钢管混凝土K型间隙焊接节点热点应力与承载力试验的研究可编辑

1、钢管混凝土K型间隙焊接节点热点应力与承载力试验的研究 摘要摘要圆钢管由于其轻巧美观的外形及良好的受力性能,越来越广泛地运用于空间桁架结构中。作为整个结构的有机组成部分,钢管焊接节点是桁架结构设计中的重要方面。而在主管中填充混凝土的钢管混凝土空间桁架结构不仅提高了钢管焊接节点的刚度,还增加了节点的承载力。目前,钢管混凝土焊接结构开始运用于海洋平台和桥梁等承受动力荷载的结构中。因此,钢管混凝土焊接节点的疲劳性能是一个非常重要且有待研究的课题。本文所研究的内容是国家自然科学基金课题的一部分,针对圆钢管混凝土型节点的热点应力特性研究及极限承载力性能研究。本文首先对钢管结构的发展、钢管焊接节点与钢管混凝

2、土焊接节点的承载力与疲劳强度的研究进展进行了总结,介绍了钢管焊接节点疲劳强度的影响因素及各种疲劳设计方法。随后本文针对个平面型间隙焊接节点分别以空钢管节点和在主管中填充混凝土的钢管混凝土节点形式进行热点应力试验,分别获得了两者在轴向荷载作用下冠点、鞍点的热点应力及应力集中系数,掌握了最大的位置,讨论了随几何参数的变化趋势以及混凝土对应力集中状况的影响。最后,进行了钢管混凝土型焊接节点的极限承载力试验。讨论了钢管混凝土型节点在轴向荷载作用下的破坏模式与极限承载力,并与空钢管型节点的极限承载力相比较,考察混凝土对提高承载力的贡献及对破坏模式的影响。本文通过对钢管混凝土型焊接节点的试验研究发现,型间

3、隙节点在主管中填充混凝土可以有效的减小连接焊缝周围的应力集中状况;钢管混凝土型节点与空钢管型节点在轴向荷载作用的最大都在受压侧主管的冠趾,并且两者随几何参数的变化规律相似;钢管混凝土型节点的极限承载力得到明显的提高,破坏模式主要有支管屈服、受压支管根部的屈曲、受拉侧主管冲剪破坏、受拉侧主管塑性破坏以及连接焊缝的破坏。关键词:钢管混凝土;焊接型间隙节点;热点应力;应力集中系数;极限承载力;破坏模式;试验研究. , 也. . ., . .? . ,. . . ,.: ; ; ;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

4、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。学位论文作者签名:己.、德狙吕年午月日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

5、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。学位论文作者签名:¨徒秽口年月胡日第章绪论第章绪论钢管结构概述重圆圈第章绪论广州丫髻沙桥 桅杆蠹蕊薷蘸】上海火车南站屋顶 海洋平台图 钢管结构的应用钢管结构能够得到如此广泛的应用,与其自身的优点是密不可分的?:截面材料绕中和轴均匀分布,使得截面具有良好的抗压和抗弯扭承载力.各向等强使杆件不存在薄弱方向,有利于杆件的稳定:管截面为封闭截面,耐腐蚀性能好,节省防腐涂料,便于维护;管结构外形轻巧美观,便于造型并有一定的装饰效果。目前在工程中使用的钢管节点形式多种多样,其主要节点形式有【】:空心球焊接节点、螺栓球

6、节点、铸钢节点、钢管相贯节点、法兰节点等。其中,基于钢管相贯焊接节点传力路线明确、受力性能好、承载能力强、构造简单、建筑外表美观、没有外凸的节点零件、节省钢材、易于维护等众多的优点,相贯节点越来越广泛应用于各类结构。尤其随着近年来数控切割技术的发展,计算机数控加工技术使得相贯线的加工变得简单。同时,钢管相贯焊接节点的研究分析也更加成熟,使得钢管相贯节点的优势更趋于明显。钢管相贯节点叉称为简单节点或者直接焊接节点。其中较粗的杆件即主管在杆件相交处是连续贯通的,其余杆件即支管则直接焊接在贯通的主管上。钢第章绪论管相贯节点按照支管的连接情况可以分为间隙节点和搭接节点:间隙节点是指支管在节点部位相互分

7、离;搭接节点则是指支管在节点部位有重叠图.。按照几何形式,相贯节点可以分为平面节点和空间节点。平面节点是指节点所有杆件的轴线处于同一平面或者几乎处于同一平面图.、图.;空间节点则是指节点杆件的轴线不在同一截面图.。一方面,钢管相贯节点越来越广泛的应用于各种结构中;另一面,节点的形式也越来越复杂,承受的设计荷载也越来越大。而钢管结构一般都采用壁厚较小的钢管,为了保障节点的强度,往往需要对节点进行加强。实际工程中常使用的加强方案有:管内加劲、主管管壁加厚、主管上加套管、主管加垫板及加节点板。但是这些节点加强方案不仅施工困难,影响美观,而且会导致节点部位严重的应力集中。尤其对承受动力荷载的结构桥梁结

