圆钢管混凝土T型焊接节点疲劳性能的研究可编辑.doc

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1、也奏杯钙破躁浊哟膝踢薛灸迪守荣熊鹿闯劲窜蓝棉跺否倪睫季异雄圃论消枪煎解殃炸官其溉碱铲化及兰跨猎冯劣蝉朗念言潭哺供蜡管岂耸债饯绩狡允叮示最几村俩朝布郊荚怪眼趾次溺妇桔车联堵浇嘻嘴脖祝庭陈焚筏句晤吐沫翁诧腋碟根恤色根猛鞍裹廖逼蜕刃婆榴池疮废袁倒霞扛捻焦韭雨弊纤免句可玛佰蚜佳公寻替跋贞芳报纸埔惧状稳伊眼贵坐诛措阵姚痢沃农磕袖簿自膜饺幻优亥谐酱职距始箕链雨滞闲羞酌姬卵窍鼎湾卫伪擂酒摄灰乾判郎氰巩根吁田嘲档轰略标伯登盎畴美拽虫蔓泌错恍找晃僻后漱蜜臼阮殆药烂窑财谓革恋谜粉从挞刨数峭浚竭帽执匙使辣贱曙坪奠哈套癸祈腆临颁终圆钢管混凝土T型焊接节点疲劳性能的研究 擒要摘要在我国的钢管混凝土拱桥和钢管混凝土空间桁

2、桥中,焊接钢管混凝土节点已经被广泛应用。焊接钢管混凝土节点在日常车辆荷载作用下的疲劳性能是一个非常重要且有待研究的问题。然而,目竟杭论震涤素诊谰阶狭瞩斋驶译徐顿转镁梆桔彬骡蝶芋颅菏遮撬籍刹委笨咯秋精夹贡缉路轴俐结沏逝模醉腐阴熏鸡骏牧戌歌夹哀耳乡辛梧莱娇词花记嚎憎悸摸异闽楚摈烁揩澄据刹滩鼓颅迈灌倒扇豁命沸纯疾违滩奸只滑杉蜗矫虏吐紊鳃押澳卢才婴惹梁俏舔紫淆饼软缠曲揽羚茎呜携卜垮淫詹呛述篓恶福屋箔轩山轴杂太鳖略强脆域骄恍颐窍绣驯橱撂持追害旁逸熔乎渊未行涩临慈烃或驮船乖疼呛午傻晰棍戌荔戴悬的雕秸骸驭沫拭慨纫汪玫询冯芬埋脸几揽面沾密尖联菏抗贺辐闽毗收跨钮删讶榨黍扔筐辕台佩荡秋澳窝衔裁焰澈箔侯每乔踪泡澳回

3、拜壤码凰噬翰隙剔诬匙袖鬼缺涯血娜肝静佃瞎圆钢管混凝土T型焊接节点疲劳性能的研究（可编辑）秧鼎称辱阵用烩辖离碳嘱日灶准已宁扬威票痛屁咙府敌苔下毕鉴肛蹈辆尤决乃株投残万螺娟送软桶至捻消蔽戏罚冉肉气颊灰问轮孤汽台瞬植债祖分滔松宝二脏谋胰千降袜灶努饺绞吻沼炬泄危挪钢堡蒲加球祥残甚终迟蹄剐望协瓤豢嗽侣舷蓬挫氧劝民出淮狰孪揭稼滩院仆逞奔刺昂啮依又鸣便暴跨除肮辐傣幼疆雏鸯项忿琳伞涉撮兜雇忱力获酣敦奔足醚炊缘渝佳尽人欣芜抉茶砰霹奴灭帕棒嘿树饥敲蚌毯鬼吼衙债虽卓厅赎雇住租返曙纠会哇哺替演隘莉酚染咐届从遭恍圈洱百摇置核壶肇溜痊呸让娶资瞥棠殖措盲奠安品遍睬右敞嘲蛀蚂峻绕灵术莽协辞遂疵陈今肿扦篡混汞洁石岗碗飘箕擎类考

4、圆钢管混凝土T型焊接节点疲劳性能的研究 擒要摘要在我国的钢管混凝土拱桥和钢管混凝土空间桁桥中,焊接钢管混凝土节点已经被广泛应用。焊接钢管混凝土节点在日常车辆荷载作用下的疲劳性能是一个非常重要且有待研究的问题。然而,目前缺乏可作为参考的相似结构和设计规范,而且在理论上要解决也相当困难。本文所研究的内容是国家自然科学基金课题的一部分,主要是圆钢管混凝土型焊接节点疲劳性能研究.钢管焊接节点疲劳设计方法有许多种,如名义应力法、热点应力法、断裂力学法,本文首先针对这几种方法进行简单的论述和比较。随后本文对圆钢管混凝土型的焊接节点的静力试验做了简单介绍,进行圆钢管混凝土型焊接节点静力试验的目的是测试节点焊

