CN105987846A - 一种确定全焊桁架桥疲劳抗力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于焊接钢结构桥梁的疲劳分析领域，尤其涉及一种确定全焊桁架桥疲劳抗力的方法，首先采用理论方法确定所研究疲劳细节的疲劳曲线，再通过实验方法对疲劳曲线进行检验，并对疲劳细节处的疲劳曲线进行修正，最后整理得到疲劳细节处的疲劳抗力。通过将本检测方法与疲劳荷载作用效应分析相结合可用于全焊桁架桥的抗疲劳设计以及疲劳寿命评定。本技术方案的其优势在于：相对纯理论方法，分析结果的精度高，而相对纯试验方法则整个工作过程的投资少，是一种兼顾精确性和经济性的疲劳抗力评估方法。

Description

一种确定全焊桁架桥疲劳抗力的方法

技术领域

本发明属于焊接钢结构桥梁的疲劳分析领域，尤其涉及一种确定全焊桁架桥疲劳抗力的方法。

背景技术

钢桥由于其重量轻、跨越能力大、加工制造方便，自改革开放后得益于钢材产量与质以及加工制造艺的提升，我国建造了为数众多的公路、铁钢桥。但是，在大规模建设背后隐藏着的弊病，目前表现最为突出的是钢桥焊接节点的疲劳裂纹，疲劳裂纹的出现扩展断裂可能导致承载力超限甚至结构彻底破坏，因这种破坏一般为突发性的，极易造成重大事故和人员损伤。

材料的疲劳过程极为复杂，到现在也没有完全弄清楚其形成。构件的疲劳强度一般指材料抵抗外加循环载荷作用而不产生裂纹(或无裂纹扩展)的能力，并以所能承受的载荷(一般为应力幅Δσ)的大小和相应的循环次数N表示。评估结构构件的疲劳强度的一种常见方法是根据规范提供的S-N曲线确定设计疲劳寿命对应的应力幅Δσ。由于不同接头形式(通常称为疲劳细节)的疲劳寿命是不同的，即使规范中提供了很多类型的S-N曲线依然不能涵盖所有的疲劳细节。

由于疲劳破坏对构件的局部细节应力很敏感，因此学者们提出了疲劳局部分析方法。疲劳局部分析方法一般指基于局部应力或应变参数的强度评估，其考虑材料疲劳的局部损伤过程(即循环裂纹萌生、循环裂纹扩展和最终断裂)。疲劳局部分析方法有缺口应力法、缺口应变法、裂纹扩展法、缺口应力强度因子法等。其中局部应力法考虑焊趾处的应力，对于每类焊缝均有对应的S-N曲线。而“缺口应力法”或“缺口应变法”则直接针对缺口内的最大应力进行分析，只有一条S-N曲线。然而采用以上方法进行疲劳分析需要首先确定局部应力或缺口应力。目前在工程结构设计中普遍采用的材料力学方法无法满足计算局部应力或缺口应力的需要，而精度更高的实体有限元方法也不能完全达到设计或评估所需要的精度要求。

发明内容

本发明提供一种确定全焊桁架桥疲劳抗力的方法，以解决上述背景技术中提出的无法满足分析需要的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：本发明提供一种确定全焊桁架桥疲劳抗力的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，建立钢桁架桥梁单元模型，通过加载规范中给定的疲劳荷载确定待分析焊接接头处的内力；

第二步，采用体单元建立待分析焊接疲劳接头的空间实体有限元模型，按之前梁单元模型计算得的实际受力情况对接头处进行加载；

第三步，按照实际设计图纸的要求，加工一个包含待分析接头的足尺模型，接头材料、焊接方式、焊剂等应与设计完全相符；

第四步，采用无损方法测定足尺模型上待分析接头焊缝的表面残余应力，同时采用无损检测方法测定足尺模型上待分析焊缝附近的施工缺陷，将以上两种检测结果考虑到有限元实体模型中去；

第五步，采用第一步计算出来的内力作为荷载对足尺模型施加静载，同时测量焊缝缺陷处的应力实际应力，若检测未发现缺陷，则测量整个焊缝长度上的应力，并找出最大值，将测得的应力与实体有限元模型算得的应力进行比较，对实体有限元模型进行修正；