8、构、海洋平台结构、桅杆等,应力集中会使节点在反复荷载作用下更容易发生疲劳破坏。在钢管相贯节点的主管中填充混凝土是一种理想的加强方案。不仅能够保持钢管结构的建筑美观、施工方便,而且管内的混凝土提高了主管径向的刚度;混凝土在钢管的约束下处于多维受压状态,可以充分发挥混凝土的抗压性能。为此,混凝土加强钢管相贯节点这种加强方案很有实际工程的应用价值。目前,钢管混凝土相贯节点主要应用于海洋石油平台导管架管节点的修补、加固以及一些大跨度拱桥、平板式拱桥【】。尺型间隙节点 型搭接节点一一图.间隙节点与搭接节点 型节点 型节点第章绪论 型节点 型节点图.平面节点形式型节点 型型节点 型节点图.空间节点形式.钢

9、管相贯节点性能的研究进展.钢管相贯节点承载能力的研究进展直接相贯节点极限承载力的研究在国外开展得较早。年前西德就实施了钢管节点极限强度试验。年代美国开始进行钢管结构的节点研究,从第章绪论年代起,管节点的研究在许多国家广泛展开。年代末至年代初,一些规范开始将圆钢管节点的研究成果写入规范,并开始在工程设计中应用。年代起,鹫尾等人对型、型、型节点进行了比较系统的试验,提出了、型节点的强度计算公式,并在此基础上提出了型节点的强度计算公式。年,发表了关于型节点平面内弯曲的研究报告;年发表了轴力和双向弯矩作用下型节点的试验结果;年,整理了个型节点、个型节点和个型节点试验结果,采用回归方法得到了平面节点强度

10、计算公式,并指出由于节点形状的复杂,由纯理论分析方法估计节点极限承载力是不切实际的;年,.和.采用有限元方法,计算了型节点的极限承载力,考虑了搭接对承载力的影响。在空间节点方面,年,在其博士论文中发表了个空间型节点试验结果,指出与平面型节点破坏模式的区别;年,等实施了,丌型节点的试验;年,根据个空间节点的试验结果,使用多元回归方法得到了型和型空间节点的极限承载力公式,并给出了计算型节点承载力的强度修正系数【】:年,和通过建立非线性有限元模型计算了空间型节点的极限承载力。我国学者在钢管相贯节点的研究方面也做了大量的工作。陈继祖、陆化普在剖析各国规范极限承载力公式的基础上,结合我国的具体情况,提出

11、了建议的设计承载力公式【;丁芸孙对各国规范中相贯节点计算公式进行了比较,同时讨论对钢管焊接节点的多种加强措施【;陈以一、沈祖炎对大直径平面型节点的足尺试件进行了极限承载力试验,并提出了一个基于塑性极限理论的分析模型;童乐为、王斌进行了曲弦杆、型节点试验,探讨了主管曲率对节点极限承载力的影响;陈誉、赵宪忠对型搭接节点进行了试验和有限元分析,分析了隐藏焊缝对节点承载力的影响【】【】;陈以一、王伟研究了、型节点局部刚度问题,并对其他一些形式节点的抗弯刚度进行了试验和有限元分析【。还有许多的研究者采用试验或者有限元方法对各种形式的复杂节点进行了分析【】【,一定程度上了解了钢管焊接相贯节点的工作性能。对

12、钢管混凝土相贯节点的研究始于年海洋石油平台导管架管节点的修补和加固。等人对海洋平台灌浆型圆钢管相贯节点进行了试验研究,表明在轴向受拉荷载作用下,与空钢管试件相比,破坏形式类似,但极限荷载增加了%,轴向受压荷载作用下,发生支管破坏,未发生节点破坏【】;第章绪论年,.教授对型、型和间隙型矩形管相贯节点的承载力进行了试验研究,并提出了这几种节点的承载力计算公式【】;年,日本学者.对型圆钢管节点采用种不同加强方式下的极限承载力进行了试验,其中就包含了主管中填充混凝土的加固节点,其试验结果表明,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不明剧¨】。在我国,周

13、绪红等人对、型方钢管混凝土节点进行了试验和有限元分析,并与空钢管节点进行了比较,总结了、型方钢管混凝土节点的破坏模式】【】【。可以看出,无论国内还是国外,对钢管焊接节点的研究明显多于钢管混凝土焊接节点的研究,尤其是对圆钢管混凝土焊接节点还鲜有涉及。已有的成果都只有少量的试验,大部分是采用有限元方法进行分析,成果缺乏可靠的试验验证。.钢管相贯节点疲劳强度的研究进展钢管相贯焊接节点的疲劳性能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

