基于斷裂力學的圓鋼管混凝土T型焊接節(jié)點疲勞性能數(shù)值模擬.pdf

1、圓管結(jié)構以其卓越的力學性能和極具魅力的建筑外形，已在國內(nèi)外的建筑、海洋平臺、高聳結(jié)構中得到廣泛應用。相對于圓管結(jié)構，主管內(nèi)填入混凝土后的鋼管混凝土結(jié)構，既繼承了圓管結(jié)構的優(yōu)點，又具有自己的風格，可顯著提高圓管混凝土結(jié)構的極限承載力，近年來已越來越多地運用到我國大跨度拱橋和桁式結(jié)構中。然而，日常車輛荷載作用下鋼管混凝土橋梁中的焊接節(jié)點疲勞性能目前還是一個重要且有待解決的問題。本文研究內(nèi)容是國家自然科學基金課題中的一部分，主要是基于斷裂力學

2、法進行圓鋼管混凝土T型焊接節(jié)點疲勞裂紋擴展和疲勞壽命數(shù)值模擬。 ⑴介紹了疲勞研究中具有普遍意義的知識點，由此引出圓管節(jié)點疲勞研究的兩種方法——S—N曲線法和斷裂力學法。在斷裂力學法中，應力強度因子K具有重要意義，本文對圓管節(jié)點應力強度因子K的試驗法和計算法進行了總結(jié)，同時對鋼管混凝土焊接節(jié)點研究現(xiàn)狀進行了評價，從而為本文的研究打下了堅實的基礎。 ⑵介紹了圓鋼管混凝土T型焊接節(jié)點靜力試驗、疲勞試驗、焊縫部位缺陷檢測報告和混

3、凝土破壞特點，對比了最大熱點應力幅位置、初始可見裂紋位置、焊縫部位缺陷檢測結(jié)果，考察了疲勞裂紋擴展特點，這些均有助于后續(xù)斷裂力學分析模型、數(shù)值模擬終止條件的提出，同時疲勞試驗結(jié)果也是校驗斷裂力學法的可靠依據(jù)。 ⑶推導了參數(shù)變換法公式，并用于鋼管混凝土節(jié)點的應力分布分析。通過有限元結(jié)果與試驗結(jié)果比較，從靜力的角度解決了有限元單元選取、材料本構關系、鋼與混凝土間接觸處理、焊縫模擬等問題，驗證了兩維模型轉(zhuǎn)換為三維模型的參數(shù)變換法，獲取

4、了節(jié)點的熱點應力集中系數(shù)SCF、彎曲應力與熱點應力的比值DOB，且對最大熱點應力位于主管冠點的鋼管混凝土節(jié)點的DOB提出了建議值。 ⑷提出了支管受軸向循環(huán)拉力作用的圓鋼管混凝土T型焊接節(jié)點斷裂力學分析模型，該模型就初始裂紋位置、形狀、大小及裂紋擴展提出了假定。在探討應力強度因子求解方法時確定采用位移外推法、確定外推節(jié)點選取原則及由位移轉(zhuǎn)換為應力強度因子時選用的假定。 ⑸綜合了奇異單元位移外推法和非奇異單元位移外推法的優(yōu)點

5、，裂紋尖端采用奇異單元，裂紋尖端周圍加密了網(wǎng)格，并設計了合理的過渡網(wǎng)格。楔形奇異單元由20節(jié)點等參單元SOLID95通過APDL編制宏命令實現(xiàn)。為保證楔形奇異單元退化邊與裂紋尖端重合，本文編制宏命令C4ZL對可能發(fā)生的情況進行了調(diào)整。分析鋼管混凝土節(jié)點前，分別計算了拉力、彎矩作用下帶表面裂紋平板的應力強度因子，并與Newman公式進行了對比。通過計算，對裂紋尖端周圍網(wǎng)格劃分提出了要求。參數(shù)化網(wǎng)格劃分為裂紋擴展模擬打下了基礎。 ⑹

6、節(jié)點疲勞壽命分別采用T型搭接板簡化法和三維有限元數(shù)值法進行求解。T型搭接板簡化法采用Bowness基于Newman公式的系列公式，該法首次被運用到圓鋼管混凝土T型焊接節(jié)點上。針對該套公式本文編制的程序?qū)崿F(xiàn)了節(jié)點疲勞壽命計算，并參數(shù)分析考察了混凝土疲勞變形模量、迭代次數(shù)、初始缺陷大小對節(jié)點疲勞壽命的影響。 ⑺三維有限元法數(shù)值求解時采用ANSYS軟件的APDL編制了51個宏命令，通過參數(shù)變換法實現(xiàn)了帶表面裂紋T型搭接板網(wǎng)格劃分轉(zhuǎn)換為