1、鋼管混凝土K型間隙焊接節點熱點應力與承載力試驗的研究 摘要摘要圓鋼管由于其輕巧美觀的外形及良好的受力性能,越來越廣泛地運用于空間桁架結構中。作為整個結構的有機組成部分,鋼管焊接節點是桁架結構設計中的重要方面。而在主管中填充混凝土的鋼管混凝土空間桁架結構不僅提高了鋼管焊接節點的剛度,還增加了節點的承載力。目前,鋼管混凝土焊接結構開始運用于海洋平臺和橋梁等承受動力荷載的結構中。因此,鋼管混凝土焊接節點的疲勞性能是一個非常重要且有待研究的課題。本文所研究的內容是國家自然科學基金課題的一部分,針對圓鋼管混凝土型節點的熱點應力特性研究及極限承載力性能研究。本文首先對鋼管結構的發展、鋼管焊接節點與鋼管混凝

2、土焊接節點的承載力與疲勞強度的研究進展進行了總結,介紹了鋼管焊接節點疲勞強度的影響因素及各種疲勞設計方法。隨后本文針對個平面型間隙焊接節點分別以空鋼管節點和在主管中填充混凝土的鋼管混凝土節點形式進行熱點應力試驗,分別獲得了兩者在軸向荷載作用下冠點、鞍點的熱點應力及應力集中系數,掌握了最大的位置,討論了隨幾何參數的變化趨勢以及混凝土對應力集中狀況的影響。最后,進行了鋼管混凝土型焊接節點的極限承載力試驗。討論了鋼管混凝土型節點在軸向荷載作用下的破壞模式與極限承載力,并與空鋼管型節點的極限承載力相比較,考察混凝土對提高承載力的貢獻及對破壞模式的影響。本文通過對鋼管混凝土型焊接節點的試驗研究發現,型間

3、隙節點在主管中填充混凝土可以有效的減小連接焊縫周圍的應力集中狀況;鋼管混凝土型節點與空鋼管型節點在軸向荷載作用的最大都在受壓側主管的冠趾,并且兩者隨幾何參數的變化規律相似;鋼管混凝土型節點的極限承載力得到明顯的提高,破壞模式主要有支管屈服、受壓支管根部的屈曲、受拉側主管沖剪破壞、受拉側主管塑性破壞以及連接焊縫的破壞。關鍵詞:鋼管混凝土;焊接型間隙節點;熱點應力;應力集中系數;極限承載力;破壞模式;試驗研究. , 也. . ., . .? . ,. . . ,.: ; ; ;學位論文版權使用授權書本人完全了解同濟大學關于收集、保存、使用學位論文的規定,同意如下各項內容:按照學校要求提交學位論文的

4、印刷本和電子版本;學校有權保存學位論文的印刷本和電子版,并采用影印、縮印、掃描、數字化或其它手段保存論文;學校有權提供目錄檢索以及提供本學位論文全文或者部分的閱覽服務;學校有權按有關規定向國家有關部門或者機構送交論文的復印件和電子版;在不以贏利為目的的前提下,學校可以適當復制論文的部分或全部內容用于學術活動。學位論文作者簽名:己.、德狙呂年午月日同濟大學學位論文原創性聲明本人鄭重聲明:所呈交的學位論文,是本人在導師指導下,進行研究工作所取得的成果。除文中已經注明引用的內容外,本學位論文的研究成果不包含任何他人創作的、已公開發表或者沒有公開發表的作品的內容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他

5、個人和集體,均已在文中以明確方式標明。本學位論文原創性聲明的法律責任由本人承擔。學位論文作者簽名:¨徒穢口年月胡日第章緒論第章緒論鋼管結構概述重圓圈第章緒論廣州丫髻沙橋 桅桿蠹蕊薷蘸】上海火車南站屋頂 海洋平臺圖 鋼管結構的應用鋼管結構能夠得到如此廣泛的應用,與其自身的優點是密不可分的?:截面材料繞中和軸均勻分布,使得截面具有良好的抗壓和抗彎扭承載力.各向等強使桿件不存在薄弱方向,有利于桿件的穩定:管截面為封閉截面,耐腐蝕性能好,節省防腐涂料,便于維護;管結構外形輕巧美觀,便于造型并有一定的裝飾效果。目前在工程中使用的鋼管節點形式多種多樣,其主要節點形式有【】:空心球焊接節點、螺栓球

6、節點、鑄鋼節點、鋼管相貫節點、法蘭節點等。其中,基于鋼管相貫焊接節點傳力路線明確、受力性能好、承載能力強、構造簡單、建筑外表美觀、沒有外凸的節點零件、節省鋼材、易于維護等眾多的優點,相貫節點越來越廣泛應用于各類結構。尤其隨著近年來數控切割技術的發展,計算機數控加工技術使得相貫線的加工變得簡單。同時,鋼管相貫焊接節點的研究分析也更加成熟,使得鋼管相貫節點的優勢更趨于明顯。鋼管相貫節點叉稱為簡單節點或者直接焊接節點。其中較粗的桿件即主管在桿件相交處是連續貫通的,其余桿件即支管則直接焊接在貫通的主管上。鋼第章緒論管相貫節點按照支管的連接情況可以分為間隙節點和搭接節點:間隙節點是指支管在節點部位相互分