14、,在不同阶段发表了一些纲领性的指导文献。有许多方法进行钢管焊接节点的疲劳强度,其中主要有冲剪法、破坏准则法、静力强度法、分类法、热点应力法等【。由于热点应力法只要依据节点的热点应力幅,由个别.曲线即可获得各自的疲劳寿命,因此已成为当前管节点疲劳性能最根本的分析方法。近多年来,基于热点应力法的圆钢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、澳大利亚的大学、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。在我国,上世纪年代上海交通大学在海洋平台管节点接头的应力方面做了大量的研究。陈铁云等人对型搭接管接头的应力进行了试验研究【,并对我国九十年代管节点接头应力分析的进展进行了

15、概括;陈伯真等人采用半解析法推导了型节点的局部柔度参数公式】。进入世纪后,国内更多的是第章绪论参考国外的研究方法,采用有限元的方法计算各类型管节点的应力集中系数。同济大学做了些圆管与方管、方管与方管连接的焊接节点研究】;烟台大学对删型、型节点焊缝周围应力分布规律及几何参数对应力分布的影响进行了有限元的分析口】【】【】。总的来说,研究的成果还比较少且不全面,研究集中在腭型、型节点方面,并且主要是通过有限元方法计算,而缺少试验数据作为佐证。归总国际、国内在钢管焊接节点应力集中方面研究成果,主要有】: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

16、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;“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。以上的成果主要集中的空钢管焊接节点上,钢管混凝土焊接节点疲劳性能的研究在国际上处于刚刚起步阶段。上世纪九十年代初,在海洋平台的钢管结构的研究中曾有人涉及灌浆钢管焊接节点的研究。但对钢管焊接节点进行灌浆,主要是为了对海洋平台的钢管节点进行修补或者加强,而没有将其作为一种更优的节点形式进行深入研究。年,.,.等人进行了灌浆钢管节点的疲劳性能和极限承载力性能的研究;年,.,.研究

17、了方钢管混凝土型节点在平面内弯矩作用下的疲劳性能【,证实主管中填充混凝土可以明显地减小节点区域的应力集中状况,提高型节点的疲劳寿命。在国内,广东省紫洞大桥在设计建造过程中,进行了钢管混凝土焊接节点的疲劳试验;年,艾智能在其硕士论文中对巫江大桥中的钢管混凝土节点进行了疲劳试验和有限元的分析【】;年,童乐为等人进行了圆钢管混凝土型节点在支管轴向拉力、轴向压力、平面内弯矩作用下的热点应力试验及轴向何载下的疲劳试验【】【】【】,同时还在进行主方支圆型钢管节点、钢管混凝土节点在支管轴向何载下的热点应力以及疲劳性能研究;同济大学与澳大利亚的大学合作,正在开展壁厚小于的薄壁钢管混凝土型节点疲劳性能的研究。第

18、章绪论课题研究内容选题背景钢管混凝土结构能够有效地发挥铡材和混凝土两种材料各自的优点,司时克服了纯钢管结构窖易发生局部屈曲的缺点,具有承载力高、抗震性能好、节约钢材和施工简捷等优点,因而在高层、高耸以及大跨度桥梁结构得到了同益广泛的应用,推广与发展速度十分迅猛。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有效经济有效的。而拱桥作为桥梁的基本型式之一,具有很高的美学价值和深厚的文化底蕴,在我国的公路、铁路以及市政工程中得到广泛的府用。钢管混凝士结构的出现,无疑给拱桥的发展注入了新的活力,它不但有效地提高了材料的承载能力,扩大了拱桥的使用范嗣,而且简化了施工方法。自年在四川省旺苍县建

19、成跨度为米的我国第一座钢管混凝土拱桥以来,我国已经建成了多座钢管混凝土拱桥,其中跨度在米以上的就有多座。年月建成的巫峡长江公路大桥,为钢管混凝土中承式拱桥,跨度达到米,成为世界上最大跨度的钢管混凝土拱桥图 。近年来,梁式桥中也开始采用钢管混凝土结构,同样取得了良好的经济效益,钢管混凝土空间桁架组合体系适用于多种桥型,如系杆拱桥结构干口大跨斜拉桥结构等罔 。呵见,钢管混凝土结构在土木工程中的应用具有良好的应用日景。图.巫峡长江公路大桥 图广东紫洞大桥然而,与钢管混凝土焊接结构大量应用于工程中相不协调的是对钢管混凝土焊接节点的研究还处于相对滞后的状态,没有可靠的设计依据使得结构在建第章绪论造的过程

20、中要么设计过于保守,要么存在安全隐患。对于桥梁和海洋平台结构来说,在日常车辆荷载和海浪荷载作用下的疲劳问题就是值得重视的问题之一。国内外大量的工程实践表明,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,钢管混凝土焊接节点在日常反复荷载的作用下,同样面临着严峻的疲劳破损的耐久性问题。由此,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的试验;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