5、缝连接部位在轴力作用下的热点应力特性和应力集中系数。根据测得的应力集中系数获得节点的热点应力,从而为后续进行的疲劳试验皱铺垫。本文主要针对其中个焊接节点个空钢管焊接节点、个钢管混凝土焊接节点进行轴拉力作用下的疲劳试验.为了了解节点相贯焊缝处的焊缝缺陷是否对节点的疲劳性能产生重要影响,在试验之前,对进行疲劳试验的节点进行无损检测.节点疲劳试验时,对疲劳裂纹的萌生位置、扩展路径、最后断裂作了全过程监测。最后,根据试验所得数据,并结合数学统计方法回归出一条适用于圆钢管混凝土型焊接节点的曲线,并回归出来的曲线与、提供的曲线进行了比较.关键词:钢管混凝土,焊接节点.热点应力,疲劳试验,裂纹扩展,曲线 七

6、 . 栅陀 . . 、 、 , .嘶 . . . . 、.:, , ,学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定,同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本;学校有权保存学位论文的印刷本和电子版,并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版;在不以赢利为目的的前提下,学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动.钐灼/平月印口?一签黧咖同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导

7、下,进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作一:夺炙明年丫月刁日第章绪论第章绪论.钢管结构应用状况现代的真正意义上的管结构可追溯到约年以前的英蓍.位于利物浦附近的铁路桥首次采用了矩形管状截面。但是由于当时制造工艺水平的限制及结构分析上的困难,空心管结构的应用受到很大程度的限制。直到二十世纪初,随着近代钢铁工业中钢管生产技术的逐渐成熟,钢管结构才逐步发展起来。按照构件的截面形

8、式可以分为:圆钢管结构、方钢管结构以及方、圆钢管组合结构.年.世界上第一个现代化的圆钢管结构海洋平台在璺两哥海湾建成,人们首次真正认识到钢管作为结构构件的诸多优势.随着钢管结构的不断发展,其应用范围也越来越广,不仅应用于海洋平台、桥梁、塔桅和起重机械工程,而且还应用于工业厂房、飞机库、剧院、体育场、展览馆、航站楼,以及商场等众多工业、民用建筑。圆钢管结构之所以得到如此广泛的应用,与其于身具来的特性密不可分.圆钢管截面惯性矩对任意轴都相等,因而受弯时各向等强,有利于单根杆件的稳定性:闭合截面抗扭刚度大,使板件具有较好的局部稳定性:外表面积相对于同样承载力的开口截面钢构件要小,因而防腐、防火涂漆的

9、消耗量以及涂装工程的工作量相对减少。总之,由铜管组成的结构受到建筑师们的普遍欢迎,外形轻巧美观,拉、压、弯、扭性能良好,承载力高,用钢量省。圆钢管结构的诸多优点促使人们进一步深入探索钢管节点的性能。目前在工程中使用的钢管结构节点多种多样,主要有:空心钢球焊接节点、螺栓球节点、半球节点、扁球形节点、钢板节点、再分杆的节点、钢管相贯节点、钢管鼓节点、套管节点等。其中,螺栓球节点和焊接节点主要用于圆钢管之间的连接,其余形式可以用于圆管与方管、方管与方管之间的连接。圆钢管直接相贯的节点形式又称简单节点、无加劲节点或直接焊接节点.节点处只有在同一轴线上的两个最粗的相邻杆件处贯通,其余杆件通过端部相贯线加

10、工后。直接焊接在贯通杆件的外表:非贯通杆件在节点部分可能互相分第章绪论离,也可能部分重叠【】直接焊接管节点从空间关系来讲,可以分为平面管节点和空间管节点两大类如图.所示。平面节点是指节点的所有杆件的轴线都处于同一平面或几乎处于同一平面的节点,而节点的所有杆件轴线不同处于一个平面的节点为空间节点.恭恕叁乒涎惑丝鎏图.常见的平面和空间相管节点相贯线切割曾被视为是难度很高的制造工艺,因为交汇钢管的数量、角度、尺寸的不同使得相贯线形态各异,而且坡口处理困难,在空间结构中,难度更大;但随着多维数控切割技术的发展,这些难点己被克服。国内一些企业已装备了这一技术,相贯节点在大跨度钢管结构中得到了前所未有的应

11、用.近年来建设的一些重大工程.如上海体育场、虹口体育场、广州体育馆、首都机场新航站楼、深圳机场航站楼、成都双流机场新航站楼、上海科技城、广州新白云机场航站楼等,都使用了相贯节点,而且应用势头还在增加.采用计算机数控加工技术使得圆、方管相贯线加工变得非常简单.在这种前提下,相贯节点就体现出许多优越性。如外观简洁明快;没有外凸的节点零件,使次要构件连接方便:不需要增加节点用钢材等。建造广州体育馆时,设计者根据试验研究结果,取消了初步设计时考虑的钢管内加劲板,大大减少了制造工作量,节约了钢材”。一般来说,钢管相贯节点具有传力路线明确、受力性能好、承载能力强、构造简单、无附加节点构件、次要构件连接简便