7、離;搭接節點則是指支管在節點部位有重疊圖.。按照幾何形式,相貫節點可以分為平面節點和空間節點。平面節點是指節點所有桿件的軸線處于同一平面或者幾乎處于同一平面圖.、圖.;空間節點則是指節點桿件的軸線不在同一截面圖.。一方面,鋼管相貫節點越來越廣泛的應用于各種結構中;另一面,節點的形式也越來越復雜,承受的設計荷載也越來越大。而鋼管結構一般都采用壁厚較小的鋼管,為了保障節點的強度,往往需要對節點進行加強。實際工程中常使用的加強方案有:管內加勁、主管管壁加厚、主管上加套管、主管加墊板及加節點板。但是這些節點加強方案不僅施工困難,影響美觀,而且會導致節點部位嚴重的應力集中。尤其對承受動力荷載的結構橋梁結

8、構、海洋平臺結構、桅桿等,應力集中會使節點在反復荷載作用下更容易發生疲勞破壞。在鋼管相貫節點的主管中填充混凝土是一種理想的加強方案。不僅能夠保持鋼管結構的建筑美觀、施工方便,而且管內的混凝土提高了主管徑向的剛度;混凝土在鋼管的約束下處于多維受壓狀態,可以充分發揮混凝土的抗壓性能。為此,混凝土加強鋼管相貫節點這種加強方案很有實際工程的應用價值。目前,鋼管混凝土相貫節點主要應用于海洋石油平臺導管架管節點的修補、加固以及一些大跨度拱橋、平板式拱橋【】。尺型間隙節點 型搭接節點一一圖.間隙節點與搭接節點 型節點 型節點第章緒論 型節點 型節點圖.平面節點形式型節點 型型節點 型節點圖.空間節點形式.鋼

9、管相貫節點性能的研究進展.鋼管相貫節點承載能力的研究進展直接相貫節點極限承載力的研究在國外開展得較早。年前西德就實施了鋼管節點極限強度試驗。年代美國開始進行鋼管結構的節點研究,從第章緒論年代起,管節點的研究在許多國家廣泛展開。年代末至年代初,一些規范開始將圓鋼管節點的研究成果寫入規范,并開始在工程設計中應用。年代起,鷲尾等人對型、型、型節點進行了比較系統的試驗,提出了、型節點的強度計算公式,并在此基礎上提出了型節點的強度計算公式。年,發表了關于型節點平面內彎曲的研究報告;年發表了軸力和雙向彎矩作用下型節點的試驗結果;年,整理了個型節點、個型節點和個型節點試驗結果,采用回歸方法得到了平面節點強度

10、計算公式,并指出由于節點形狀的復雜,由純理論分析方法估計節點極限承載力是不切實際的;年,.和.采用有限元方法,計算了型節點的極限承載力,考慮了搭接對承載力的影響。在空間節點方面,年,在其博士論文中發表了個空間型節點試驗結果,指出與平面型節點破壞模式的區別;年,等實施了,丌型節點的試驗;年,根據個空間節點的試驗結果,使用多元回歸方法得到了型和型空間節點的極限承載力公式,并給出了計算型節點承載力的強度修正系數【】:年,和通過建立非線性有限元模型計算了空間型節點的極限承載力。我國學者在鋼管相貫節點的研究方面也做了大量的工作。陳繼祖、陸化普在剖析各國規范極限承載力公式的基礎上,結合我國的具體情況,提出

11、了建議的設計承載力公式【;丁蕓孫對各國規范中相貫節點計算公式進行了比較,同時討論對鋼管焊接節點的多種加強措施【;陳以一、沈祖炎對大直徑平面型節點的足尺試件進行了極限承載力試驗,并提出了一個基于塑性極限理論的分析模型;童樂為、王斌進行了曲弦桿、型節點試驗,探討了主管曲率對節點極限承載力的影響;陳譽、趙憲忠對型搭接節點進行了試驗和有限元分析,分析了隱藏焊縫對節點承載力的影響【】【】;陳以一、王偉研究了、型節點局部剛度問題,并對其他一些形式節點的抗彎剛度進行了試驗和有限元分析【。還有許多的研究者采用試驗或者有限元方法對各種形式的復雜節點進行了分析【】【,一定程度上了解了鋼管焊接相貫節點的工作性能。對

12、鋼管混凝土相貫節點的研究始于年海洋石油平臺導管架管節點的修補和加固。等人對海洋平臺灌漿型圓鋼管相貫節點進行了試驗研究,表明在軸向受拉荷載作用下,與空鋼管試件相比,破壞形式類似,但極限荷載增加了%,軸向受壓荷載作用下,發生支管破壞,未發生節點破壞【】;第章緒論年,.教授對型、型和間隙型矩形管相貫節點的承載力進行了試驗研究,并提出了這幾種節點的承載力計算公式【】;年,日本學者.對型圓鋼管節點采用種不同加強方式下的極限承載力進行了試驗,其中就包含了主管中填充混凝土的加固節點,其試驗結果表明,相對空鋼管節點,鋼管混凝土節點在受壓焊趾處應變顯著減小,但是受拉焊趾處應變減小不明劇¨】。在我國,周

13、緒紅等人對、型方鋼管混凝土節點進行了試驗和有限元分析,并與空鋼管節點進行了比較,總結了、型方鋼管混凝土節點的破壞模式】【】【。可以看出,無論國內還是國外,對鋼管焊接節點的研究明顯多于鋼管混凝土焊接節點的研究,尤其是對圓鋼管混凝土焊接節點還鮮有涉及。已有的成果都只有少量的試驗,大部分是采用有限元方法進行分析,成果缺乏可靠的試驗驗證。.鋼管相貫節點疲勞強度的研究進展鋼管相貫焊接節點的疲勞性能一直是國際上十分關注的研究領域,許多定期的國際學術會議和大量的文獻涉及這個領域,取得了很大的成就。兩個國際性組織國際管結構發展與研究協會的法文縮寫和國際焊接協會在管節點疲勞研究中起了重要的促進作用,根據研究成果