21、果,但对钢管混凝土焊接节点的疲劳性能的研究却还很少。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,目前在国内外都是全新的、有待探索的课题。本文的所研究的内容是指导老师童乐为教授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希望通过部分试验,综合运用热点应力法和断裂力学裂纹扩展的方法去分析钢管混凝土焊接节点的疲劳强度、裂纹扩展的特性。本文研究内容的重点是在主管中填充混凝土的型焊接节点的热点应力,通过静力试验获得热点应力的大小、分布情况,掌握混凝土对节点部位应力集中状况的影响,为进一步疲劳强度的研

22、究打下基础。.研究内容本文设计了个平面型间隙圆钢管焊接相贯节点。主要进行三部分工作:首先进行了空钢管型节点在轴向荷载作用下的热点应力试验,获得了冠点、鞍点的热点应力和应力集中系数:与技术标准及其它研究者得到的公式计算值进行比较,探讨已有成果的可靠性与适用性;考察几何参数和加载方式对热点应力与的影响;完成空钢管型节点的热点应力试验后,在试件的主管中填充混凝土形成钢管混凝土型节点。采用与空钢管型节点热点应力试验相同的加载装置进行了钢管混凝土型节点在轴向荷载作用下的热点应力试验,将得到的热点应力和应力集中系数与空钢管型节点的试第章绪论验结果进行了比较,分析了混凝土对主管、支管应力集中状况的影响,考察

23、几何参数对的影响;完成热点应力试验后,对钢管混凝土型节点进行了极限承载力试验,了解钢管混凝土型节点在轴向荷载作用下的破坏过程;考察它们的破坏模式和极限承载力,并与节点相关的各种承载力计算值进行了比较,分析混凝土对型节点的破坏模式和极限承载力的影响。第章钢管焊接节点疲劳性能基础理论第章钢管焊接节点疲劳性能基础理论疲劳破坏是指钢材在连续反复荷载作用下,应力虽然还低于极限强度,甚至还低于屈服强度,就发生突然的断裂。疲劳破坏的过程包括了裂纹的形成、裂纹缓慢扩展与最后迅速断裂而破坏三个阶段。由于钢材内部总是存在着各种微小的缺陷,充当了疲劳破坏中的初始裂纹,因此疲劳破坏的过程主要是后两个阶段。疲劳裂纹的开

24、展始于应力高峰处。对于钢管焊接节点,节点区域构造复杂,会产生明显的应力集中现象。其中,几何构造引起的刚度不均匀、焊接导致的复杂应力分布是导致应力集中最主要的因素。高峰应力促使裂纹的扩展,剩余截面上的应力就增加,裂纹扩展的速率也就相应的增加,直到剩余截面面积不足以支持所加荷载的阶段,最后的断裂就产生了。疲劳设计一般采用法。其中为应力幅,即图.中的;为结构的疲劳寿命,即在给定的应力幅循环作用次后,结构发生疲劳破坏。不同的疲劳设计方法对应于不同的曲线,一般可以通过试验方法得到不同类型节点的曲线,然后按照不同的计算方法可以得到名义应力幅或者热点应力幅,再由对应的曲线得到节点的疲劳强度。图.应力幅与应力

25、比第章钢管焊接节点疲劳性能基础理论.钢管焊接节点疲劳强度的影响因素乜刀.焊缝形状的影响钢材之间的焊缝会导致形状和刚度的改变,当荷载垂直作用于焊缝的轴线方向时就会产生应力集中。因为焊趾是焊缝与母材的交界处,应力集中一般发生在焊趾处。焊趾处应力集中程度的大小取决于焊缝与母材的连接情况,如果焊缝与母材的连接是平缓的,应力集中情况则较小;反之,如果焊缝与母材的连接是急剧变化的,应力集中则较严重。角焊缝的应力集中程度比熔透焊缝更严重。任何焊缝连接区域都是应力集中区域,也就是潜在的疲劳裂缝开展的位置。此外,施焊时起落弧的位置也会导致应力集中。.应力比的影响应力比是指循环中绝对值最小的峰值应力民洒与绝对值最

26、大的峰值应力呱之比,即/嗽拉应力取正号而压应力取负号。反复荷载引起的应力循环形式有同号应力循环和异号应力循环两种类型。当时,为异号循环;当时,为同号循环;当,表示静荷载。每次应力循环都会导致疲劳裂纹的产生和扩展,而一般疲劳破坏都是拉应力导致,因此,对于相同的应力幅,拉压共存的应力循环,即异号循环比全拉应力的应力循环破坏程度小,疲劳寿命也就更长。.残余应力的影响钢管相贯焊接节点焊接后会产生较大的残余应力,残余应力是焊接加热及冷却过程中产生的。施焊时,焊缝及其周围区域的温度较高,而远离节点区域的温度则较低。焊缝在冷却的过程中自由收缩被周围钢材约束,为了满足协调变形,焊缝会产生残余变形。残余应力在母

