一種確定全焊桁架橋疲勞抗力的方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于焊接鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞分析領(lǐng)域，尤其涉及一種確定全焊桁架橋疲勞抗力的方法，首先采用理論方法確定所研究疲勞細(xì)節(jié)的疲勞曲線，再通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)疲勞曲線進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)疲勞細(xì)節(jié)處的疲勞曲線進(jìn)行修正，最后整理得到疲勞細(xì)節(jié)處的疲勞抗力。通過將本檢測(cè)方法與疲勞荷載作用效應(yīng)分析相結(jié)合可用于全焊桁架橋的抗疲勞設(shè)計(jì)以及疲勞壽命評(píng)定。本技術(shù)方案的其優(yōu)勢(shì)在于：相對(duì)純理論方法，分析結(jié)果的精度高，而相對(duì)純?cè)囼?yàn)方法則整個(gè)工作過程的投資少，是一種兼顧精確性和經(jīng)濟(jì)性的疲勞抗力評(píng)估方法。
【專利說明】
一種確定全焊桁架橋疲勞抗力的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于焊接鋼結(jié)構(gòu)橋梁的疲勞分析領(lǐng)域，尤其涉及一種確定全焊桁架橋疲勞抗力的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋼橋由于其重量輕、跨越能力大、加工制造方便，自改革開放后得益于鋼材產(chǎn)量與質(zhì)以及加工制造藝的提升，我國(guó)建造了為數(shù)眾多的公路、鐵鋼橋。但是，在大規(guī)模建設(shè)背后隱藏著的弊病，目前表現(xiàn)最為突出的是鋼橋焊接節(jié)點(diǎn)的疲勞裂紋，疲勞裂紋的出現(xiàn)擴(kuò)展斷裂可能導(dǎo)致承載力超限甚至結(jié)構(gòu)徹底破壞，因這種破壞一般為突發(fā)性的，極易造成重大事故和人員損傷。
[0003]材料的疲勞過程極為復(fù)雜，到現(xiàn)在也沒有完全弄清楚其形成。構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度一般指材料抵抗外加循環(huán)載荷作用而不產(chǎn)生裂紋(或無(wú)裂紋擴(kuò)展)的能力，并以所能承受的載荷(一般為應(yīng)力幅A σ)的大小和相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)N表示。評(píng)估結(jié)構(gòu)構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度的一種常見方法是根據(jù)規(guī)范提供的S-N曲線確定設(shè)計(jì)疲勞壽命對(duì)應(yīng)的應(yīng)力幅△ σ。由于不同接頭形式(通常稱為疲勞細(xì)節(jié))的疲勞壽命是不同的，即使規(guī)范中提供了很多類型的S-N曲線依然不能涵蓋所有的疲勞細(xì)節(jié)。
[0004]由于疲勞破壞對(duì)構(gòu)件的局部細(xì)節(jié)應(yīng)力很敏感，因此學(xué)者們提出了疲勞局部分析方法。疲勞局部分析方法一般指基于局部應(yīng)力或應(yīng)變參數(shù)的強(qiáng)度評(píng)估，其考慮材料疲勞的局部損傷過程(即循環(huán)裂紋萌生、循環(huán)裂紋擴(kuò)展和最終斷裂)。疲勞局部分析方法有缺口應(yīng)力法、缺口應(yīng)變法、裂紋擴(kuò)展法、缺口應(yīng)力強(qiáng)度因子法等。其中局部應(yīng)力法考慮焊趾處的應(yīng)力，對(duì)于每類焊縫均有對(duì)應(yīng)的S-N曲線。而“缺口應(yīng)力法”或“缺口應(yīng)變法”則直接針對(duì)缺口內(nèi)的最大應(yīng)力進(jìn)行分析，只有一條S-N曲線。然而采用以上方法進(jìn)行疲勞分析需要首先確定局部應(yīng)力或缺口應(yīng)力。目前在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍采用的材料力學(xué)方法無(wú)法滿足計(jì)算局部應(yīng)力或缺口應(yīng)力的需要，而精度更高的實(shí)體有限元方法也不能完全達(dá)到設(shè)計(jì)或評(píng)估所需要的精度要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種確定全焊桁架橋疲勞抗力的方法，以解決上述【背景技術(shù)】中提出的無(wú)法滿足分析需要的問題。