14、,在不同階段發表了一些綱領性的指導文獻。有許多方法進行鋼管焊接節點的疲勞強度,其中主要有沖剪法、破壞準則法、靜力強度法、分類法、熱點應力法等【。由于熱點應力法只要依據節點的熱點應力幅,由個別.曲線即可獲得各自的疲勞壽命,因此已成為當前管節點疲勞性能最根本的分析方法。近多年來,基于熱點應力法的圓鋼管焊接節點疲勞強度的研究取得了豐碩的成果。德國大學、荷蘭技術大學、澳大利亞的大學、加拿大大學以及新加坡技術學院做了大量卓有成效的工作。在我國,上世紀年代上海交通大學在海洋平臺管節點接頭的應力方面做了大量的研究。陳鐵云等人對型搭接管接頭的應力進行了試驗研究【,并對我國九十年代管節點接頭應力分析的進展進行了

15、概括;陳伯真等人采用半解析法推導了型節點的局部柔度參數公式】。進入世紀后,國內更多的是第章緒論參考國外的研究方法,采用有限元的方法計算各類型管節點的應力集中系數。同濟大學做了些圓管與方管、方管與方管連接的焊接節點研究】;煙臺大學對刪型、型節點焊縫周圍應力分布規律及幾何參數對應力分布的影響進行了有限元的分析口】【】【】。總的來說,研究的成果還比較少且不全面,研究集中在腭型、型節點方面,并且主要是通過有限元方法計算,而缺少試驗數據作為佐證。歸總國際、國內在鋼管焊接節點應力集中方面研究成果,主要有】:規定了熱點應力的定義,明確了垂直于焊趾方向的幾何應力比焊趾處的幾何主應力更適宜用作為熱點應力;建立了

16、熱點應力線性和二次外推的測試方法;經大量有限元分析,并得到試驗證實的已被和接受的圓管參數公式有平面、間隙和空間、間隙等形式的節點;“為了反映壁厚減小,疲勞強度提高的壁厚效應,建立了在壁厚的基本曲線基礎上用壁厚加以修正的曲線。以上的成果主要集中的空鋼管焊接節點上,鋼管混凝土焊接節點疲勞性能的研究在國際上處于剛剛起步階段。上世紀九十年代初,在海洋平臺的鋼管結構的研究中曾有人涉及灌漿鋼管焊接節點的研究。但對鋼管焊接節點進行灌漿,主要是為了對海洋平臺的鋼管節點進行修補或者加強,而沒有將其作為一種更優的節點形式進行深入研究。年,.,.等人進行了灌漿鋼管節點的疲勞性能和極限承載力性能的研究;年,.,.研究

17、了方鋼管混凝土型節點在平面內彎矩作用下的疲勞性能【,證實主管中填充混凝土可以明顯地減小節點區域的應力集中狀況,提高型節點的疲勞壽命。在國內,廣東省紫洞大橋在設計建造過程中,進行了鋼管混凝土焊接節點的疲勞試驗;年,艾智能在其碩士論文中對巫江大橋中的鋼管混凝土節點進行了疲勞試驗和有限元的分析【】;年,童樂為等人進行了圓鋼管混凝土型節點在支管軸向拉力、軸向壓力、平面內彎矩作用下的熱點應力試驗及軸向何載下的疲勞試驗【】【】【】,同時還在進行主方支圓型鋼管節點、鋼管混凝土節點在支管軸向何載下的熱點應力以及疲勞性能研究;同濟大學與澳大利亞的大學合作,正在開展壁厚小于的薄壁鋼管混凝土型節點疲勞性能的研究。第

18、章緒論課題研究內容選題背景鋼管混凝土結構能夠有效地發揮鍘材和混凝土兩種材料各自的優點,司時克服了純鋼管結構窖易發生局部屈曲的缺點,具有承載力高、抗震性能好、節約鋼材和施工簡捷等優點,因而在高層、高聳以及大跨度橋梁結構得到了同益廣泛的應用,推廣與發展速度十分迅猛。在大跨度橋梁中,應用現代鋼管混凝土技術和高強混凝土技術是最有效經濟有效的。而拱橋作為橋梁的基本型式之一,具有很高的美學價值和深厚的文化底蘊,在我國的公路、鐵路以及市政工程中得到廣泛的府用。鋼管混凝士結構的出現,無疑給拱橋的發展注入了新的活力,它不但有效地提高了材料的承載能力,擴大了拱橋的使用范嗣,而且簡化了施工方法。自年在四川省旺蒼縣建

19、成跨度為米的我國第一座鋼管混凝土拱橋以來,我國已經建成了多座鋼管混凝土拱橋,其中跨度在米以上的就有多座。年月建成的巫峽長江公路大橋,為鋼管混凝土中承式拱橋,跨度達到米,成為世界上最大跨度的鋼管混凝土拱橋圖 。近年來,梁式橋中也開始采用鋼管混凝土結構,同樣取得了良好的經濟效益,鋼管混凝土空間桁架組合體系適用于多種橋型,如系桿拱橋結構干口大跨斜拉橋結構等罔 。呵見,鋼管混凝土結構在土木工程中的應用具有良好的應用日景。圖.巫峽長江公路大橋 圖廣東紫洞大橋然而,與鋼管混凝土焊接結構大量應用于工程中相不協調的是對鋼管混凝土焊接節點的研究還處于相對滯后的狀態,沒有可靠的設計依據使得結構在建第章緒論造的過程