27、材内部是自相平衡的,产生大小相等的拉、压应力。一般而言,残余压应力对节点的疲劳强度影响不大,而焊接过程产生的轴向残余拉应力会达到很大,甚至超过钢材的屈服强度。当承受疲劳荷载时,这些位置往往就成为初始裂缝形成、开展位置。第章钢管焊接节点疲劳性能基础理论.焊缝缺陷的影响焊缝缺陷包括未焊透、气孔、夹渣、未溶合、裂纹、咬边等。在静力加载试验中,抗拉强度对于出现的缺陷是极不敏感的,相对地可以说缺陷是无害的。但在交变荷载条件下,因为缺陷会形成应力集中,对静力强度极少或根本不产生影响的缺陷就可能在非常低的外加应力作用下引起疲劳破坏。.钢管焊接节点疲劳设计方法进行钢管焊接节点的疲劳设计有许多种方法,其中包括分

28、类法、热点应力法、断裂力学法、冲剪法、破坏准则法及静力强度法。.分类法分类法是基于名义应力的方法,因此也被称为名义应力法。名义应力即采用梁理论计算得到的应力,对于不同荷载,名义应力分别为:亿?,争妒铥,告其中为乞轴力,%为平面内弯矩,为平面外弯矩为截面积,为平面内截面抗弯模量,呢。为平面外截面抗弯模量。分类法的特点是名义应力的计算简单,但进行疲劳评估时,使用的曲线必须和验算部位的特定构造相对应。显然,对每一种结构形式都进行试验以确定相应的曲线是不现实也不需要的。因此,将类似的构件归并为一组,选用一条曲线,这样疲劳强度分布在很大范围内的节点被归为一类,就势必造成分类很粗糙。.热点应力法热点应力法

29、采用热点应力幅而非名义应力幅来评估结构的疲劳寿命,直接考虑了节点焊缝周围应力的不均匀分布。所谓热点应力,又称为结构应力,是最大的几何应力,一般在焊趾处,由于疲劳裂纹经常发生在这里,故称之为“热点。热点应力包括了节点几何构造因素和荷载形式的影响,但排除了焊缝外形第章钢管焊接节点疲劳性能基础理论凸、凹角,咬边、焊趾半径等的影响,如图.所示。热点应力方法有以下一些优点:直接考虑了节点焊缝周围的不均匀应力分布;不同类型的钢管节点可以采用相同的曲线进行疲劳分析,仅依赖于破坏杆件的壁厚具有不同焊缝截面和焊趾条件的节点可以采用相同的曲线,因为热点应力排除了焊缝外形及缺陷的影响。由焊缝形状及缺陷引起的应力增长

30、最大几何节引 点起 几的相应嗽艚臌帐 变长应力峰值热点应力名赃勘力士主管管壁图.热点应力示意图在热点应力法中定义应力集中系数 :丁,?竖.吒硎其中%.,为热点应力,堋为名义应力。应力集中系数是与节点几何构造相关的系数,因此可以表达成由无量纲几何参数组成的方程。当进行钢管相贯焊接节点的疲劳设计时,可以先由节点的几何尺寸计算无量纲参数,然后由应力集中系数方程得到,再将得到的乘以名义应力即可以得到热点应力,最后根据曲线获得设计节点的疲劳寿命。可以发现,热点应力法的关键是确定各种荷载作用下的应力集中系数的方程。一般可以通过试验或者有限元计算,采用上述方法获得多个试件或模型的热点应力及应力集中系数,然后

31、采用参数回归分析得到方程。热点应力的定义还存在分歧。一般有三种方法定义热点应力:第章钢管焊接节点疲劳性能基础理论定义距离焊趾一定距离一点的应力作为热点应力;选择距离焊趾一定距离的两个点,采用线性外推的方法得到热点应力;选择距离焊趾一定距离的多个点,采用线性外推或者二次外推的方法得到热点应力。采用外推点的何种应力进行外推也存在着分歧。现在主要有两种方法:外推点的最大主应力和外推点垂直于焊趾方向的应力。、采用最大主应力,而、采用垂直于焊趾方向的应力。根据、等人的研究发现,焊趾附近的最大主应力方向与垂直于焊趾的方向比较接近,因此两种应力的差别不大。而垂直于焊趾方向的应变可以方便的用单向应变片测得,而

32、主应变则需要用三向应变片测量得到。明显地,采用垂直于焊趾方向的应力更加方便、简单。图.外推方法示意图表.外推区域主管 支管鞍点 冠点 鞍点 冠点. .?% .?.?.? .?.一.血 .?.?.岛.一 .一注:、一主管、支管的管壁厚度、一主管、支管的半径、。曲最小值为,删。最小值为,曲.?第章钢管焊接节点疲劳性能基础理论相比较而言,采用多点测量应力应变定义热点应力应变更加科学合理。在距离焊趾一定距离的管壁上测量若干点沿垂直焊趾方向的应力应变,采用线性外推或者二次外推方法得到焊趾处的热点应力应变,如图.所示。为了排除焊缝的影响,同时又能够包含几何构造的影响,测点的位置必须控制在一定区域图.中.疵

