设计优化策略
- **几何参数优先**：优化β（0.4-0.5）和γ（18-20）比增加FRP层数更经济
- **FRP配置原则**：
- τ建议取0.6-0.8（兼顾刚度与成本）
- θ控制在40-50°（平衡强度与施工可行性）
- 层数N按强度需求阶梯式配置（4层基础，8层增强，12层极限）
- **层间取向**：0°/90°交叉铺层（每层厚度5mm）可使强度利用率提升15%

#### 5.2 施工控制要点
- **表面处理**：需达到Sa2.5粗糙度，表面能提升30%以上
- **铺层顺序**：
1. 第一层：45°/135°双向铺层（厚度3mm）
2. 中间层：0°/90°交叉铺层（厚度5mm）
3. 增强层：60°/150°梯度铺层（厚度7mm）
- **固化控制**：树脂体系需保持玻璃化转变温度（Tg）低于环境温度20℃

#### 5.3 经济性分析
- **材料成本**：每增加一层FRP（0.5mm厚），成本约$120/m2
- **强度增益比**：
- N=4时：$120 → +6%强度
- N=8时：$240 → +19%强度
- N=12时：$360 → +32%强度
- **最佳性价比**：N=8（强度增益19%，成本占比35%）

### 6. 研究局限性
- **材料模型简化**：未考虑树脂固化收缩率（约2-3%）
- **疲劳性能待验证**：方程仅针对静力极限强度，需补充循环加载试验
- **极端参数区**：当γ>24或θ>60°时，方程预测精度下降约15%

### 7. 未来研究方向
- **智能材料集成**：嵌入光纤传感器实现健康监测
- **多尺度失效分析**：结合微观纤维断裂与宏观结构响应
- **环境耦合效应**：氯离子侵蚀与温湿度共同作用下的耐久性研究

该研究为海上结构物FRP加固提供了量化设计工具，其方程已被纳入《国际海上工程结构设计指南（2025版）》，特别适用于 jacket 基础的DK-joints设计，可降低40%以上的数值模拟工作量，缩短设计周期约60%。