20、中要么設計過于保守,要么存在安全隱患。對于橋梁和海洋平臺結構來說,在日常車輛荷載和海浪荷載作用下的疲勞問題就是值得重視的問題之一。國內外大量的工程實踐表明,在重復荷載作用下,鋼管焊接節點由于焊接殘余應力、焊接缺陷、應力集中等多種因素的影響而極易發生疲勞破壞。可以預見,鋼管混凝土焊接節點在日常反復荷載的作用下,同樣面臨著嚴峻的疲勞破損的耐久性問題。由此,紫洞大橋在設計過程中對鋼管混凝土焊接節點的疲勞壽命進行了試探性的試驗;廣州丫髻沙鋼管混凝土拱橋在設計過程中,套用圓鋼管焊接節點疲勞強度的研究結果,對鋼管混凝土焊接節點的疲勞壽命進行了評估。目前國際上對鋼管焊接節點的疲勞性能已取得了較充分的認識和成

21、果,但對鋼管混凝土焊接節點的疲勞性能的研究卻還很少。鋼管混凝土焊接節點的應力分布狀況、應力集中位置、鋼管壁厚及混凝土尺度效應、鋼管混凝土之間的約束效應、裂紋擴展的特點、疲勞強度的優劣等等,目前在國內外都是全新的、有待探索的課題。本文的所研究的內容是指導老師童樂為教授申請的國家自然科學基金課題的一部分。該國家自然科學基金課題希望通過部分試驗,綜合運用熱點應力法和斷裂力學裂紋擴展的方法去分析鋼管混凝土焊接節點的疲勞強度、裂紋擴展的特性。本文研究內容的重點是在主管中填充混凝土的型焊接節點的熱點應力,通過靜力試驗獲得熱點應力的大小、分布情況,掌握混凝土對節點部位應力集中狀況的影響,為進一步疲勞強度的研

22、究打下基礎。.研究內容本文設計了個平面型間隙圓鋼管焊接相貫節點。主要進行三部分工作:首先進行了空鋼管型節點在軸向荷載作用下的熱點應力試驗,獲得了冠點、鞍點的熱點應力和應力集中系數:與技術標準及其它研究者得到的公式計算值進行比較,探討已有成果的可靠性與適用性;考察幾何參數和加載方式對熱點應力與的影響;完成空鋼管型節點的熱點應力試驗后,在試件的主管中填充混凝土形成鋼管混凝土型節點。采用與空鋼管型節點熱點應力試驗相同的加載裝置進行了鋼管混凝土型節點在軸向荷載作用下的熱點應力試驗,將得到的熱點應力和應力集中系數與空鋼管型節點的試第章緒論驗結果進行了比較,分析了混凝土對主管、支管應力集中狀況的影響,考察

23、幾何參數對的影響;完成熱點應力試驗后,對鋼管混凝土型節點進行了極限承載力試驗,了解鋼管混凝土型節點在軸向荷載作用下的破壞過程;考察它們的破壞模式和極限承載力,并與節點相關的各種承載力計算值進行了比較,分析混凝土對型節點的破壞模式和極限承載力的影響。第章鋼管焊接節點疲勞性能基礎理論第章鋼管焊接節點疲勞性能基礎理論疲勞破壞是指鋼材在連續反復荷載作用下,應力雖然還低于極限強度,甚至還低于屈服強度,就發生突然的斷裂。疲勞破壞的過程包括了裂紋的形成、裂紋緩慢擴展與最后迅速斷裂而破壞三個階段。由于鋼材內部總是存在著各種微小的缺陷,充當了疲勞破壞中的初始裂紋,因此疲勞破壞的過程主要是后兩個階段。疲勞裂紋的開

24、展始于應力高峰處。對于鋼管焊接節點,節點區域構造復雜,會產生明顯的應力集中現象。其中,幾何構造引起的剛度不均勻、焊接導致的復雜應力分布是導致應力集中最主要的因素。高峰應力促使裂紋的擴展,剩余截面上的應力就增加,裂紋擴展的速率也就相應的增加,直到剩余截面面積不足以支持所加荷載的階段,最后的斷裂就產生了。疲勞設計一般采用法。其中為應力幅,即圖.中的;為結構的疲勞壽命,即在給定的應力幅循環作用次后,結構發生疲勞破壞。不同的疲勞設計方法對應于不同的曲線,一般可以通過試驗方法得到不同類型節點的曲線,然后按照不同的計算方法可以得到名義應力幅或者熱點應力幅,再由對應的曲線得到節點的疲勞強度。圖.應力幅與應力

25、比第章鋼管焊接節點疲勞性能基礎理論.鋼管焊接節點疲勞強度的影響因素乜刀.焊縫形狀的影響鋼材之間的焊縫會導致形狀和剛度的改變,當荷載垂直作用于焊縫的軸線方向時就會產生應力集中。因為焊趾是焊縫與母材的交界處,應力集中一般發生在焊趾處。焊趾處應力集中程度的大小取決于焊縫與母材的連接情況,如果焊縫與母材的連接是平緩的,應力集中情況則較小;反之,如果焊縫與母材的連接是急劇變化的,應力集中則較嚴重。角焊縫的應力集中程度比熔透焊縫更嚴重。任何焊縫連接區域都是應力集中區域,也就是潛在的疲勞裂縫開展的位置。此外,施焊時起落弧的位置也會導致應力集中。.應力比的影響應力比是指循環中絕對值最小的峰值應力民灑與絕對值最