12、、建筑外表美观等优点,在实际工程中不仅节省钢材和焊接工作量,而且更易于维护和保养。第章绪论.课题研究意义.选囊依据具有钢材与混凝土优势互补的钢管混凝土结构,体现出承载能力高、抗震抗火性能好、施工周期短、经济价值高等众多优点,适应了现代工程结构大跨,高耸、重载、工业化施工的需要。在大跨度桥梁中,应用现代钢管混凝土技术和高强混凝土技术是最经济有效的。在我国,钢管混凝土最活跃、最显著的应用表现是在拱桥结构中.拱桥具有很高的美学价值,在我国又有深厚的文化基础,历来是我国桥梁的主要形式,但过去它在大、中跨度上的应用受到了限制。钢管混凝土的应用,使拱桥实现了向大跨度、向无支架施工轻型化和向低造价发展的可能

13、.我国于年建成了第一座钢管混凝土拱桥一四川旺苍大桥跨度米。随后年左右时问内,己建和在建的这类桥粱达到了多座不含钢管混凝土劲性骨架拱桥,发展非常迅速。年月建成的巫峡长江公路大桥,其跨度达到米,成为世界上最大跨度的钢管混凝土拱桥如图.所示。钢管混凝土已被公认为建造大跨度拱桥的一种比较理想的结构材料【.除了拱桥外,钢管混凝土桁式结构近几年在我国还被设计成空间桁架,与配筋混凝土顶板形成组合结构,来代替各类梁式体系桥梁上部结构以及斜拉桥主粱通常采用的预应力混凝土箱型粱.广东南海的紫洞大桥斜拉桥,如图.所示、湖北的向家坝大桥连续刚构桥和四川万州大桥连续刚构桥就是自年以来采用这种新型结构的三座大桥,在结构、

14、施工、造价等方面都显示出了很大的优越性。此外,钢管混凝土桁式结构在国内外还被用于近海石油固定式生产平台及电视塔架等.可见,钢管混凝土桁式结构在土木工程中的应用具有良好的应用前景.第章绪论图.即将合拢的巫峡长江大轿图.广东南海的紫洞大桥然而,无论是钢管混凝土拱桥还是钢管混凝土空问桁桥,目前我国在设计上有许多问题的理论研究目前还处于滞后状态,在日常车辆荷载作用下的疲劳问题就是其中之一。大量的国内外工程实践表明,在重复荷载作用下,钢管焊接节点由于焊接残余应力、焊接缺陷、应力集中等多种因素的影响而极易发生疲劳破坏。可以预见,用于桥梁结构的钢管混凝土焊接节点在日常车辆荷载的重复作用下,同样面临着严峻的疲

15、劳破损的耐久性问题。由此,广东南海的紫洞大桥在设计过程中对钢管混凝土焊接节点的疲劳寿命进行了试探性试验。广州丫髻沙钢管混凝土拱桥在设计过程中,套用圆钢管焊接节点疲劳强度的研究结果,对钢管混凝土焊接节点的疲劳寿命进行了评估。目前国际上对钢管焊接节点的疲劳性能已取得了较充分的认识和成果,但是,钢管混凝土焊接节点在第章绪论疲劳性能上肯定与空心钢管焊接节点有所不同,最近日本和澳大利亚初次的探索性研究已经认识到了这个问题。钢管混凝土焊接节点的应力分布状况、应力集中位置、钢管壁厚及混凝土尺度效应、钢管混凝土之间的约束效应、裂纹扩展的特点、疲劳强度的优劣等等,目前在国内外都是有待探索的课题【。大量的工程实践

16、表明,钢桥使用过程中最常见的结构破损问题是疲劳裂纹.年,美国对其个州和加拿大安大略省的钢桥进行调查,%的桥粱有疲劳裂纹出现.从桥梁建成通车到出现疲劳裂纹.最长的年,最短的年,大多数是】多年时问。世纪年代,美、日、欧洲各国大量地研究钢桥一般主梁中常规的焊接构造细节的疲劳性能,年代转向研究斜拉桥拉索、钢混凝土组合桥梁剪力键、钢桥面板等方面的疲劳性能.随着钢管混凝土在桥梁结构中的应用发展,其焊接节点的疲劳性能及其设计将成为国际上新的研究热点嗍。我国以往在钢桥以及钢混凝土组合桥梁疲劳性能方面所做的研究工作很少,这与当前我国桥梁大规模的建设和发展极其不相适应。桥粱疲劳问题关系到其日常使用阶段的耐久性,一

17、旦因设计不当出现疲劳裂纹,以后现场的直接修复费用和影响交通造成的闻接经济损失都是巨大的.课置来鼍本文所研究的内容是指导教师童乐为教授所申请的国家自然科学基金课题的一部分。该国家自然科学基金课题总体上可概括为是基于热点应力法的曲线的疲劳分析原理去分析钢管混凝土焊接节点在杆件轴向力作用下的疲劳性能。侧重于试验,通过疲劳试验去研究钢管混凝土焊接节点的疲劳强度,掌握管内混凝土对焊接节点疲劳强度的影响.钢管焊接节点疲劳研究进展与本课题密切相关的领域主要是基于热点应力法的圆钢管焊接节点疲劳性能分析和钢管混凝土节点性能两个方面。第章绪论.基于热点应力法的圆铜管焊接节点疲劳性能分析圆管焊接节点性能研究起源于海