[0006]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn):本發(fā)明提供一種確定全焊桁架橋疲勞抗力的方法，其特征在于:包括以下步驟:
[0007]第一步，建立鋼桁架橋梁?jiǎn)卧Ｐ?，通過加載規(guī)范中給定的疲勞荷載確定待分析焊接接頭處的內(nèi)力；
[0008]第二步，采用體單元建立待分析焊接疲勞接頭的空間實(shí)體有限元模型，按之前梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算得的實(shí)際受力情況對(duì)接頭處進(jìn)行加載；
[0009]第三步，按照實(shí)際設(shè)計(jì)圖紙的要求，加工一個(gè)包含待分析接頭的足尺模型，接頭材料、焊接方式、焊劑等應(yīng)與設(shè)計(jì)完全相符；
[0010]第四步，采用無(wú)損方法測(cè)定足尺模型上待分析接頭焊縫的表面殘余應(yīng)力，同時(shí)采用無(wú)損檢測(cè)方法測(cè)定足尺模型上待分析焊縫附近的施工缺陷，將以上兩種檢測(cè)結(jié)果考慮到有限元實(shí)體模型中去；
[0011]第五步，采用第一步計(jì)算出來的內(nèi)力作為荷載對(duì)足尺模型施加靜載，同時(shí)測(cè)量焊縫缺陷處的應(yīng)力實(shí)際應(yīng)力，若檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)缺陷，則測(cè)量整個(gè)焊縫長(zhǎng)度上的應(yīng)力，并找出最大值，將測(cè)得的應(yīng)力與實(shí)體有限元模型算得的應(yīng)力進(jìn)行比較，對(duì)實(shí)體有限元模型進(jìn)行修正；
[0012]第六步，光彈性試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力除以按材料力學(xué)算得的焊縫處應(yīng)力，即為該焊接細(xì)節(jié)處的缺口應(yīng)力集中系數(shù)；在實(shí)體有限元模型中沿待分析焊縫改變施工缺陷的位置，可以算得一系列的缺口應(yīng)力集中系數(shù)，記其中的最大值為K。按下式計(jì)算待分析焊縫疲勞細(xì)節(jié)的疲勞曲線:
[0013]NKmAom=C
[0014]式中:N為疲勞壽命；1(為通過實(shí)測(cè)和有限元分析得到的缺口應(yīng)力集中系數(shù);111和C為規(guī)范中提供的缺口應(yīng)力疲勞曲線參數(shù)，C = 2.278E13，m = 3。
[0015]第七步，對(duì)足尺試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得到一個(gè)(△ σ，N)數(shù)據(jù)點(diǎn)，如果該數(shù)據(jù)點(diǎn)位于第六步公式曲線上方，則第六步公式即為所需的桁架橋焊縫細(xì)節(jié)疲勞抗力。如果該數(shù)據(jù)點(diǎn)位于第六步公式下方，則需將第六步公式在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上平移至數(shù)據(jù)點(diǎn)處，修正后的第六步公式即為所需的桁架橋焊縫細(xì)節(jié)疲勞抗力。
[0016]本發(fā)明的有益效果為:
[0017]通過將本檢測(cè)方法與疲勞荷載作用效應(yīng)分析相結(jié)合可用于全焊桁架橋的抗疲勞設(shè)計(jì)以及疲勞壽命評(píng)定。本技術(shù)方案的其優(yōu)勢(shì)在于:相對(duì)純理論方法，分析結(jié)果的精度高，而相對(duì)純?cè)囼?yàn)方法則整個(gè)工作過程的投資少，是一種兼顧精確性和經(jīng)濟(jì)性的疲勞抗力評(píng)估方法。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明方法原理:利用有限元模擬得到擬分析疲勞細(xì)節(jié)的初步資料，再用足尺模型試驗(yàn)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正提高分析結(jié)果的精度。本發(fā)明的步驟如下:首先采用理論方法確定所研究疲勞細(xì)節(jié)的疲勞曲線，再通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)疲勞曲線進(jìn)行檢驗(yàn)，并對(duì)疲勞細(xì)節(jié)處的疲勞曲線進(jìn)行修正，最后整理得到疲勞細(xì)節(jié)處的疲勞抗力。
[0019]本發(fā)明技術(shù)方案表征為:
[0020]一種確定全焊桁架橋疲勞抗力的方法，充分利用了所有焊縫細(xì)節(jié)在其焊縫局部缺口處有且僅有一條疲勞曲線的特點(diǎn)，只要建立了缺口處熱點(diǎn)應(yīng)力與遠(yuǎn)場(chǎng)名義應(yīng)力間的對(duì)應(yīng)關(guān)系(缺口處應(yīng)力集中系數(shù))，就可以由缺口處疲勞曲線推導(dǎo)得到基于遠(yuǎn)場(chǎng)應(yīng)力的對(duì)應(yīng)于該桁架焊接節(jié)點(diǎn)的疲勞曲線。由于現(xiàn)有有限元計(jì)算精度和計(jì)算方法以及材料檢測(cè)能力和精度的局限，采用足尺試驗(yàn)方法從以下幾個(gè)方面對(duì)有限元方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充完善，從而提尚了計(jì)算精度:
[0021]I用足尺試件實(shí)測(cè)的結(jié)構(gòu)尺寸和缺陷形狀代替有限元模型中虛構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸和缺陷形狀；
[0022]2用實(shí)測(cè)殘余應(yīng)力分布代替虛構(gòu)假設(shè)的殘余應(yīng)力分布；
[0023]3用實(shí)測(cè)的缺口應(yīng)力集中系數(shù)校核有限元計(jì)算得到的缺口應(yīng)力集中系數(shù)；
[0024]4用實(shí)測(cè)構(gòu)件疲勞壽命校核根據(jù)理論推導(dǎo)算得的疲勞壽命曲線。
[0025]本方法中所用的足尺試件按實(shí)際橋梁的加工方式制造，試驗(yàn)過程中需用到超聲相控陣儀、有限元模型可采用常見的商用有限元軟件，下面對(duì)本檢測(cè)方法的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的闡述:
[0026](I)鋼桁架橋梁?jiǎn)卧Ｐ偷慕?br>[0027]采用梁?jiǎn)卧M桁架桿件對(duì)全焊桁架橋進(jìn)行有限元模型建模:各梁?jiǎn)卧孛鎺缀螀?shù)按設(shè)計(jì)截面確定，梁?jiǎn)卧诠?jié)點(diǎn)處的約束按固結(jié)處理，桁架與橋墩間的約束按實(shí)際情況處理，桁架橋疲勞荷載按規(guī)范加載，并算出與關(guān)注全焊節(jié)點(diǎn)相連的各桁架單元的桿端內(nèi)力。
[0028](2)建立實(shí)體有限元模型
[0029]采用實(shí)體單元(可模擬彈性受力的實(shí)體單元較多，但以20節(jié)點(diǎn)等參元為宜)按照所分析節(jié)點(diǎn)的實(shí)際圖紙結(jié)構(gòu)建模。對(duì)該節(jié)點(diǎn)相連各桿做如下約束處理:對(duì)離所關(guān)注疲勞細(xì)節(jié)最遠(yuǎn)的桿件在桿端將截面上各節(jié)點(diǎn)6個(gè)方向自由度完全固結(jié)，對(duì)其他桿件在端部按第一步梁?jiǎn)卧Ｐ偷玫降臈U端內(nèi)力在各節(jié)點(diǎn)分配加載。建模中應(yīng)確保所分析焊縫處網(wǎng)格的密度，由于需要模擬缺口應(yīng)力集中，所以在焊縫厚度方向上至少應(yīng)由5層單元。