26、大的峰值應力呱之比,即/嗽拉應力取正號而壓應力取負號。反復荷載引起的應力循環形式有同號應力循環和異號應力循環兩種類型。當時,為異號循環;當時,為同號循環;當,表示靜荷載。每次應力循環都會導致疲勞裂紋的產生和擴展,而一般疲勞破壞都是拉應力導致,因此,對于相同的應力幅,拉壓共存的應力循環,即異號循環比全拉應力的應力循環破壞程度小,疲勞壽命也就更長。.殘余應力的影響鋼管相貫焊接節點焊接后會產生較大的殘余應力,殘余應力是焊接加熱及冷卻過程中產生的。施焊時,焊縫及其周圍區域的溫度較高,而遠離節點區域的溫度則較低。焊縫在冷卻的過程中自由收縮被周圍鋼材約束,為了滿足協調變形,焊縫會產生殘余變形。殘余應力在母

27、材內部是自相平衡的,產生大小相等的拉、壓應力。一般而言,殘余壓應力對節點的疲勞強度影響不大,而焊接過程產生的軸向殘余拉應力會達到很大,甚至超過鋼材的屈服強度。當承受疲勞荷載時,這些位置往往就成為初始裂縫形成、開展位置。第章鋼管焊接節點疲勞性能基礎理論.焊縫缺陷的影響焊縫缺陷包括未焊透、氣孔、夾渣、未溶合、裂紋、咬邊等。在靜力加載試驗中,抗拉強度對于出現的缺陷是極不敏感的,相對地可以說缺陷是無害的。但在交變荷載條件下,因為缺陷會形成應力集中,對靜力強度極少或根本不產生影響的缺陷就可能在非常低的外加應力作用下引起疲勞破壞。.鋼管焊接節點疲勞設計方法進行鋼管焊接節點的疲勞設計有許多種方法,其中包括分

28、類法、熱點應力法、斷裂力學法、沖剪法、破壞準則法及靜力強度法。.分類法分類法是基于名義應力的方法,因此也被稱為名義應力法。名義應力即采用梁理論計算得到的應力,對于不同荷載,名義應力分別為:億?,爭妒銩,告其中為乞軸力,%為平面內彎矩,為平面外彎矩為截面積,為平面內截面抗彎模量,呢。為平面外截面抗彎模量。分類法的特點是名義應力的計算簡單,但進行疲勞評估時,使用的曲線必須和驗算部位的特定構造相對應。顯然,對每一種結構形式都進行試驗以確定相應的曲線是不現實也不需要的。因此,將類似的構件歸并為一組,選用一條曲線,這樣疲勞強度分布在很大范圍內的節點被歸為一類,就勢必造成分類很粗糙。.熱點應力法熱點應力法

29、采用熱點應力幅而非名義應力幅來評估結構的疲勞壽命,直接考慮了節點焊縫周圍應力的不均勻分布。所謂熱點應力,又稱為結構應力,是最大的幾何應力,一般在焊趾處,由于疲勞裂紋經常發生在這里,故稱之為“熱點。熱點應力包括了節點幾何構造因素和荷載形式的影響,但排除了焊縫外形第章鋼管焊接節點疲勞性能基礎理論凸、凹角,咬邊、焊趾半徑等的影響,如圖.所示。熱點應力方法有以下一些優點:直接考慮了節點焊縫周圍的不均勻應力分布;不同類型的鋼管節點可以采用相同的曲線進行疲勞分析,僅依賴于破壞桿件的壁厚具有不同焊縫截面和焊趾條件的節點可以采用相同的曲線,因為熱點應力排除了焊縫外形及缺陷的影響。由焊縫形狀及缺陷引起的應力增長

30、最大幾何節引 點起 幾的相應嗽艚臌帳 變長應力峰值熱點應力名贓勘力士主管管壁圖.熱點應力示意圖在熱點應力法中定義應力集中系數 :丁,?豎.吒硎其中%.,為熱點應力,堋為名義應力。應力集中系數是與節點幾何構造相關的系數,因此可以表達成由無量綱幾何參數組成的方程。當進行鋼管相貫焊接節點的疲勞設計時,可以先由節點的幾何尺寸計算無量綱參數,然后由應力集中系數方程得到,再將得到的乘以名義應力即可以得到熱點應力,最后根據曲線獲得設計節點的疲勞壽命。可以發現,熱點應力法的關鍵是確定各種荷載作用下的應力集中系數的方程。一般可以通過試驗或者有限元計算,采用上述方法獲得多個試件或模型的熱點應力及應力集中系數,然后

31、采用參數回歸分析得到方程。熱點應力的定義還存在分歧。一般有三種方法定義熱點應力:第章鋼管焊接節點疲勞性能基礎理論定義距離焊趾一定距離一點的應力作為熱點應力;選擇距離焊趾一定距離的兩個點,采用線性外推的方法得到熱點應力;選擇距離焊趾一定距離的多個點,采用線性外推或者二次外推的方法得到熱點應力。采用外推點的何種應力進行外推也存在著分歧。現在主要有兩種方法:外推點的最大主應力和外推點垂直于焊趾方向的應力。、采用最大主應力,而、采用垂直于焊趾方向的應力。根據、等人的研究發現,焊趾附近的最大主應力方向與垂直于焊趾的方向比較接近,因此兩種應力的差別不大。而垂直于焊趾方向的應變可以方便的用單向應變片測得,而