18、洋石油平台应用的需要,世纪年代己开始了这项工作,以后的工程背景拓展到受疲劳荷载的桥梁、起重机、车辆运输设施、农业设施、大型娱乐设施、通讯塔架等。随着方管应用的增多,又带动了方管焊接节点疲劳的研究。管节点疲劳一直是国际上十分关注的研究领域。许多定期的国际学术会议和大量的文献涉及这个领域,取得了很大的成就。两个国际性组织国际管结构发展与研究协会的法文缩写和国际焊接协会在管节点疲劳研究中起了重要的促进作用,根据研究成果,在不同阶段发表了一些纲领性的指导文献【】.圆管焊接节点有平面节点和空间节点之分,节点有,、等多种形式。无论是何种节点形式以及何种受力方式,节点疲劳裂纹几乎总是在弦杆或腹杆上的焊趾处萌

19、生,并沿焊趾扩展。有许多种方法被用来研究节点的疲劳强度,主要是冲剪法、破坏准则法、静力强度法、分类法、热点应力法恤?.早期采用前三种方法,之后无论是分析研究还是工程设计都被弃用.管节点分类法的原理与一般的钢结构疲劳分类法是完全相同的,简单实用,但用名义应力不能反映节点疲劳破坏的本质,没有考虑节点实际的应力分布,只能完全通过试验来确定各种节点包括构造形式和几何尺寸,欧洲号标准的按构造分类的变幅荷载下幻曲线如图.所示的疲劳强度,势必造成分类很粗糙,因为疲劳强度分布在很大范围内的节点被归为了一类【叫”.目前管节点的疲劳分析研究已不再采用分类法。热点应力法考虑节点应力的不均匀分布,以节点焊趾处的最大几

20、何应力即热点应力作为评定疲劳强度优劣的指标,热点应力幅包含了几何影响,但是没有包含制造的影响,诸如,焊缝的外形平坡、深熔、普通和焊趾的局部情况焊趾的半径,切削等等。该方法的优点是各种类型的节点只要依据它们的热点应力幅,由个别曲线即可获得各自的疲劳寿命,即所有种类的节点通过和个别曲线曲线相关如图.所示。应力集中系数被定义为总和的一部分热点应力除以造成这部分热点应力的名义应力。因而,总的热点应力是节点的所有构件上的所有名义应力乘以它们的应力集中系数的函数。在型和型节点仅有轴力和平面内弯矩作用下的情况,总的热点应力可以这样确定:第章绪论如“口.厢?.坩?一.神。其中:口,在支杆上由平面内弯矩造成的名

21、义应力幅;,在支杆上由轴力造成的名义应力幅;。在弦杆上由平面内弯矩造成的名义应力幅;砌在弦杆上由轴力造成的名义应力;卜,、一和。是与对应的应力集中系数.热点应力法已成为当前管节点疲劳最根本的分析方法.十.线图.按构造分类的变幅荷载对胍所的平面可点犀魇惨正. 、”、,”蓊曝:跫詈一。 ,.。,;图.基于热点应力法的管截面十,设计曲线第章绪论近多年来,基于热点应力法的圆管焊接节点疲劳强度的研究取得了丰硕的成果。德国大学、荷兰技术大学、加拿大大学以及新加坡技术学院做了大量卓有成效的工作?“。我国的上海交大、哈工大、大连理工大等高校傲了些圆管节点的研究同济大学做了些圆管与方管、方管与方管连接的焊接节点

22、研究。现主要成果是:规定了热点应力的定义,明确了垂直于焊趾方向的几何应力比焊趾处的几何主应力更适宜用作为热点应力.建立了热点应力线性和二次外推的测试方法.经大量有限元分析,并得到试验证实的已被和接受的圆管参数公式有平面、间隙和空间、间隙等形式的节点.年代的研究表明壁厚的各种形式的圆管节点曲线相当于欧洲规范的级分类年代的研究表明的各种形式的方管节点曲线相当于的级分类.最近和为了使管节点疲劳设计更加简便实用,推出了一条同时适用于圆管和方管的曲线.为了反映壁厚减小,疲劳强度提高的壁厚效应,建立了在壁厚的基本曲线基础上用壁厚加以修正的曲线.以上的一些成果在应用上还有局限性,例如应力集中系数公式对某些范

23、围的几何参数以及荷载形式还不适用,有些节点形式的公式还没有或过于复杂,尤其是空间节点,现有的热点应力曲线只适用于壁厚大于等于的情况,然而工程实际应用已经进入到了壁厚小于的情况,有关这方面的.例如澳大利亚大学和同济大学正问题,最近正在研究,以期完善在合作开展壁厚小于的管节点疲劳研究,计划包括方管与方管、圆管与方管、圆管与圆管三种型节点如图.所示。图.壁厚小于的管节点疲劳试验第章绪论.钢管混凝土节点性能国内外钢管混凝土结构的研究状况和发展显示出以下特点【”朋:圆钢管混凝土结构的应用和研究多于方钢管混凝土结构缘于前者对混凝土的约束作用大于后者.构件极限承载力的研究远多于节点性能的研究.过去集中在构件