[0030](3)加工足尺模型試件
[0031]加工所關(guān)注節(jié)點(diǎn)的足尺模型試件I個(gè)。試件的材料、規(guī)格、焊接方式、焊縫位置以及施工中的相關(guān)處理工作(如焊后打磨)等應(yīng)與施工工藝及設(shè)計(jì)要求以相符。但試件設(shè)計(jì)允許考慮加載設(shè)備等的影響對(duì)與分析節(jié)點(diǎn)相連的各桿件的遠(yuǎn)端進(jìn)行加寬加厚處理以便于安裝和連接。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮后期對(duì)模型進(jìn)行靜力加載以及疲勞加載時(shí)千斤頂或疲勞作動(dòng)器與試件間的連接方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0032](4)無(wú)損檢測(cè)與靜載試驗(yàn)
[0033]分別對(duì)足尺模型中所關(guān)注的焊縫進(jìn)行以下項(xiàng)目的檢測(cè):
[0034]a)表面殘余應(yīng)力檢測(cè)(建議采用X射線衍射法);
[0035]b)焊縫形狀檢測(cè)(建議目檢配合游標(biāo)卡尺測(cè)量);
[0036]c)焊縫缺陷檢測(cè)(建議超聲相控陣掃描)
[0037]按照第(I)步梁式模型算得的荷載對(duì)足尺模型加載，并測(cè)量焊縫缺口處的實(shí)際應(yīng)力值(建議采用光彈性試驗(yàn)測(cè)量)。用實(shí)測(cè)的表面焊接殘余應(yīng)力、焊縫形狀、焊縫缺陷對(duì)實(shí)體有限元模型進(jìn)行修正，并按修正后的模型計(jì)算所關(guān)注焊縫缺口處的最大拉應(yīng)力，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，如果兩個(gè)結(jié)果相差10%以上，則需要考慮造成偏差的原因，并對(duì)有限元模型進(jìn)行修正。
[0038](5)推導(dǎo)疲勞抗力曲線
[0039]按照實(shí)測(cè)局部應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)規(guī)范疲勞曲線進(jìn)行修正，修正公式如下:
[0040]NKmA Om=C (I)式中:N為疲勞壽命；1(為通過實(shí)測(cè)和有限元分析得到的缺口應(yīng)力集中系數(shù)仰和C為規(guī)范中提供的缺口應(yīng)力疲勞曲線參數(shù)，C = 2.278E13，m = 3。
[0041 ] (6)疲勞試驗(yàn)并修正疲勞抗力曲線
[0042]對(duì)足尺疲勞試件進(jìn)行疲勞試件，直到檢測(cè)發(fā)現(xiàn)所關(guān)注的疲勞細(xì)節(jié)出現(xiàn)疲勞裂紋。疲勞試驗(yàn)所施加的荷載應(yīng)確保整個(gè)結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)，且疲勞試驗(yàn)中施加于足尺試件各桿端上的疲勞荷載分配應(yīng)嚴(yán)格按照第(I)部中梁?jiǎn)卧Ｐ椭兴愕玫钠诤奢d分配。記錄試驗(yàn)停止時(shí)足尺試件的疲勞壽命，并與公式(I)中的曲線一同繪制于分別以疲勞壽命和應(yīng)力幅為坐標(biāo)軸的雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖中，如果疲勞壽命點(diǎn)位于曲線以下，則需要將曲線平移到坐標(biāo)點(diǎn)位置，重新對(duì)該疲勞曲線進(jìn)行修訂，如果疲勞壽命對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)在曲線之上，則不需要對(duì)疲勞曲線進(jìn)行修訂。