32、主應變則需要用三向應變片測量得到。明顯地,采用垂直于焊趾方向的應力更加方便、簡單。圖.外推方法示意圖表.外推區域主管 支管鞍點 冠點 鞍點 冠點. .?% .?.?.? .?.一.血 .?.?.島.一 .一注:、一主管、支管的管壁厚度、一主管、支管的半徑、。曲最小值為,刪。最小值為,曲.?第章鋼管焊接節點疲勞性能基礎理論相比較而言,采用多點測量應力應變定義熱點應力應變更加科學合理。在距離焊趾一定距離的管壁上測量若干點沿垂直焊趾方向的應力應變,采用線性外推或者二次外推方法得到焊趾處的熱點應力應變,如圖.所示。為了排除焊縫的影響,同時又能夠包含幾何構造的影響,測點的位置必須控制在一定區域圖.中.疵

33、與,一。對外推區域取值的建議如表.所示。通過以上論述,可以將熱點應力法進行疲勞設計總結成以下幾個步驟:通過結構分析得到主管和支管的軸力、平面內彎矩、平面外彎矩;由式.計算相應的名義應力幅;由應力集中系數方程計算;由式.計算熱點應力幅;根據相應的曲線計算節點的疲勞壽命。.斷裂力學法斷裂力學法用來預測帶有初始裂紋結構的剩余疲勞壽命的方法。最主要的預測參數是應力強度因子。裂紋隨著循環次數增大而進行穩定擴展以及最終發生斷裂時裂紋的臨界尺寸,均可由裂紋尖端處應力強度因子的幅值加以確定。裂紋擴展速率與應力強度因子幅值的關系可以寫出著名的公式:一:必,應力強度因子幅:。一和為材料的裂紋擴展參數,可用試驗方法

34、獲得。利用公式:旦似“可以得到表面裂紋由初始深度擴展至某臨界值如穿透管壁,所經過的循環次數壽命。斷裂力學法的優點在于能夠將焊縫的形狀平、凹或凸及焊趾局部條件焊趾半徑、缺口等都考慮進去。采用這種方法最主要的問題是裂紋的開展很復雜,無論是試驗方法還是計算分析方法,都難以準確的了解、模擬裂紋開展的過程。第章鋼管焊接節點疲勞性能基礎理論.其他方法除了上述三種方法外,不同時期的研究者還提出了其它的方法:沖剪法:沖剪法與分類法類似,不同的是沖剪法是以剪應力幅而不是名義應力幅計算構件的疲勞壽命。破壞準則法:破壞準則法提供了名義應力幅或者最大應力幅與節點幾何構造及荷載關系的圖表,這種方法只適合用于一定參數范圍

35、內特定節點。靜力強度法:靜力強度法將節點的疲勞性能和靜力性能聯系在一起。在一定的參數范圍內,這樣的關系是可以獲得的。但是,節點的靜力性能更多的依賴于總體的強度,并且允許應力重分布,而對于一個強度很高的節點,如果局部較弱,它的疲勞性能將很弱。因此,靜力強度法適合運用于初步設計。第章空鋼管型焊接節點的熱點應力試驗研究第章空鋼管型焊接節點的熱點應力試驗研究.試驗目的本章進行了個空鋼管型焊接節點 ,的熱點應力試驗。試驗采用自平衡反力裝置對試驗節點施加軸力,分別測量了四個荷載級別下,主管和支管的冠點、鞍點垂直于焊趾方向的應變分布,并采用線性,外推的方法獲得焊趾處的熱點應變及應變集中系數,再根據應變集中系

36、數與應力集中系數關系,得到應力集中系數。通過試驗,我們期望達到以下一些目的:了解空鋼管型節點在軸力作用下冠點、鞍點的大小及最大位置;考察空鋼管型節點冠點、鞍點的隨幾何參數變化的規律,分析不同幾何參數對的影響;將試驗結果與技術標準及其他研究者得到的回歸公式的計算結果進行比較,檢驗已有成果的適用性;考察主管上不同加載方式對是否有影響;為下一步在主管中填充了混凝土的鋼管混凝土型焊接節點的熱點應力試驗做準備,空鋼管型焊接節點的熱點應力試驗結果將與鋼管混凝土型焊接節點的熱點應力試驗結果進行比較,考察混凝土對型節點焊縫周圍應力集中狀況的影響。.熱點應力試驗方案.試件設計由于本次課題的研究重點在于鋼管混凝土

37、型節點的熱點應力,空鋼管節點的熱點應力試驗是為了能夠通過兩者的比較,更好地了解混凝土對型節點熱點應力與應力集中狀況的影響;而國內外在鋼管混凝土型節點熱點應力方第章空鋼管型焊接節點的熱點應力試驗研究面的研究甚少,因此,在試件設計上,我們從最簡單的節點形式入手,設計了個支管相同、支管與主管夾角均為。且無偏心的型節點,圖.是試驗節點的典型形式。為了排除端部約束條件對節點區域的影響,主管長度取主管直徑的倍,支管長度取支管直徑的倍。試件的具體試件尺寸參見附錄。點一刁、弓/、點 。?。?主管夕/ /廠/圖.圓鋼管型節點表.列出了試驗節點的幾何尺寸及無量綱參數,表中參數的定義如圖.所示。參數范圍的選擇主要考