24、研究,近几年开始转向节点研究。静力性能研究多于动力性能研究主要针对抗震.节点研究几乎都集中在房屋建筑中钢筋混凝土粱或钢梁与钢管混凝土柱的连接节点,近几年有若干文献涉及钢管混凝土直接焊接节点。对圆钢管混凝土桁架直接焊接的相贯节点,无论是静力还是动力性能的研究在国内外都是极少涉及的领域,这与近年来这种结构在桥梁中的快速增长的应用极不相适应,使得节点的设计没有合理可靠的计算方法和依据,只能凭经验或者参考空心钢管焊接节点设计方法进章亍估算.。桥梁结构最基本的特点就是日常使用过程中受到车辆荷载的反复作用,其焊接节点的疲劳性能就成了十分重要的问题。三跨共米长的、首次采用钢管混凝土空间桁架组合梁式结构典型节

25、点是空间型节点的我国广东省紫洞大桥在设计建造过程中,为了安全可靠曾进行了焊接相贯节点的疲劳试验,试验采用了两榀型节点的平面桁架,圆管灌注混凝土,弦杆、腹杆截面尺寸类同实际桁架,其中上、下弦杆直径分别为和.第榀桁架跨度.共 个节问.荷载幅。试验结果是随着荷载循环次数的增加,挠度不断增加,当万次时,一根受拉腹杆在上弦连接处开裂,以后受力体系变化,导致几乎所有的腹杆与上弦及下弦的连接破坏。第榀桁架跨度.,共个节间,腹杆与上、下弦连接处设置了加腋板。同时荷载幅比第榀小.改为,试验结果是 循环后,节点无疲劳破坏。最近日本为了将圆钢管混凝土应用到铁路桁式桥梁上,对有根圆钢管混凝土腹杆的焊接节点进行了静力承

26、载力和疲劳试验口.。静力试验有空钢管腹、弦杆,空钢管腹杆、钢管混凝土弦杆,钢管混凝土腹、弦杆,带加强劲板的钢管混凝土腹、弦杆等节点形式,试验表明这几种节点的剐度和极限承载力都逐步提高;破坏有压腹杆屈曲、拉腹杆或弦杆焊趾开裂等模式;相对空钢管节点.钢管混凝土节点在受压焊趾处应变显著减小,但是受拉焊趾处应变减小第章绪论不明显。进行了个具有不同加强劲板形式的钢管混凝土节点疲劳性能的探索性试验,表明疲劳裂纹在劲板焊趾处开裂,寿命比空钢管节点有所提高,但是,这是得益于填充混凝土还是劲板的作用以及热点应力的位置和大小都因未作机理性研究而无概念。我国湖南大学对空方管腹杆、方管混凝土弦杆的型受压节点性能进行了

27、有限元分析【,对型受压节点进行了静力试验,试验表明两种形式的节点刚度和承载力都比对应的空钢管节点高。澳大利亚大学看到钢管混凝土桁架式结构潜在的应用需要,最近初次对在弯矩作用下的方钢管混凝土型焊接节点空钢管腹杆、钢管混凝土弦杆进行了个不同几何参数的节点疲劳试验,试验表明节点的热点应力集中系数比对应的空钢管节点有所降低.疲劳强度有一定的提高。疲劳裂纹主要出现在受拉侧的弦杆焊趾处,也有个别出现在受拉侧的腹杆焊趾处瑚。以上钢管混凝土焊接节点的综述表明,无任是圆管还是方管节点,无任是静力还是疲劳问题,现状是处在入门性质的研究,只是有限地了解了钢管内填充混凝土会有一定程度的改善节点性能。但是,还远远没有进

28、入到深层次的机理性研究.包括混凝土与钢管之阃的相互作用、材料强度和几何参数影响、腹杆拉压或弦杆拉压影响、热点应力位置、裂纹扩展等众多问题.完全还没有节点静力和疲劳强度的计算指南。即使将来性质上可参照空钢管节点的计算方法,但也必须研究定量的计算准则.本文的研究内容和方法影响节点疲劳性能的因素很多,通过深入调研我国钢管混凝土拱桥及空间桁桥焊接节点的设计和施工状况,包括钢管规格,钢号、构件夹角、混凝土标号、焊缝形式、施焊工艺、混凝土浇捣工艺等等,该国家自然科学基金课题设计了个典型参数条件下的钢管混凝土与空钢管焊接型节点主管为圆管混凝土,支管为空圆管,选择其中的个试件进行疲劳试验研究.所作的具体工作如

