本發(fā)明屬于橋梁工程領(lǐng)域，具體涉及一種角鋼焊接桁梁kt型節(jié)點(diǎn)剩余疲勞壽命預(yù)測方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，角鋼焊接桁架結(jié)構(gòu)因其良好的力學(xué)性能、優(yōu)越的經(jīng)濟(jì)性和便捷的施工性而受到廣泛關(guān)注。主要承重結(jié)構(gòu)采用角鋼的橋梁包括桁梁橋、拱橋和連續(xù)剛構(gòu)橋等。然而，在這種結(jié)構(gòu)中，腹桿和弦桿連接處常常存在焊接缺陷和焊接殘余應(yīng)力等問題，導(dǎo)致焊趾處的應(yīng)力集中。在受到車輛等往復(fù)荷載作用下，容易產(chǎn)生疲勞裂紋。此外，橋梁結(jié)構(gòu)的長期使用和復(fù)雜的環(huán)境條件，以及荷載作用的不確定性，都可能加劇疲勞裂紋的發(fā)展，甚至導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)疲勞失效，對橋梁結(jié)構(gòu)的安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

2、定期檢查和維護(hù)可以在一定程度上改善結(jié)構(gòu)的疲勞性能，但若無法計(jì)算結(jié)構(gòu)在特定裂紋缺陷下的剩余壽命，制定安全適用的動(dòng)態(tài)健康監(jiān)控方案就變得困難。s-n曲線法在生產(chǎn)實(shí)踐中取得了成功應(yīng)用，并積累了大量數(shù)據(jù)，但它無法直接考慮初始缺陷或損傷對構(gòu)件的影響。它主要適用于設(shè)計(jì)階段對構(gòu)件疲勞壽命的評估，而不能用于使用階段對構(gòu)件剩余疲勞壽命的評估。斷裂力學(xué)法彌補(bǔ)了s-n曲線法的這一不足，它考慮了構(gòu)件在具有損傷時(shí)的力學(xué)性能，因此可用于設(shè)計(jì)階段具有初始缺陷構(gòu)件的疲勞驗(yàn)算以及使用階段損傷構(gòu)件的維修加固，能夠通過裂紋擴(kuò)展的方式準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的疲勞剩余壽命。然而，基于斷裂力學(xué)的評估方法起步較晚，因此裂紋擴(kuò)展模型以及與各種鋼材型號(hào)對應(yīng)的斷裂參數(shù)等方面仍有許多待填補(bǔ)的空白。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中結(jié)構(gòu)疲勞壽命預(yù)測不準(zhǔn)確的問題，本發(fā)明提供了一種角鋼焊接桁梁kt型節(jié)點(diǎn)剩余疲勞壽命預(yù)測方法，通過準(zhǔn)確的計(jì)算出應(yīng)力強(qiáng)度因子，實(shí)現(xiàn)剩余疲勞壽命的準(zhǔn)確預(yù)測。

2、為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種角鋼焊接桁梁kt型節(jié)點(diǎn)剩余疲勞壽命預(yù)測方法，包括以下步驟：

3、步驟s1：建立節(jié)點(diǎn)的有限元模型，并確定節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)，所述節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)包括：腹桿與弦桿夾角θ、腹桿寬度b1與弦桿寬度b2之比β、腹桿厚度t1與弦桿厚度t2之比τ；

4、步驟s2：根據(jù)有限元模型進(jìn)行計(jì)算，確定裂紋萌生位置；

5、步驟s3：將節(jié)點(diǎn)的有限元模型導(dǎo)入裂紋分析模塊，通過裂紋分析模塊在裂紋萌生位置插入初始裂紋，并確定裂紋幾何參數(shù)，計(jì)算復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅；所述裂紋幾何參數(shù)包括半裂紋長度c與裂紋深度a之比，以及裂紋深度a與弦桿厚度t2之比；

6、步驟s4：改變節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)和裂紋幾何參數(shù)，重復(fù)計(jì)算復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅，根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)和裂紋幾何參數(shù)條件下的復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅計(jì)算公式；

7、步驟s5：確定節(jié)點(diǎn)的幾何參數(shù)和裂紋參數(shù)，通過擬合得到的復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅計(jì)算公式計(jì)算復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行裂紋擴(kuò)展模擬，然后根據(jù)裂紋擴(kuò)展模結(jié)果計(jì)算剩余疲勞壽命。

8、所述步驟s2的具體步驟為：

9、確定kt型節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力集中位置，并假定初始裂紋垂直于腹桿，通過有限元計(jì)算結(jié)果確定裂紋萌生位置。

10、所述步驟s1中，通過abaqus建立節(jié)點(diǎn)有限元模型；所述步驟s3中，裂紋分析模塊采用franc3d軟件。

11、所述步驟s3中，復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的計(jì)算公式為：

12、

13、其中，keff表示復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅，ki、kⅱ和kⅲ分別為i型、ⅱ型和ⅲ型應(yīng)力強(qiáng)度因子；ν為鋼材泊松比。

14、所述步驟s4中，擬合得到的復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅計(jì)算公式為：

15、

16、其中，keff表示復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅，yj和yc分別表示節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)修正系數(shù)和裂紋幾何參數(shù)修正系數(shù)；σn表示名義應(yīng)力，a表示裂紋深度。

17、所述步驟s4中，節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)修正系數(shù)和裂紋幾何參數(shù)修正系數(shù)的擬合結(jié)果為：

18、yj＝θ0.214(2.09β+0.251)(1.126τ+0.001)；

19、

20、所述步驟s5中，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行裂紋擴(kuò)展模擬的具體方法為：