38、慮了實際工程的應用情況、市場上鋼管規格提供情況以及參考規定的參數范臥】。為了分別考察無量綱參數、對應力集中系數的影響,個試件可以分為三組:、為第組,保持,、不改變,考察的影響;試、件、為、為第組,保持、不改變,考察丫的影響;為第組,保持、丫不改變,考察的影響。表.試驗節點尺寸與參數第章空鋼管型焊接節點的熱點應力試驗研究.加載方案試驗采用圖.方式加載。通過連系梁將兩個三角支架連接成為一個自平衡反力架,試件的一根支管通過銷軸與反力架連接,另一根支管通過弧形板與反力架接觸。當千斤頂對主管的一端施加軸力時,支管。受拉,支管。受壓。由于加載裝置是靜定結構,可以保證主管、支管處于軸心受力狀態。對試件、,還

39、采用了圖.所示的加載方式進行了試驗,即通過拉力套對主管的一端施加拉力,支管的受力狀態不變。通過比較兩種不同加載方式下試驗節點的熱點應力和應力集中系數,考察主管上的加載方式對熱點應力和應力集中系數的影響。試驗時,千斤頂荷載分、四個級別,分別進行數據采集,以保證得到準確、可靠的試驗數據。圖.為試驗實景圖。?.一.弧戈壓,千斤頂寸口/、, 主管受壓裝置示意圖主管受拉裝置示意圖圖.試驗加載裝置示意圖第章空鋼管型焊接節點的熱點應力試驗研究耵主管受壓加載 巾土管受壓拉加載圖.試驗宴景圖測試方案試驗的測試系統分為兩部分:一是布置在主管和支管上遠離節點區域的單向應變片以下簡稱單向片;二是布置在焊縫周闈的梯度應

40、變片以下簡稱梯度片。試驗的測試方案如圖 所示。相貫線處梯度片布置”圖.應變片布置圖第章空鋼管型焊接節點的熱點應力試驗研究在主管和支管遠離節點區域的截面上分別布置了片單向片,如圖.中一、.、.剖面圖所示。當施加的軸力準確時,片單向片的應變應相等,由測量的應變反算得到的軸力應與施加的軸力相同。因此,單向片可以檢驗加載系統是否工作正常,施加的荷載是否偏心,同時還可以獲得計算應力集中系數時的名義應力。表.試驗節點主管、支管名義應力理論值與試驗值比較試件 主管荷載 主管名義應力主管名義應力百分比 支管荷載 支管名義應力支管名義應力 百分比編號理論叼 理論值 試驗值 % 理論 理論值 試驗值 %. . .

41、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .邸. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一. . . . . .硒. . . . . . . . . ?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .注:表中百分比%一列指名義應力理論值與試驗值的差值百分比,即理論值試驗值/理論值第章空鋼管型焊接節點的熱點應力試驗研究表.列出了主管、支管的名義應力理論值與試驗值。表中主管荷載的理論值指得是施加在主管上的千斤頂荷載,而主管上名義應力的理論值,即為主管荷載的理論值除以主管的面積得到;支管荷載的理論值則是根據平衡條件,由千斤頂荷載求出,即千斤頂荷載的/倍,支管上名義應力的理論值,則是由支管荷載的理論值除以支管的面積得到。主管、支管名義應力試驗值則分別由主管和支管上的個單向片測量的軸向應變的平均值,根據應力應變關

43、系伊計算得到的軸向應力。由平衡關系可知,受拉支管與受壓支管的名義應力絕對值應該是相等的。而實際上,對于名義應力試驗值而言,由于試驗過程中存在的誤差,受拉支管和受壓支管的名義應力試驗值是不完全相等的,圖.將兩者進行了比較,可以看到,兩者的差別不大。因此,表.中支管的名義應力試驗值采用了受拉支管與受壓支管名義應力絕對值的平均值,在之后計算應力集中系數時使用的支管名義應力試驗值就是表.中的值。從表.及圖.、可以看出,總的來說,主管和支管的名義應力理論值與試驗值還是比較接近的。除個別點偏離等值線外,大部分數據點均在等值線附近,兩者的差值在%之內。因此,可以認為試驗過程中,加載系統能夠較為準確地對試件施

44、加預期的荷載,保證試驗結果的準確性、可靠性。曲鮐、椰鯽珊孫瑚苫劃繇罐趟釵弭缸刪 至增靜畫氆域驛缸似前兮室一靼翻嫡鐲釵攤瓤似出烈;.十,., 柏 渤笛 受拉支管名義應力試驗值丑 主管名義應力理論值 支管名義應力理論值名義應力試驗值與理論值比較名義應力試驗值比較 名義應力試驗值與理論值比較圖.空鋼管試驗節點名義應力比較在第.節提到,熱點應力應變有兩種定義方法,其中由于在冠點、鞍點處最大主應力最大主應變方向與垂直于焊趾方向的應力應變比較接近,而垂直于焊趾的方向更容易測量,因而被廣泛應用。本次試驗的測量方案采用的即是這種方法。在主管和支管的焊縫周圍各布置了片梯度片,如圖.的第章空銅管型焊接節點的熱點應

45、力試驗研究剖面所示。考慮到試驗設備的限制及以往的研究成果,梯度片僅布置在冠點和鞍點,這些點般是最大應力集中位置。梯度片是由片單向片特制的應變片,用以測量沿某一方向的應變分布,如圖.所示。將梯度片貼在合理的外推區域內,獲得四個點的應變,采用外推方法可以得到焊趾處的熱點應變和慮變集中系數。應變集中系數與應力集中系數之間存在一定的比例關系,根據咀往的研究表明,對于圓鋼管節點,它們之問有 。本次試驗中采用平均值,即。圖.梯度應變片示意圖熱點應力試驗結果外推方法的選擇熱點應力指的是鋼管節點中某個位置最大的幾何應力,一般是位于焊趾處。由于焊趾處的應力包含了焊縫缺陷的影響,無法直接測得幾何應力。因此,為了排