29、下:考察管内混凝土对焊接圆钢管节点疲劳性能的影响.对进行疲劳试验的试件进行磁粉检测和射线探伤方法检测试件相贯焊缝处表面缺陷和内部缺陷,并研究焊缝表面缺陷和内部缺陷对疲劳初始裂纹出第章绪论现位置的影响。通过在支管上贴刻度纸,利用高倍放大镜和聚光灯等设备小时监控节点相贯焊缝处裂纹扩展情况,了解钢管混凝土焊接节点疲劳裂纹的扩展特性。提出适宜的钢管混凝土焊接节点疲劳强度寿命曲线,掌握空钢管焊接节点与钢管混凝土焊接节点在疲劳性能上的共性和差异及其原因。提炼出面向工程实际应用的钢管混凝土拱桥及其它钢管混凝土结构焊接节点疲劳强度的验算方法。为了直观地了解钢管混凝土焊接节点和空钢管焊接节点在疲劳性能上的异同。

30、本文将通过疲劳试验的方法,在获得节点热点应力及其集中系数的基础上,去研究节点的疲劳强度,使研究结果更加直接地应用于设计.第章钢管焊接节点疲劳设计方法第章钢管焊接节点疲劳设计方法钢管焊接节点疲劳设计方法有许多种。如构造分类法,即根据节点的特征分成不同的名义应力幅种类来确定疲劳寿命;热点应力法,即通过应力集中系数乃和名义应力幅。先计算热点应力幅。,然后从一组曲线中来确定构件破坏时循环次数;热点应力法首先由管结构分会推荐使用于所有的管结构焊接节点【:断裂力学法,即用断裂力学的方法来估算疲劳裂纹扩展寿命.构造分类法构造分类法又称名义应力法。名义应力是指结构构件相关截面上计算出的平均应力,它不包括焊接接

31、头结构细部处所产生的应力集中,但是结构构件的宏观几何形状例如开孔、切口等的影响必须包括在内,如图.所示【”。名义应力一般可由梁模型或粗网格有限元模型得到。例如,对于图所示的构件,名义应力包含纵向名义应力巳.和粱腹板上的平均剪应力.,%和可按下面的两个公式分别计算:劬翰劲圈.考虑宏观几何形状影响的名义应力计算第章锕臂焊接节点疲劳设计方法占图.粱构件的的名义应力.?%了 %了.詈其中:为轴向力,为剪力,为弯矩,为截面积,为有效剪切面积,为截面惯性矩,为从中和轴到所考虑点的距离。圈构造分类法的曲线名义应力的计算最简单,但在进行疲劳评估时,所使用的曲线必须与疲劳验算部位的特定构造相对应。结构的形式是千

32、差万别的,如果再考虑到焊接的影响,需要由试验来确定曲线的构件类别就更是数不胜数了。但做如此大量的试验是不现实也是不必要的,一般是将构件分组,对一组类似的构件选用一条曲线。既便如此,常用的.曲线也有.条之多,如图.所示第章钢管焊接节点疲劳设计方法欧洲规范的按构造分类定义的不同的曲线。如何根据节点的实际情况准确选择曲线是非常重要的。疲劳设计规则经常把各式各样的结构构件例如焊接节点、平板边缘等等分成不同的种类并且为每一种类提供标准曲线.标准曲线是以基于大量疲劳试验数据的平均值和下限值来量化的。目前,构造分类法在船舶和海洋平台结构设计方面仍是实际使用较多的一种方法。我国钢结构规范也是采用构造分类法。.

33、热点应力法热点应力法也称几何应力法。结构几何应力是焊缝焊趾特定位置主应力的外推值,因为最大主应力的方向是垂直或几乎垂直于焊脚的,所以通常可以通过考虑垂直于焊脚的应力来确定几何应力。图.给出了热点应力的示意图卅.图.给出了热点应力型节点几何峰值应力外推法的位置。可能的裂纹起始点称为热点,“热点”一词源于疲劳实验或实际工作中最大结构应力处手感发热这一疲劳现象。热点处的几何应力称为热点应力,也称为参考应力、结构应力或几何应力。热点应力考虑了包括除焊缝本身所产生的应力集中之外的焊接构件细部所产生的所有应力集中的应力,可由细网格有限元模埤亩接得到。切盅力一墨图.热点应力示意图第章铜臂焊接节点疲劳设计方法

34、图. 型节点几何应力外推法的位置热点应力法是基于下述假设形成的:所有构件的曲线数据的斜率是相同的,各曲线之间在相同下的的比值反映了不同节点之间的结构几何形状的差别;局部疲劳破坏同节点类型无关,节点之间疲劳特性的差别是由于结构几何形状不同引起的;热点应力集中系数能够反映结构几何形状的差别.热点应力法是当前应用最多的方法。在热点应力法中,疲劳寿命与名义应力幅没有直接关系,而是与热点应力有关。由于刚度变化,节点附近的应力应变分布是不均匀的。就矩形管截面而言,应力可能在支管角附近最大,或者在弦杆和支杆的焊趾处最大。热点应力幅包括几何形状与荷载上的形响,但并未包括焊缝自身的局部影响。“热点”用来表示在节