第六步，光弹性试验测得的应力除以按材料力学算得的焊缝处应力，即为该焊接细节处的缺口应力集中系数；在实体有限元模型中沿待分析焊缝改变施工缺陷的位置，可以算得一系列的缺口应力集中系数，记其中的最大值为K。按下式计算待分析焊缝疲劳细节的疲劳曲线：

NK^mΔσ^m＝C

式中：N为疲劳寿命；K为通过实测和有限元分析得到的缺口应力集中系数；m和C为规范中提供的缺口应力疲劳曲线参数，C＝2.278E13，m＝3。

第七步，对足尺试件进行疲劳试验，得到一个(Δσ，N)数据点，如果该数据点位于第六步公式曲线上方，则第六步公式即为所需的桁架桥焊缝细节疲劳抗力。如果该数据点位于第六步公式下方，则需将第六步公式在双对数坐标图上平移至数据点处，修正后的第六步公式即为所需的桁架桥焊缝细节疲劳抗力。

本发明的有益效果为：

通过将本检测方法与疲劳荷载作用效应分析相结合可用于全焊桁架桥的抗疲劳设计以及疲劳寿命评定。本技术方案的其优势在于：相对纯理论方法，分析结果的精度高，而相对纯试验方法则整个工作过程的投资少，是一种兼顾精确性和经济性的疲劳抗力评估方法。

具体实施方式

本发明方法原理：利用有限元模拟得到拟分析疲劳细节的初步资料，再用足尺模型试验对计算结果进行修正提高分析结果的精度。本发明的步骤如下：首先采用理论方法确定所研究疲劳细节的疲劳曲线，再通过实验方法对疲劳曲线进行检验，并对疲劳细节处的疲劳曲线进行修正，最后整理得到疲劳细节处的疲劳抗力。

本发明技术方案表征为：

一种确定全焊桁架桥疲劳抗力的方法，充分利用了所有焊缝细节在其焊缝局部缺口处有且仅有一条疲劳曲线的特点，只要建立了缺口处热点应力与远场名义应力间的对应关系(缺口处应力集中系数)，就可以由缺口处疲劳曲线推导得到基于远场应力的对应于该桁架焊接节点的疲劳曲线。由于现有有限元计算精度和计算方法以及材料检测能力和精度的局限，采用足尺试验方法从以下几个方面对有限元方法的计算结果进行补充完善，从而提高了计算精度：

1用足尺试件实测的结构尺寸和缺陷形状代替有限元模型中虚构的结构尺寸和缺陷形状；

2用实测残余应力分布代替虚构假设的残余应力分布；

3用实测的缺口应力集中系数校核有限元计算得到的缺口应力集中系数；

4用实测构件疲劳寿命校核根据理论推导算得的疲劳寿命曲线。

本方法中所用的足尺试件按实际桥梁的加工方式制造，试验过程中需用到超声相控阵仪、有限元模型可采用常见的商用有限元软件，下面对本检测方法的具体实施方式作进一步的阐述：

(1)钢桁架桥梁单元模型的建立

采用梁单元模拟桁架杆件对全焊桁架桥进行有限元模型建模：各梁单元截面几何参数按设计截面确定，梁单元在节点处的约束按固结处理，桁架与桥墩间的约束按实际情况处理，桁架桥疲劳荷载按规范加载，并算出与关注全焊节点相连的各桁架单元的杆端内力。

(2)建立实体有限元模型

采用实体单元(可模拟弹性受力的实体单元较多，但以20节点等参元为宜)按照所分析节点的实际图纸结构建模。对该节点相连各杆做如下约束处理：对离所关注疲劳细节最远的杆件在杆端将截面上各节点6个方向自由度完全固结，对其他杆件在端部按第一步梁单元模型得到的杆端内力在各节点分配加载。建模中应确保所分析焊缝处网格的密度，由于需要模拟缺口应力集中，所以在焊缝厚度方向上至少应由5层单元。

(3)加工足尺模型试件

加工所关注节点的足尺模型试件1个。试件的材料、规格、焊接方式、焊缝位置以及施工中的相关处理工作(如焊后打磨)等应与施工工艺及设计要求以相符。但试件设计允许考虑加载设备等的影响对与分析节点相连的各杆件的远端进行加宽加厚处理以便于安装和连接。在设计时应考虑后期对模型进行静力加载以及疲劳加载时千斤顶或疲劳作动器与试件间的连接方式的优化设计。

