桿系鋼結構節(jié)點疲勞問題研究.pdf

1、桿系鋼結構是一種應用廣泛的工程結構形式，大型桿系鋼結構節(jié)點處交匯的桿件眾多，節(jié)點局部構造細節(jié)復雜，且處于復雜的空間受力狀態(tài)。大型桿系鋼結構在服役期內長期承受著循環(huán)動力載荷(風力作用，移動荷載，地震作用)作用，大量研究和工程實例表明，循環(huán)應力容易導致桿系鋼結構焊接節(jié)點的焊接區(qū)域出現(xiàn)疲勞裂紋，并會不斷擴展，直至引起節(jié)點的脆性斷裂，這些都將會導致大型桿系鋼結構的安全性能下降甚至引起結構的倒塌破壞。為此，對桿系鋼結構焊接節(jié)點進行疲勞損傷分析，研

2、究疲勞裂紋的萌生和擴展并預測疲勞壽命，對于保證桿系鋼結構的安全是十分必要的。
　　 大型桿系鋼結構焊接節(jié)點的焊接過程復雜，焊接殘余應力對結構的疲勞性能有著重要影響。然而目前無法對實際工程中的焊件測定其焊接殘余應力，因此采用有限元數(shù)值模擬分析焊接節(jié)點的焊接殘余應力場分布情況是進行疲勞分析的基礎。本文采用ANSYS有限元分析軟件，基于熱彈塑性力學理論，開發(fā)了一套完整的焊接有限元程序，并對大型焊接鋼橋整體焊接節(jié)點和輸電線塔節(jié)點板兩種焊

3、接節(jié)點的焊接過程成功實現(xiàn)了三維動態(tài)模擬，分析了各個時刻的溫度場和最終的焊接殘余應力場，焊接殘余應力最大值接近甚至超過材料的屈服強度，計算結果與實驗結果相符合。
　　 本文首次將焊接節(jié)點的焊接殘余應力考慮在內，提出了一套完整的桿系鋼結構焊接節(jié)點的動應力場多尺度有限元分析方法。該方法首先采用數(shù)值模擬或者實測的方法獲取結構整體尺度的動應力響應，然后對需要進行疲勞分析的焊接節(jié)點進行邊界切割，獲取其在整體尺度上的力和位移邊界條件；接著建立

4、焊接節(jié)點的精細實體有限元模型，將焊接殘余應力當作初始應力，施加上步得到的力學和位移邊界條件進行小尺度的動應力分析，得到焊接節(jié)點局部細節(jié)處的應力應變狀態(tài)，最后由Von-mise等效應力準則確定應力最大的節(jié)點為疲勞危險點。文中對大型焊接鋼橋的整體焊接節(jié)點和輸電線塔節(jié)點板分別進行了動應力多尺度分析，結果表明焊接節(jié)點的疲勞危險點出現(xiàn)在焊縫的焊趾處。
　　 本文系統(tǒng)的建立了桿系鋼結構焊接節(jié)點基于應變的疲勞裂紋萌生壽命計算方法。由動應力分析

5、的結果可知，在焊接殘余應力和外荷載迭加的情況下，焊接節(jié)點的疲勞危險點的應力將超過材料的屈服強度，應此將會發(fā)生塑性變形，所以采用基于應變的疲勞損傷理論更加符合實際情況。文中采用多軸疲勞的臨界面方法，計算了大型焊接鋼橋的整體焊接節(jié)點和輸電線塔節(jié)點板的裂紋萌生壽命。首先分析疲勞危險點的應變時程確定臨界面的位置，然后采用循環(huán)計數(shù)方法提取臨界面上的正、剪應變循環(huán)，并將其合成統(tǒng)一的多軸疲勞損傷參量，最后根據疲勞壽命計算公式和Miner準則估算裂紋萌

6、生壽命。
　　 本文采用斷裂力學的方法研究含初始裂紋的桿系鋼結構焊接節(jié)點的裂紋擴展問題。文中首先提出了一種可以創(chuàng)建含三維裂紋的有限元實體建模方法，該方法采用局部到整體的思想，采用特殊的網格劃分技術，能夠建立各種含裂紋的復雜結構，方便的實現(xiàn)應力強度因子的求解。針對裂紋擴展中應力強度因子實時計算的困難，文中采用數(shù)值插值的方法近似代替全三維的有限元分析，從而簡化了應力強度因子求解過程。文中針對桿系鋼結構承受多軸非比例加載的情況，創(chuàng)新的

7、提出了對焊接節(jié)點的荷載邊界條件采用分組的方法計算應力強度因子幅，形成應力強度因子幅數(shù)據庫，從而便于程序化求解。在上述方法的基礎之上，文中采用Paris裂紋擴展速率公式預測了大型焊接鋼橋的整體焊接節(jié)點和輸電線塔節(jié)點板的裂紋擴展壽命，計算結果和裂紋擴展理論相符合。
　　 最后，基于本文的一系列方法，完成了桿系鋼結構焊接節(jié)點疲勞自感應自診斷系統(tǒng)的集成，詳細闡述了該系統(tǒng)的工作原理和四個子模塊的功能，并在一個工程實例上成功的應用了該系統(tǒng)。