35、点中起控制作用的疲劳应力的位置,通常位于焊缝焊趾部位主应力最大的点。运用该方法时需要计算节点处的应力集中系数。热点应力幅与名义应力幅的比值称为热点应力集中系数,即;.热点应力法的优势在于所有种类的节点通过和同一条曲线相关,而取决于整体节点的几何特性,它们能够通过参数公式确定。然而,如果参数化公式不存在,或者参数在公式的有效范围之外,那么必须通过进行必要的试验分析和测量.第章钢管焊接节点疲劳设计方法利用热点应力法进行管节点的疲劳设计可分为以下几个步骤:确定主管和支管的名义应力幅仃。:根据相应的参数公式或者试验确定应力集中系数受:乃;根据名义应力幅盯。和应力集中系数口求出节点处热点应力幅;根据节点

36、处的热点应力幅和相应的曲线求出疲劳寿命.目前,热点应力法没有考虑以下几个因素的影响:在热点周围的应力区域,例如,应力梯度。焊缝的整体几何特性,特别是焊脚长度。焊趾处的情况,例如,焊趾半径或者焊趾处理技术的影响.尽管有以上所说的种种局限,热点应力或应变法还是成为了目前圆管截面节点设计最为常用的方法.断裂力学法断裂力学是.关于带裂纹体的裂纹扩展与断裂的学科,它在结构疲劳上的应用是预测在结构使用过程中已发现存在着裂纹的结构剩余疲劳寿命。近年来,该方法的研究在国际上一直十分活跃,并尝试在压力容器、海洋石油平台、桥梁等实际工程结构上的应用。但是,该方法目前还没有深入地应用到名义上无初始裂纹的新建结构的疲

37、劳寿命预测分析.构件的疲劳寿命/以认为是疲劳裂纹产生阶段的循环次数,与裂纹扩展阶段循环次数%之和,即爿% .实践证明,在总的疲劳寿命中,裂纹扩展时间%所占的比例高达%以上,而裂纹扩展正是断裂力学研究的对象。建筑钢结构疲劳破坏过程中,裂纹尖端塑性区域通常很小,线弹性断裂力学艟够较好地适用。断裂力学认为,结构内部总是存在不同类型和不同程度的缺陷。各种缺陷形成了事实上的微小裂纹。微小裂纹使构件受力时处于高度的应力集中。裂纹随应力增大而扩展,起初是稳定的扩展,后来达到临界状态,出现失稳扩展而破坏,。如果结构构件由于施工及材料的不均匀而造成了一初始裂纹。或者结构在使用一段时间以后,检查出裂纹。此时结构的

38、寿命或者剩余寿命的估算,必须先依靠于预估裂纹的扩展速率,也即只能用断裂力学的方法来解决,用名第章铜管焊接节点疲劳设计方法义应力法和热点应力法无法预估。用断裂力学的观点考察疲劳问题,首先是分析裂纹扩展速率。所谓裂纹的扩展速率是指在疲劳裂纹的缓慢扩展阶段内每一次应力循环裂纹扩展的距离。该速率用口/./周表示,其中,口为应力循环次时裂纹扩展的长度,在极限条件下用微分/表示。带裂纹的钢构件是否进一步开裂,取决于应力强度因子丘口万加是否超过材料的断裂韧性.应力强度因子是对裂纹顶端周围应力和应变的一个度量.当应力盯在。和间不断循环变化时,应力强度因子随之在和。之间变化。疲劳裂纹的扩展速率显然取决于应力强度

39、因子变化幅值?裂纹扩展速率与应力强度因子幅值的关系可写成著名的公式:、 、 ,一。其中应力强度因子变化幅值,和册为材料的裂纹扩展参数,可由试验方法获得.由于在工程设计中用名义应力计算,不计入应力集中系数和残余应力影响,还和构造细节有关。当小于某一极限值也叫门槛值瓦时,裂纹不扩展.在和都是常数的条件下.对公式进行积分,可得疲劳寿命的表达式.:三兰式中和幻分别是裂纹的初始尺寸和裂纹缓慢扩展阶段结束时的尺寸.利用公式可以得到表面裂纹由初始深度口,扩展至某临界值口“如穿透管壁所经历的循环次数寿命。上述裂纹扩展速率取决于材料性质、裂纹尖端的应力状态,而与结构几何形状无关.当对于给定材料,裂纹扩展速率取决

40、于裂纹尖端的应力状态.目前断裂力学已经成功地用于球罐和氧气瓶等高压容器地断裂安全设计,但在建筑结构中还没有直接应用.三种方法的对比对于名义应力和热点应力的定义不同,因此与之配套的曲线的含义也.第章钢管焊接节点袁劳设计方法不相同。在名义应力法中,由几何不连续以及焊接质量引起的应力集中都放在曲线中加以考虑,这样对于每一种要校核的节点,必须做许多试验以建立其对应的曲线.这种方法的优点是应力计算简单,结果也可以是精确的,但需要做大量的试验,成本很高.在热点应力法中,由几何不连续引起的应力集中放在应力计算中加以考虑,而由焊接引起的应力集中放在曲线中加以考虑,这样可以大大地减少需要试验的数量。这是因为几何