(4)无损检测与静载试验

分别对足尺模型中所关注的焊缝进行以下项目的检测：

a)表面残余应力检测(建议采用x射线衍射法)；

b)焊缝形状检测(建议目检配合游标卡尺测量)；

c)焊缝缺陷检测(建议超声相控阵扫描)

按照第(1)步梁式模型算得的荷载对足尺模型加载，并测量焊缝缺口处的实际应力值(建议采用光弹性试验测量)。用实测的表面焊接残余应力、焊缝形状、焊缝缺陷对实体有限元模型进行修正，并按修正后的模型计算所关注焊缝缺口处的最大拉应力，将计算结果与实测结果进行比较，如果两个结果相差10％以上，则需要考虑造成偏差的原因，并对有限元模型进行修正。

(5)推导疲劳抗力曲线

按照实测局部应力集中系数对规范疲劳曲线进行修正，修正公式如下：

NK^mΔσ^m＝C (1)式中：N为疲劳寿命；K为通过实测和有限元分析得到的缺口应力集中系数；m和C为规范中提供的缺口应力疲劳曲线参数，C＝2.278E13，m＝3。

(6)疲劳试验并修正疲劳抗力曲线

对足尺疲劳试件进行疲劳试件，直到检测发现所关注的疲劳细节出现疲劳裂纹。疲劳试验所施加的荷载应确保整个结构处于弹性工作状态，且疲劳试验中施加于足尺试件各杆端上的疲劳荷载分配应严格按照第(1)部中梁单元模型中算得的疲劳荷载分配。记录试验停止时足尺试件的疲劳寿命，并与公式(1)中的曲线一同绘制于分别以疲劳寿命和应力幅为坐标轴的双对数坐标图中，如果疲劳寿命点位于曲线以下，则需要将曲线平移到坐标点位置，重新对该疲劳曲线进行修订，如果疲劳寿命对应的坐标点在曲线之上，则不需要对疲劳曲线进行修订。

利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种确定全焊桁架桥疲劳抗力的方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，建立钢桁架桥梁单元模型，通过加载规范中给定的疲劳荷载确定待分析焊接接头处的内力；

第二步，采用体单元建立待分析焊接疲劳接头的空间实体有限元模型，按之前梁单元模型计算得的实际受力情况对接头处进行加载；

第三步，按照实际设计图纸的要求，加工一个包含待分析接头的足尺模型，接头材料、焊接方式、焊剂等应与设计完全相符；

第四步，采用无损方法测定足尺模型上待分析接头焊缝的表面残余应力，同时采用无损检测方法测定足尺模型上待分析焊缝附近的施工缺陷，将以上两种检测结果考虑到有限元实体模型中去；

第五步，采用第一步计算出来的内力作为荷载对足尺模型施加静载，同时测量焊缝缺陷处的应力实际应力，若检测未发现缺陷，则测量整个焊缝长度上的应力，并找出最大值，将测得的应力与实体有限元模型算得的应力进行比较，对实体有限元模型进行修正；

第六步，光弹性试验测得的应力除以按材料力学算得的焊缝处应力，即为该焊接细节处的缺口应力集中系数；在实体有限元模型中沿待分析焊缝改变施工缺陷的位置，可以算得一系列的缺口应力集中系数，记其中的最大值为K。按下式计算待分析焊缝疲劳细节的疲劳曲线：NK^m△σ^m＝C；

第七步，对足尺试件进行疲劳试验，得到一个(△σ，N)数据点，如果该数据点位于第六步公式曲线上方，则第六步公式即为所需的桁架桥焊缝细节疲劳抗力。如果该数据点位于第六步公式下方，则需将第六步公式在双对数坐标图上平移至数据点处，修正后的第六步公式即为所需的桁架桥焊缝细节疲劳抗力。

2.根据权利要求1所述的一种确定全焊桁架桥疲劳抗力的方法，其特征在于：N为疲劳寿命；K为通过实测和有限元分析得到的缺口应力集中系数；m和C为规范中提供的缺口应力疲劳曲线参数，C＝2.278E13，m＝3。

3.根据权利要求1所述的一种确定全焊桁架桥疲劳抗力的方法，其特征在于：所述无损方法为x射线衍射法。

4.根据权利要求1所述的一种确定全焊桁架桥疲劳抗力的方法，其特征在于：所述无损检测方法为超声相控阵法。