鑄鋼節(jié)點(diǎn)的抗疲勞優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)跨度大、造型復(fù)雜、形式多樣，對(duì)連接節(jié)點(diǎn)要求更加嚴(yán)格。相比于傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)連接方式，鑄鋼節(jié)點(diǎn)憑借著良好的力學(xué)性能、造型靈活、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，逐漸廣泛的應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的建筑工程中。近年來(lái)，工程設(shè)計(jì)人員以及相關(guān)學(xué)者認(rèn)識(shí)到鑄鋼節(jié)點(diǎn)的最大優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)結(jié)構(gòu)抗疲勞性能的改善，并越來(lái)越多的應(yīng)用于疲勞問(wèn)題突出的結(jié)構(gòu)。已有研究表明:鑄鋼節(jié)點(diǎn)的疲勞性能分為鑄鋼材料的疲勞性能和環(huán)形對(duì)接焊縫的疲勞性能兩部分，鑄鋼材料的疲勞性能優(yōu)于焊縫的疲勞性能，環(huán)形對(duì)接焊縫

2、的疲勞性能在節(jié)點(diǎn)整體疲勞性能中起控制作用。
　　相比于傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)連接方式，鑄鋼節(jié)點(diǎn)雖有眾多優(yōu)點(diǎn)，但鑄鋼材料不可避免的會(huì)產(chǎn)生缺陷，由于對(duì)其帶缺陷疲勞性能研究不足，和相關(guān)環(huán)形對(duì)接焊縫的疲勞性能數(shù)據(jù)缺乏，工程設(shè)計(jì)中多采用放大安全系數(shù)的設(shè)計(jì)方法。因而，現(xiàn)有鑄鋼節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法比較保守，其疲勞性能，尤其是鑄鋼材料部分的疲勞性能存在著較大的冗余，造成節(jié)點(diǎn)自重大，浪費(fèi)材料，增加建造成本。
　　針對(duì)以上問(wèn)題，本文對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫的疲勞性

3、能進(jìn)行試驗(yàn)研究;通過(guò)有限元方法對(duì)帶缺陷鑄鋼材料的疲勞性能進(jìn)行分析;依據(jù)鑄鋼節(jié)點(diǎn)疲勞性能研究成果，結(jié)合工程優(yōu)化技術(shù)，對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗疲勞優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先對(duì)節(jié)點(diǎn)鑄鋼部分幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化，得到節(jié)點(diǎn)輕量化最優(yōu)尺寸，而后驗(yàn)算焊縫強(qiáng)度，修正局部尺寸，完成優(yōu)化目標(biāo)。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.調(diào)研了國(guó)內(nèi)鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫使用現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)了兩種常用焊接細(xì)節(jié)的鑄鋼節(jié)點(diǎn)弧形板小試件，進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)試件進(jìn)行斷面分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采

4、用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，擬合了兩種焊縫細(xì)節(jié)的均值S-N曲線與p-S-N曲線，并與相似的焊接細(xì)節(jié)疲勞數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析。將本項(xiàng)目四種焊縫細(xì)節(jié)視為一類焊縫的大樣本，并采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法擬合其p-S-N曲線，選取擬合下限S-N曲線作為鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫統(tǒng)一S-N曲線，并推薦工程設(shè)計(jì)參考。
　　2.建立了鑄造初始缺陷的疲勞損傷累積計(jì)算方法。介紹了參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，詳述了鑄鋼節(jié)點(diǎn)參數(shù)化模型的建立過(guò)程，本文使用三維建模軟件Pro/Engineering

5、對(duì)杭州灣跨海大橋海中平臺(tái)觀光塔下節(jié)點(diǎn)建立了參數(shù)化模型;然后，依據(jù)疲勞損傷理論，使用ANSYS軟件，詳述了帶缺陷的鑄鋼節(jié)點(diǎn)疲勞損傷累積計(jì)算方法。
　　3.依據(jù)本文環(huán)形對(duì)接焊縫的疲勞試驗(yàn)研究成果，并結(jié)合東南大學(xué)陳達(dá)對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫的熱點(diǎn)應(yīng)力數(shù)值研究成果，給出了國(guó)內(nèi)常用焊縫細(xì)節(jié)的熱點(diǎn)應(yīng)力壽命曲線（Shs-N曲線），為鑄鋼節(jié)點(diǎn)抗疲勞優(yōu)化設(shè)計(jì)中焊縫壽命計(jì)算提供依據(jù)。
　　4.針對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)的疲勞性能特點(diǎn)，基于已有的關(guān)于鑄鋼節(jié)點(diǎn)疲勞

6、性能研究成果，本文提出基于疲勞性能的鑄鋼節(jié)點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法:1）建立節(jié)點(diǎn)參數(shù)化模型;2）通過(guò)靈敏度分析優(yōu)化篩選設(shè)計(jì)變量;3）以節(jié)點(diǎn)質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，以節(jié)點(diǎn)鑄鋼材料缺陷位置處疲勞損傷限值為約束條件，采用最優(yōu)拉丁超立方全局抽樣與梯度算法局部尋優(yōu)的組合優(yōu)化策略，對(duì)節(jié)點(diǎn)鑄鋼部分幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化;4）采用熱點(diǎn)應(yīng)力法驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫的疲勞壽命，對(duì)不滿足疲勞壽命要求的焊縫局部參數(shù)進(jìn)行修正，最終完成優(yōu)化目標(biāo)。本文以杭州灣跨海大橋海洋平臺(tái)觀光塔下節(jié)點(diǎn)