鑄造缺陷對含鑄鋼節(jié)點(diǎn)鋼結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能影響.pdf

1、鑄鋼節(jié)點(diǎn)外形美觀、造型靈活、過渡光滑，各支管角度可按需選取，對各種復(fù)雜形狀適應(yīng)性好，且鑄鋼節(jié)點(diǎn)采用一次性澆注完成，節(jié)點(diǎn)整體性能優(yōu)良，所以特別適用于三維應(yīng)力狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)和支點(diǎn)等聯(lián)接部位，近年來在工程中得到了廣泛的推廣和應(yīng)用。受鑄造工藝水平的限制及環(huán)境因素的影響，鑄鋼節(jié)點(diǎn)經(jīng)常會存在諸如裂紋、粘砂、縮松、氣孔等內(nèi)部或外部缺陷，缺陷的存在會在一定程度上對鑄鋼節(jié)點(diǎn)乃至整體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能造成影響。當(dāng)前對于鑄鋼節(jié)點(diǎn)的研究，考慮鑄造缺陷的還很少。此外，當(dāng)

2、前對鑄鋼件進(jìn)行質(zhì)量評定時，關(guān)注的是鑄鋼件上缺陷最為嚴(yán)重的局部區(qū)域，而對于鑄鋼件上分布的其他缺陷缺乏必要的關(guān)注。此種“以局部考量整體”的評定方法是不全面的，可能會給鑄鋼節(jié)點(diǎn)乃至整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的計算和判斷帶來偏差。本文以一含鑄鋼節(jié)點(diǎn)的橋梁桁架結(jié)構(gòu)為工程背景，采用數(shù)值模擬的方法，探討了鑄造缺陷的存在對于鑄鋼節(jié)點(diǎn)及整體桁架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，并對現(xiàn)行鑄鋼件質(zhì)量評級方法的局限性進(jìn)行了研究，提出了相關(guān)建議。
　　本文主要研究內(nèi)容如下:

3、>　　(1)介紹了鑄鋼節(jié)點(diǎn)的生產(chǎn)過程及生產(chǎn)工藝，對鑄鋼件的缺陷進(jìn)行分類并闡述缺陷形成原因。
　　(2)采用Solidworks軟件建立了包含鑄鋼節(jié)點(diǎn)及鑄造缺陷的鋼桁架三維實(shí)體模型，解決了復(fù)雜形狀的相貫三維實(shí)體，及其內(nèi)部三維缺陷的建模難題。
　　(3)通過在鑄鋼節(jié)點(diǎn)不同位置建立單個實(shí)體缺陷，計算研究了單個鑄造缺陷位置變化對于鑄鋼節(jié)點(diǎn)及鋼桁架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)性能的影響;通過在鑄鋼節(jié)點(diǎn)上建立分布缺陷，計算研究了多個鑄造缺陷同時存在時，其

4、尺寸大小、位置及分布情況對鑄鋼節(jié)點(diǎn)及桁架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)性能的影響。
　　(4)研究了等幅疲勞荷載作用下鑄鋼節(jié)點(diǎn)缺陷位置處的局部應(yīng)力幅，分析得到單個鑄造缺陷由于位置的差異對鑄鋼節(jié)點(diǎn)局部疲勞性能的影響;還探究了單個鑄造缺陷尺寸大小對鑄鋼節(jié)點(diǎn)局部疲勞性能的影響;多個鑄造缺陷尺寸大小及分布情況對鑄鋼節(jié)點(diǎn)局部疲勞性能的影響。
　　(5)采用等效彈性模量來表征含有分布缺陷的鑄鋼節(jié)點(diǎn)，將結(jié)構(gòu)中普通鋼材和鑄鋼材料的彈性模量設(shè)為隨機(jī)變量，以結(jié)構(gòu)最

5、大等效應(yīng)力及結(jié)構(gòu)最大位移為輸出變量來表征結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度，通過蒙特卡羅模擬，探究了普通鋼材和鑄鋼材料彈性模量隨機(jī)性對于桁架結(jié)構(gòu)整體隨機(jī)響應(yīng)的重要度。此外，在普通鋼材的彈性模量為確定性的情況下，探究了鑄鋼材料隨機(jī)性變化（彈性模量均值k和變異系數(shù)v的改變）對桁架結(jié)構(gòu)整體隨機(jī)響應(yīng)的影響。最后，從整體模型中取鑄鋼節(jié)點(diǎn)為研究對象，探究了鑄鋼材料隨機(jī)性變化對節(jié)點(diǎn)鑄造缺陷局部應(yīng)力隨機(jī)響應(yīng)的影響。
　　研究表明:(1)彈性范圍內(nèi)，鑄造缺陷的存在，

6、對于鑄鋼節(jié)點(diǎn)及桁架整體結(jié)構(gòu)靜力學(xué)性能有一定影響，影響程度取決于缺陷的尺寸大小、位置、分布情況以及結(jié)構(gòu)加載方式。總體看來，鑄造缺陷尺寸大小、位置及分布不同，對于鑄鋼節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布（尤其缺陷局部范圍內(nèi)的應(yīng)力分布）影響較大，而對整體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布影響相對較小。(2)少量鑄造缺陷的尺寸、位置及分布情況對于鑄鋼節(jié)點(diǎn)及桁架結(jié)構(gòu)剛度性能基本沒有影響。(3)鑄造缺陷的尺寸大小、位置以及分布情況，對于鑄鋼節(jié)點(diǎn)局部疲勞性能均有較大的影響。(4)桁架結(jié)構(gòu)最大等效

7、應(yīng)力，結(jié)構(gòu)最大位移對鑄鋼材料彈性模量E隨機(jī)性的敏感度要大于對鋼管及工字梁等普通鋼材部分彈性模量E隨機(jī)性的敏感度，鑄鋼材料彈性模量隨機(jī)性（缺陷隨機(jī)性）對于桁架結(jié)構(gòu)整體性能的影響應(yīng)引起重視。(5)鑄造缺陷隨機(jī)性對于鑄鋼節(jié)點(diǎn)局部以及整體桁架結(jié)構(gòu)的靜力可靠度均有顯著的影響。
　　在對鑄鋼件進(jìn)行質(zhì)量和安全性判定時，現(xiàn)行評定方法僅以最嚴(yán)重鑄造缺陷的尺寸大小作為判定依據(jù)，是不全面的，應(yīng)同時考慮缺陷位置處的應(yīng)力狀態(tài)。建議對鑄鋼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行安全評定時，