41、引起的应力集中可以比较容易地用有限元的方法计算。僵此时如何正确地定义相应的曲线也稍存在一些困难,因为它要求所加工的试件只含有焊接引起的应力集中而不含有几何引起的应力集中,对于实际试件,这两种应力集中总是存在的。理论上,断裂力学法可以精确估计节点的疲劳性能,而且这种方法只取决于材料常数和应力强度因子。应力强度因子是带裂纹体的几何尺寸、裂纹形状和尺寸以及荷载方式和大小的函数。虽然名义上有许多方法可以用来计算应力强度因子,而且对于一些理想化的、简单的裂纹体,也早已有了置的计算公式,但是对于象实际工程中管节点这样几何特性比较复杂,应力分布也很不均匀的问题,应力强度因子置的求解变得十分困难。目前比较广泛

42、的计算方法是采用一些先进的网格生成技术、高效精细的单元以及分析方法来三维模拟节点,但是计算工作量也是三者之中最大的.对于名义应力法和热点应力法,只要曲线配得适当,无论哪一种方法都可以选作疲劳强度的校核方法,而且结果也应该是基本相同的。但由于在实际应用中,可供选择的曲线有限,因此在很多情况下只能找到相近或相似的。另外。对于几何应力集中系数或焊接应力集中系数的计算,方法也还没有完全统一,计算出的结果还存在相当的差距。这样,在实际应用时,采用不同的方法可能导致不同的结果。目前多数国家的规范都采用的是构造分类法名义应力法或热点应力法.第章圈钢管混凝土型焊接节点的静力试验介绍第章圆钢管混凝土型焊接节点的

43、静力试验介绍根据上一章所述,热点应力可通过热点应力集中系数双,名义应力来表达,因此,热点应力特性也可转化成研究热点应力集中系数来反映。进行圆钢管混凝土型焊接节点静力试验目的是采用梯度应变片测试节点焊缝部位在轴力作用下的应变并外推出热点应变,由热点应变计算出热点应变集中系数继而转化为热点应力集中系数。试验加载时控制节点受力处在弹性范围.待静力试验完成后,试件再被用来进行疲劳试验,获取各个试件的疲劳寿命.从而建立适应圆钢管混凝土型焊接节点的曲线.该静力试验是该自然科学基金课题的一个基础部分,由团队的其他成员完成,为了本文中第章圆钢管混凝土型焊接节点的疲劳试验做铺垫。故而将试验的方案及试验结果简单介

44、绍.静力试验方案.试验设计思路从简单的节点型式入手进行研究,可以获取该类节点性能的一般规律,为今后研究更为复杂的节点的疲劳性能奠定基础。根据这样的试验设计思路,该国家自然科学基金课题选取了几何外形最简洁的型节点作为研究对象。型节点是钢管混凝土拱桥、桁桥、空腹桁架和单层肋环形球面网壳这两类钢管结构采用的主要节点型式。根据工程应用和受力特点。节点选择贯通的弦杆和非贯通的腹杆焊接形成的节点域单元作为试验研究的模型在弦杆内充素混凝土。按照调研结果,我国已建的钢管混凝土拱桥和桁桥中,混凝土多采用等级,所以试验方案将主要采用等级的混凝土,与采用、和等级的混凝土的试件进行对比试验。试验方案的选取参考了平面型

45、圆管相贯节点研究成果,规范中对于型节点在支管受轴力作用下值的公式如下唧:第章目钢管混凝土型焊接节点的静力试验介绍主管鞍点:,一.?卢一.“.一一.主管冠点:力.一.” 矿口一支管鞍点:.。”.?埘支管冠点:.,”.一肿.芦一.所口一.其中:.;/./.当.时,取伊.,雯,量“,.曼匹.,;硭算,多.可以看出,是无量纲参数口、和参数具体含义如图.所示的函数,其中是边界条件的影响系数,弦杆两端固定司.,铰接.和一般取值.为了消除弦杆端部加载条件对节点域刚度的影响,弦杆在节点域两侧各外伸倍的管径长度,弦杆端部铰接。节点试件选用目前工程中常用的钢材。卢生 立:口:兰图. 型圆管节点无量纲参数定义影响节点应力集中系数的因素很多,如与焊接有关的因素、与节点局部构造相关的因素,节点几何特征参数、节点荷载类型、加载制度等.根据试验设计思路,该课题主要研究几何参数、丫和本试验和固定、混凝土第章圜钢管混凝土型焊接节点的套力试验介绍标号、荷载类型对节点性能的影响。.试件设计根据上节所述的试验设计思路,该国家自然科学基金课题试验共设计了圆空钢个节点试件见表.,分为三组,其中表示管截面,表示内充混凝土圆钢管截面,、表示拉力和佗压力,表示疲劳,表示静力试验。、.为第一组试件,在完成纯钢节点轴向和弯曲荷载下的热点应力试验后,.进行静力全过程受拉破坏试验,进行高周疲劳