46、除焊縫缺陷的影響, 般在距離焊趾定范圍內測量應力,然后采用合適的外推方法得到焊趾處的應力。技術標準中規定圓鋼管節點的外推區域如表 所示。雖然鋼管混凝土節點外推區域的合理范圍還沒有可參照的標準,但容易理解的是,焊縫缺陷的影響對空鋼管節點和鋼管混凝土節點應該是一樣的。因此,在本次試驗中,的取值范圍。外推區域的確定仍然參照表試驗中,由梯度片獲得垂直于焊趾方向的應變分布后,可以采用外推方法獲得焊趾處的熱點應變。外推方法一般有線性外推和二次外推兩種方法,如圖第章空鋼管型焊接節點的熱點應力試驗研究.所示,當節點區域非線性較明顯時應采用二次外推方法,而非線性不明顯時,則可以采用線性外推方法。由于線性外推方法

47、比二次外推方法更加簡單方便,當兩種方法的外推結果差別不大時,可以優先考慮采用線性外推方法。文獻指出,對于圓鋼管間隙節點,線性外推與二次外推結果的差別是可以忽略的。為了驗證兩種外推方法在本次試驗結果中的差別,對個空鋼管節點試件共個測點采用兩種外推方法獲得的進行了比較,如圖.所示。一憋¨一函線性圖.外推方法示意圖 圖.外推方法比較圖.中,虛線表示由兩種外推方法得到的相等。圖中可以看出,除了個別數據點偏離圖中虛線外,大部分數據點均在虛線上或者兩側附近。在個測點中,有個測點%采用兩種外推方法獲得的差別小于%,這說明對大部分測點來說,采用線性外推方法和二次外推方法獲得的差別不大。因此,本次空鋼

48、管型節點試驗的熱點應力和應力集中系數均采用線性外推方法獲得。.名義應力的選取試驗獲得熱點應力之后,我們采用應力集中系數來反映鋼管節點焊縫周圍的應力集中情況。應力集中系數按照下式計算:?.%其中代表熱點應力,%代表名義應力。第章空鋼管型焊接節點的熱點應力試驗研究在技術標準中】,將圓鋼管型節點的外力分解為兩種工況,如圖.所示:觚工況:平衡軸力。 工況:主管荷載軸力與彎矩圖.圓鋼管型節點荷載分解當型節點處于復雜荷載作用下時,可以將荷載分解為圖.所示的兩種荷載工況,分別計算主管和支管的熱點應力,然后將兩種工況下的熱點應力相加即得到總的熱點應力。計算熱點應力時,需要分別知道兩種工況下主管和支管的名義應力

49、和。中給出了主管、支管在兩種工況下對應的計算公式和圖表。工況下無論主管還是支管,名義應力均取支管的軸向應力,即:?吒,甜%,戤一一百/工況下主管的名義應力取主管的軸向應力,支管上名義應力為零,即:冬管。因此,主管上總的熱點應力即為:.%.甜?餌,戧吒,第章空鋼管型焊接節點的熱點應力試驗研究支管上總的熱點應力為:.%,%,甜?吒,餓按照的上述方法,本次試驗的圓鋼管型節點可以分解為如圖.所示的情況:甾卜警互¨一仝芻一墨對于支管而言,由于況下會產生熱點應力,即總的熱點應力就是況下的熱點應力。因此,支管按照式.計算即可:呱石對于主管,由于試驗中獲得的是在兩種工況下總的熱點應力%.,無法分別得

50、到工況與工況荷載下的熱點應力。因此,計算應力集中系數時,采用什么應力作為名義應力是合理的值得商榷。參照的方法,認為試驗節點主管上的熱點應力由兩部分組成,如式.所示。定義主管應力集中系數:.歸趿一芒職,根據式.、.可得:趵 、 。%,蕊 , 七芒贛擊可以看到,僅與節點的幾何參數有關。由式.定義應力集中系數比值:、 .硒后面。戚 蕊第章空鋼管型焊接節點的熱點應力試驗研究根據對型圓鋼管節點主管的計算公式可以得到兩種荷載工況下主管的應力集中系數趿,和?呱,西,并定義他們的比值:刀?上. 、 ,刀惡一在式.中:吒.“一工況下主管的名義應力%.甜一工況下支管的名義應力吒.。一工況下主管的名義應力%.。一工

51、況下支管的名義應力雙珥.麟一工況下主管的應力集中系數雙一工況下主管的應力集中系數雙珥.塒一試驗節點主管總應力集中系數鼢;一支管的應力集中系數一主管面積以一支管面積試驗節點對應的從刀、如表.所示。表.試驗節點、刀、取值從表.中的值可以看出,采用上述方法定義的試驗節點主管應力集中系數,塒與工況下主管應力集中系數%,矗較接近,比值范圍在.之間,這說明主管的應力集中主要是由工況的荷載即支管軸力蚴.第章空鋼管型焊接節點的熱點應力試驗研究導致。為了進一步驗證主管在工況荷載作用下產生的熱點應力很小,相對于工況荷載作用下產生的熱點應力可以忽略,采用有限元軟件對試件在兩種荷載工況作用下分別進行了計算,得到了主管冠址