33、与,一。对外推区域取值的建议如表.所示。通过以上论述,可以将热点应力法进行疲劳设计总结成以下几个步骤:通过结构分析得到主管和支管的轴力、平面内弯矩、平面外弯矩;由式.计算相应的名义应力幅;由应力集中系数方程计算;由式.计算热点应力幅;根据相应的曲线计算节点的疲劳寿命。.断裂力学法断裂力学法用来预测带有初始裂纹结构的剩余疲劳寿命的方法。最主要的预测参数是应力强度因子。裂纹随着循环次数增大而进行稳定扩展以及最终发生断裂时裂纹的临界尺寸,均可由裂纹尖端处应力强度因子的幅值加以确定。裂纹扩展速率与应力强度因子幅值的关系可以写出著名的公式:一:必,应力强度因子幅:。一和为材料的裂纹扩展参数,可用试验方法

34、获得。利用公式:旦似“可以得到表面裂纹由初始深度扩展至某临界值如穿透管壁,所经过的循环次数寿命。断裂力学法的优点在于能够将焊缝的形状平、凹或凸及焊趾局部条件焊趾半径、缺口等都考虑进去。采用这种方法最主要的问题是裂纹的开展很复杂,无论是试验方法还是计算分析方法,都难以准确的了解、模拟裂纹开展的过程。第章钢管焊接节点疲劳性能基础理论.其他方法除了上述三种方法外,不同时期的研究者还提出了其它的方法:冲剪法:冲剪法与分类法类似,不同的是冲剪法是以剪应力幅而不是名义应力幅计算构件的疲劳寿命。破坏准则法:破坏准则法提供了名义应力幅或者最大应力幅与节点几何构造及荷载关系的图表,这种方法只适合用于一定参数范围

35、内特定节点。静力强度法:静力强度法将节点的疲劳性能和静力性能联系在一起。在一定的参数范围内,这样的关系是可以获得的。但是,节点的静力性能更多的依赖于总体的强度,并且允许应力重分布,而对于一个强度很高的节点,如果局部较弱,它的疲劳性能将很弱。因此,静力强度法适合运用于初步设计。第章空钢管型焊接节点的热点应力试验研究第章空钢管型焊接节点的热点应力试验研究.试验目的本章进行了个空钢管型焊接节点 ,的热点应力试验。试验采用自平衡反力装置对试验节点施加轴力,分别测量了四个荷载级别下,主管和支管的冠点、鞍点垂直于焊趾方向的应变分布,并采用线性,外推的方法获得焊趾处的热点应变及应变集中系数,再根据应变集中系

36、数与应力集中系数关系,得到应力集中系数。通过试验,我们期望达到以下一些目的:了解空钢管型节点在轴力作用下冠点、鞍点的大小及最大位置;考察空钢管型节点冠点、鞍点的随几何参数变化的规律,分析不同几何参数对的影响;将试验结果与技术标准及其他研究者得到的回归公式的计算结果进行比较,检验已有成果的适用性;考察主管上不同加载方式对是否有影响;为下一步在主管中填充了混凝土的钢管混凝土型焊接节点的热点应力试验做准备,空钢管型焊接节点的热点应力试验结果将与钢管混凝土型焊接节点的热点应力试验结果进行比较,考察混凝土对型节点焊缝周围应力集中状况的影响。.热点应力试验方案.试件设计由于本次课题的研究重点在于钢管混凝土

37、型节点的热点应力,空钢管节点的热点应力试验是为了能够通过两者的比较,更好地了解混凝土对型节点热点应力与应力集中状况的影响;而国内外在钢管混凝土型节点热点应力方第章空钢管型焊接节点的热点应力试验研究面的研究甚少,因此,在试件设计上,我们从最简单的节点形式入手,设计了个支管相同、支管与主管夹角均为。且无偏心的型节点,图.是试验节点的典型形式。为了排除端部约束条件对节点区域的影响,主管长度取主管直径的倍,支管长度取支管直径的倍。试件的具体试件尺寸参见附录。点一刁、弓/、点 。?。?主管夕/ /厂/图.圆钢管型节点表.列出了试验节点的几何尺寸及无量纲参数,表中参数的定义如图.所示。参数范围的选择主要考

38、虑了实际工程的应用情况、市场上钢管规格提供情况以及参考规定的参数范卧】。为了分别考察无量纲参数、对应力集中系数的影响,个试件可以分为三组:、为第组,保持,、不改变,考察的影响;试、件、为、为第组,保持、不改变,考察丫的影响;为第组,保持、丫不改变,考察的影响。表.试验节点尺寸与参数第章空钢管型焊接节点的热点应力试验研究.加载方案试验采用图.方式加载。通过连系梁将两个三角支架连接成为一个自平衡反力架,试件的一根支管通过销轴与反力架连接,另一根支管通过弧形板与反力架接触。当千斤顶对主管的一端施加轴力时,支管。受拉,支管。受压。由于加载装置是静定结构,可以保证主管、支管处于轴心受力状态。对试件、,还