[0043]利用本發(fā)明所述的技術(shù)方案，或本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明技術(shù)方案的啟發(fā)下，設(shè)計(jì)出類似的技術(shù)方案，而達(dá)到上述技術(shù)效果的，均是落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種確定全焊桁架橋疲勞抗力的方法，其特征在于:包括以下步驟: 第一步，建立鋼桁架橋梁?jiǎn)卧Ｐ?，通過加載規(guī)范中給定的疲勞荷載確定待分析焊接接頭處的內(nèi)力； 第二步，采用體單元建立待分析焊接疲勞接頭的空間實(shí)體有限元模型，按之前梁?jiǎn)卧Ｐ陀?jì)算得的實(shí)際受力情況對(duì)接頭處進(jìn)行加載； 第三步，按照實(shí)際設(shè)計(jì)圖紙的要求，加工一個(gè)包含待分析接頭的足尺模型，接頭材料、焊接方式、焊劑等應(yīng)與設(shè)計(jì)完全相符； 第四步，采用無(wú)損方法測(cè)定足尺模型上待分析接頭焊縫的表面殘余應(yīng)力，同時(shí)采用無(wú)損檢測(cè)方法測(cè)定足尺模型上待分析焊縫附近的施工缺陷，將以上兩種檢測(cè)結(jié)果考慮到有限元實(shí)體模型中去； 第五步，采用第一步計(jì)算出來的內(nèi)力作為荷載對(duì)足尺模型施加靜載，同時(shí)測(cè)量焊縫缺陷處的應(yīng)力實(shí)際應(yīng)力，若檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)缺陷，則測(cè)量整個(gè)焊縫長(zhǎng)度上的應(yīng)力，并找出最大值，將測(cè)得的應(yīng)力與實(shí)體有限元模型算得的應(yīng)力進(jìn)行比較，對(duì)實(shí)體有限元模型進(jìn)行修正； 第六步，光彈性試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力除以按材料力學(xué)算得的焊縫處應(yīng)力，即為該焊接細(xì)節(jié)處的缺口應(yīng)力集中系數(shù)；在實(shí)體有限元模型中沿待分析焊縫改變施工缺陷的位置，可以算得一系列的缺口應(yīng)力集中系數(shù)，記其中的最大值為K。按下式計(jì)算待分析焊縫疲勞細(xì)節(jié)的疲勞曲線:NKmA O m= C ； 第七步，對(duì)足尺試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得到一個(gè)(Λ σ，N)數(shù)據(jù)點(diǎn)，如果該數(shù)據(jù)點(diǎn)位于第六步公式曲線上方，則第六步公式即為所需的桁架橋焊縫細(xì)節(jié)疲勞抗力。如果該數(shù)據(jù)點(diǎn)位于第六步公式下方，則需將第六步公式在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖上平移至數(shù)據(jù)點(diǎn)處，修正后的第六步公式即為所需的桁架橋焊縫細(xì)節(jié)疲勞抗力。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定全焊桁架橋疲勞抗力的方法，其特征在于:Ν為疲勞壽命；Κ為通過實(shí)測(cè)和有限元分析得到的缺口應(yīng)力集中系數(shù)；111和C為規(guī)范中提供的缺口應(yīng)力疲勞曲線參數(shù)，C = 2.278Ε13，m = 3。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定全焊桁架橋疲勞抗力的方法，其特征在于:所述無(wú)損方法為X射線衍射法。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種確定全焊桁架橋疲勞抗力的方法，其特征在于:所述無(wú)損檢測(cè)方法為超聲相控陣法。
【文檔編號(hào)】G01N3/08GK105987846SQ201510052428
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2015年2月2日
【發(fā)明人】韓振勇, 陳惟珍, 張振學(xué), 湯洪雁, 井潤(rùn)勝, 徐俊, 林茂, 郭會(huì)國(guó), 王秀艷, 楊冬云, 劉高俊
【申請(qǐng)人】天津城建設(shè)計(jì)院有限公司, 同濟(jì)大學(xué)