21、判定計(jì)算結(jié)果是否滿足擴(kuò)展條件，所述擴(kuò)展條件為：

22、

23、其中，δkth代表材料疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值，ai和ci分別表示第i個(gè)擴(kuò)展步的裂紋深度和長度，af和cf分別表示裂紋深度限值和裂紋長度限值。

24、所述步驟s5中，剩余疲勞壽命的計(jì)算公式為：

25、n＝n0+∑δni；

26、

27、其中，n表示剩余疲勞壽命，n0表示鋼管節(jié)點(diǎn)的初始疲勞壽命，δni表示每個(gè)擴(kuò)展步循環(huán)的疲勞壽命增量，c和m表示疲勞裂紋擴(kuò)展參數(shù)，ai-1和ai分別表示第i-1次和第i次擴(kuò)展步循環(huán)中的得到的裂紋長度。

28、所述步驟s5中，采用逐步遞減的方式確定每一步的裂紋擴(kuò)展步長。

29、所述步驟s5中，進(jìn)行裂紋擴(kuò)展模擬時(shí)，裂紋的擴(kuò)展步長為：

30、δai＝0.1δai-1；

31、其中，δai表示第i次擴(kuò)展步循環(huán)中的擴(kuò)展步長，δai-1表示第i-1擴(kuò)展步循環(huán)中的擴(kuò)展步長。

32、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

33、本發(fā)明提出了一種角鋼焊接桁梁kt型節(jié)點(diǎn)剩余疲勞壽命預(yù)測方法，通過斷裂力學(xué)法彌補(bǔ)了s-n曲線法的這一不足，它考慮了構(gòu)件在具有損傷時(shí)的力學(xué)性能，因此可用于設(shè)計(jì)階段具有初始缺陷構(gòu)件的疲勞驗(yàn)算以及使用階段損傷構(gòu)件的維修加固，能夠通過裂紋擴(kuò)展的方式準(zhǔn)確預(yù)測結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的疲勞剩余壽命，此外，本發(fā)明利用基于franc3d軟件的裂紋分析模塊實(shí)現(xiàn)復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的擬合計(jì)算，可以避免franc3d軟件計(jì)算的單向偏差，增加了壽命預(yù)測的準(zhǔn)確性。

技術(shù)特征：

1.一種角鋼焊接桁梁kt型節(jié)點(diǎn)剩余疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種角鋼焊接桁梁kt型節(jié)點(diǎn)剩余疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟s2的具體步驟為：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種角鋼焊接桁梁kt型節(jié)點(diǎn)剩余疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟s1中，通過abaqus建立節(jié)點(diǎn)有限元模型；所述步驟s3中，裂紋分析模塊采用franc3d軟件。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種角鋼焊接桁梁kt型節(jié)點(diǎn)剩余疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟s3中，復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅的計(jì)算公式為：

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種角鋼焊接桁梁kt型節(jié)點(diǎn)剩余疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟s4中，擬合得到的復(fù)合型應(yīng)力強(qiáng)度因子幅計(jì)算公式為：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種角鋼焊接桁梁kt型節(jié)點(diǎn)剩余疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟s4中，節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)修正系數(shù)和裂紋幾何參數(shù)修正系數(shù)的擬合結(jié)果為：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種角鋼焊接桁梁kt型節(jié)點(diǎn)剩余疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟s5中，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行裂紋擴(kuò)展模擬的具體方法為：

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種角鋼焊接桁梁kt型節(jié)點(diǎn)剩余疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟s5中，剩余疲勞壽命的計(jì)算公式為：

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種角鋼焊接桁梁kt型節(jié)點(diǎn)剩余疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟s5中，采用逐步遞減的方式確定每一步的裂紋擴(kuò)展步長。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種角鋼焊接桁梁kt型節(jié)點(diǎn)剩余疲勞壽命預(yù)測方法，其特征在于，所述步驟s5中，進(jìn)行裂紋擴(kuò)展模擬時(shí)，裂紋的擴(kuò)展步長為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種角鋼焊接桁梁KT型節(jié)點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測方法，屬于橋梁工程技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明通過有限元建模和裂紋擴(kuò)展仿真分析進(jìn)行角鋼焊接桁梁KT型節(jié)點(diǎn)剩余疲勞壽命預(yù)測，主要包括以下步驟：建立角鋼焊接桁梁KT型節(jié)點(diǎn)有限元模型；基于裂紋擴(kuò)展模型插入裂紋；確定節(jié)點(diǎn)幾何參數(shù)和裂紋幾何參數(shù)；通過參數(shù)數(shù)據(jù)擬合出復(fù)合應(yīng)力強(qiáng)度因子計(jì)算公式進(jìn)而預(yù)測剩余疲勞壽命。本發(fā)明采用了斷裂力學(xué)的疲勞壽命預(yù)測方法，與傳統(tǒng)的應(yīng)力幅?循環(huán)次數(shù)(S?N)曲線法相比斷裂力學(xué)法可以彌補(bǔ)S?N曲線法設(shè)計(jì)階段無法考慮初始裂紋的缺陷，并且能夠更準(zhǔn)確的得到各個(gè)疲勞裂紋擴(kuò)展階段的剩余疲勞壽命。

技術(shù)研發(fā)人員：劉軍,劉繼磊,姜磊,耿昊楊,靳瑞保,胡晶,冀金科,周合寬,劉艷雄,李衛(wèi)國,賈耀飛,時(shí)祎,崔磊,元敏,鄭皓天,李嘉博
受保護(hù)的技術(shù)使用者：河南交投焦鄭高速公路有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6