39、采用了图.所示的加载方式进行了试验,即通过拉力套对主管的一端施加拉力,支管的受力状态不变。通过比较两种不同加载方式下试验节点的热点应力和应力集中系数,考察主管上的加载方式对热点应力和应力集中系数的影响。试验时,千斤顶荷载分、四个级别,分别进行数据采集,以保证得到准确、可靠的试验数据。图.为试验实景图。?.一.弧戈压,千斤顶寸口/、, 主管受压装置示意图主管受拉装置示意图图.试验加载装置示意图第章空钢管型焊接节点的热点应力试验研究耵主管受压加载 巾土管受压拉加载图.试验宴景图测试方案试验的测试系统分为两部分:一是布置在主管和支管上远离节点区域的单向应变片以下简称单向片;二是布置在焊缝周闱的梯度应

40、变片以下简称梯度片。试验的测试方案如图 所示。相贯线处梯度片布置”图.应变片布置图第章空钢管型焊接节点的热点应力试验研究在主管和支管远离节点区域的截面上分别布置了片单向片,如图.中一、.、.剖面图所示。当施加的轴力准确时,片单向片的应变应相等,由测量的应变反算得到的轴力应与施加的轴力相同。因此,单向片可以检验加载系统是否工作正常,施加的荷载是否偏心,同时还可以获得计算应力集中系数时的名义应力。表.试验节点主管、支管名义应力理论值与试验值比较试件 主管荷载 主管名义应力主管名义应力百分比 支管荷载 支管名义应力支管名义应力 百分比编号理论叼 理论值 试验值 % 理论 理论值 试验值 %. . .

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

42、 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .注:表中百分比%一列指名义应力理论值与试验值的差值百分比,即理论值试验值/理论值第章空钢管型焊接节点的热点应力试验研究表.列出了主管、支管的名义应力理论值与试验值。表中主管荷载的理论值指得是施加在主管上的千斤顶荷载,而主管上名义应力的理论值,即为主管荷载的理论值除以主管的面积得到;支管荷载的理论值则是根据平衡条件,由千斤顶荷载求出,即千斤顶荷载的/倍,支管上名义应力的理论值,则是由支管荷载的理论值除以支管的面积得到。主管、支管名义应力试验值则分别由主管和支管上的个单向片测量的轴向应变的平均值,根据应力应变关

43、系伊计算得到的轴向应力。由平衡关系可知,受拉支管与受压支管的名义应力绝对值应该是相等的。而实际上,对于名义应力试验值而言,由于试验过程中存在的误差,受拉支管和受压支管的名义应力试验值是不完全相等的,图.将两者进行了比较,可以看到,两者的差别不大。因此,表.中支管的名义应力试验值采用了受拉支管与受压支管名义应力绝对值的平均值,在之后计算应力集中系数时使用的支管名义应力试验值就是表.中的值。从表.及图.、可以看出,总的来说,主管和支管的名义应力理论值与试验值还是比较接近的。除个别点偏离等值线外,大部分数据点均在等值线附近,两者的差值在%之内。因此,可以认为试验过程中,加载系统能够较为准确地对试件施

44、加预期的荷载,保证试验结果的准确性、可靠性。曲鲐、椰鲫珊孙瑚苫划繇罐趟钗弭缸删 至增静画氆域驿缸似前兮室一靼翻嫡镯钗摊瓤似出烈;.十,., 柏 渤笛 受拉支管名义应力试验值丑 主管名义应力理论值 支管名义应力理论值名义应力试验值与理论值比较名义应力试验值比较 名义应力试验值与理论值比较图.空钢管试验节点名义应力比较在第.节提到,热点应力应变有两种定义方法,其中由于在冠点、鞍点处最大主应力最大主应变方向与垂直于焊趾方向的应力应变比较接近,而垂直于焊趾的方向更容易测量,因而被广泛应用。本次试验的测量方案采用的即是这种方法。在主管和支管的焊缝周围各布置了片梯度片,如图.的第章空铜管型焊接节点的热点应

45、力试验研究剖面所示。考虑到试验设备的限制及以往的研究成果,梯度片仅布置在冠点和鞍点,这些点般是最大应力集中位置。梯度片是由片单向片特制的应变片,用以测量沿某一方向的应变分布,如图.所示。将梯度片贴在合理的外推区域内,获得四个点的应变,采用外推方法可以得到焊趾处的热点应变和虑变集中系数。应变集中系数与应力集中系数之间存在一定的比例关系,根据咀往的研究表明,对于圆钢管节点,它们之问有 。本次试验中采用平均值,即。图.梯度应变片示意图热点应力试验结果外推方法的选择热点应力指的是钢管节点中某个位置最大的几何应力,一般是位于焊趾处。由于焊趾处的应力包含了焊缝缺陷的影响,无法直接测得几何应力。因此,为了排

46、除焊缝缺陷的影响, 般在距离焊趾定范围内测量应力,然后采用合适的外推方法得到焊趾处的应力。技术标准中规定圆钢管节点的外推区域如表 所示。虽然钢管混凝土节点外推区域的合理范围还没有可参照的标准,但容易理解的是,焊缝缺陷的影响对空钢管节点和钢管混凝土节点应该是一样的。因此,在本次试验中,的取值范围。外推区域的确定仍然参照表试验中,由梯度片获得垂直于焊趾方向的应变分布后,可以采用外推方法获得焊趾处的热点应变。外推方法一般有线性外推和二次外推两种方法,如图第章空钢管型焊接节点的热点应力试验研究.所示,当节点区域非线性较明显时应采用二次外推方法,而非线性不明显时,则可以采用线性外推方法。由于线性外推方法

47、比二次外推方法更加简单方便,当两种方法的外推结果差别不大时,可以优先考虑采用线性外推方法。文献指出,对于圆钢管间隙节点,线性外推与二次外推结果的差别是可以忽略的。为了验证两种外推方法在本次试验结果中的差别,对个空钢管节点试件共个测点采用两种外推方法获得的进行了比较,如图.所示。一憋¨一函线性图.外推方法示意图 图.外推方法比较图.中,虚线表示由两种外推方法得到的相等。图中可以看出,除了个别数据点偏离图中虚线外,大部分数据点均在虚线上或者两侧附近。在个测点中,有个测点%采用两种外推方法获得的差别小于%,这说明对大部分测点来说,采用线性外推方法和二次外推方法获得的差别不大。因此,本次空钢

48、管型节点试验的热点应力和应力集中系数均采用线性外推方法获得。.名义应力的选取试验获得热点应力之后,我们采用应力集中系数来反映钢管节点焊缝周围的应力集中情况。应力集中系数按照下式计算:?.%其中代表热点应力,%代表名义应力。第章空钢管型焊接节点的热点应力试验研究在技术标准中】,将圆钢管型节点的外力分解为两种工况,如图.所示:觚工况:平衡轴力。 工况:主管荷载轴力与弯矩图.圆钢管型节点荷载分解当型节点处于复杂荷载作用下时,可以将荷载分解为图.所示的两种荷载工况,分别计算主管和支管的热点应力,然后将两种工况下的热点应力相加即得到总的热点应力。计算热点应力时,需要分别知道两种工况下主管和支管的名义应力

49、和。中给出了主管、支管在两种工况下对应的计算公式和图表。工况下无论主管还是支管,名义应力均取支管的轴向应力,即:?吒,甜%,戤一一百/工况下主管的名义应力取主管的轴向应力,支管上名义应力为零,即:冬管。因此,主管上总的热点应力即为:.%.甜?饵,戗吒,第章空钢管型焊接节点的热点应力试验研究支管上总的热点应力为:.%,%,甜?吒,饿按照的上述方法,本次试验的圆钢管型节点可以分解为如图.所示的情况:甾卜警互¨一仝刍一墨对于支管而言,由于况下会产生热点应力,即总的热点应力就是况下的热点应力。因此,支管按照式.计算即可:呱石对于主管,由于试验中获得的是在两种工况下总的热点应力%.,无法分别得

50、到工况与工况荷载下的热点应力。因此,计算应力集中系数时,采用什么应力作为名义应力是合理的值得商榷。参照的方法,认为试验节点主管上的热点应力由两部分组成,如式.所示。定义主管应力集中系数:.归趿一芒职,根据式.、.可得:趵 、 。%,蕊 , 七芒赣击可以看到,仅与节点的几何参数有关。由式.定义应力集中系数比值:、 .硒后面。戚 蕊第章空钢管型焊接节点的热点应力试验研究根据对型圆钢管节点主管的计算公式可以得到两种荷载工况下主管的应力集中系数趿,和?呱,西,并定义他们的比值:刀?上. 、 ,刀恶一在式.中:吒.“一工况下主管的名义应力%.甜一工况下支管的名义应力吒.。一工况下主管的名义应力%.。一工

51、况下支管的名义应力双珥.麟一工况下主管的应力集中系数双一工况下主管的应力集中系数双珥.埘一试验节点主管总应力集中系数鼢;一支管的应力集中系数一主管面积以一支管面积试验节点对应的从刀、如表.所示。表.试验节点、刀、取值从表.中的值可以看出,采用上述方法定义的试验节点主管应力集中系数,埘与工况下主管应力集中系数%,矗较接近,比值范围在.之间,这说明主管的应力集中主要是由工况的荷载即支管轴力蚴.第章空钢管型焊接节点的热点应力试验研究导致。为了进一步验证主管在工况荷载作用下产生的热点应力很小,相对于工况荷载作用下产生的热点应力可以忽略,采用有限元软件对试件在两种荷载工况作用下分别进行了计算,得到了主管冠址