一種確定全焊桁架橋疲勞抗力的方法
【專利摘要】本發明屬于焊接鋼結構橋梁的疲勞分析領域，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節的疲勞曲線，再通過實驗方法對疲勞曲線進行檢驗，并對疲勞細節處的疲勞曲線進行修正，最后整理得到疲勞細節處的疲勞抗力。通過將本檢測方法與疲勞荷載作用效應分析相結合可用于全焊桁架橋的抗疲勞設計以及疲勞壽命評定。本技術方案的其優勢在于：相對純理論方法，分析結果的精度高，而相對純試驗方法則整個工作過程的投資少，是一種兼顧精確性和經濟性的疲勞抗力評估方法。
【專利說明】
一種確定全焊桁架橋疲勞抗力的方法
技術領域
[0001]本發明屬于焊接鋼結構橋梁的疲勞分析領域，尤其涉及一種確定全焊桁架橋疲勞抗力的方法。
【背景技術】
[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量與質以及加工制造藝的提升，我國建造了為數眾多的公路、鐵鋼橋。但是，在大規模建設背后隱藏著的弊病，目前表現最為突出的是鋼橋焊接節點的疲勞裂紋，疲勞裂紋的出現擴展斷裂可能導致承載力超限甚至結構徹底破壞，因這種破壞一般為突發性的，極易造成重大事故和人員損傷。
[0003]材料的疲勞過程極為復雜，到現在也沒有完全弄清楚其形成。構件的疲勞強度一般指材料抵抗外加循環載荷作用而不產生裂紋(或無裂紋擴展)的能力，并以所能承受的載荷(一般為應力幅A σ)的大小和相應的循環次數N表示。評估結構構件的疲勞強度的一種常見方法是根據規范提供的S-N曲線確定設計疲勞壽命對應的應力幅△ σ。由于不同接頭形式(通常稱為疲勞細節)的疲勞壽命是不同的，即使規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節。
[0004]由于疲勞破壞對構件的局部細節應力很敏感，因此學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力或應變參數的強度評估，其考慮材料疲勞的局部損傷過程(即循環裂紋萌生、循環裂紋擴展和最終斷裂)。疲勞局部分析方法有缺口應力法、缺口應變法、裂紋擴展法、缺口應力強度因子法等。其中局部應力法考慮焊趾處的應力，對于每類焊縫均有對應的S-N曲線。而“缺口應力法”或“缺口應變法”則直接針對缺口內的最大應力進行分析，只有一條S-N曲線。然而采用以上方法進行疲勞分析需要首先確定局部應力或缺口應力。目前在工程結構設計中普遍采用的材料力學方法無法滿足計算局部應力或缺口應力的需要，而精度更高的實體有限元方法也不能完全達到設計或評估所需要的精度要求。
【發明內容】
[0005]本發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】中提出的無法滿足分析需要的問題。
[0006]本發明所解決的技術問題采用以下技術方案來實現:本發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，建立鋼桁架橋梁單元模型，通過加載規范中給定的疲勞荷載確定待分析焊接接頭處的內力；
[0008]第二步，采用體單元建立待分析焊接疲勞接頭的空間實體有限元模型，按之前梁單元模型計算得的實際受力情況對接頭處進行加載；
[0009]第三步，按照實際設計圖紙的要求，加工一個包含待分析接頭的足尺模型，接頭材料、焊接方式、焊劑等應與設計完全相符；
[0010]第四步，采用無損方法測定足尺模型上待分析接頭焊縫的表面殘余應力，同時采用無損檢測方法測定足尺模型上待分析焊縫附近的施工缺陷，將以上兩種檢測結果考慮到有限元實體模型中去；
[0011]第五步，采用第一步計算出來的內力作為荷載對足尺模型施加靜載，同時測量焊縫缺陷處的應力實際應力，若檢測未發現缺陷，則測量整個焊縫長度上的應力，并找出最大值，將測得的應力與實體有限元模型算得的應力進行比較，對實體有限元模型進行修正；
[0012]第六步，光彈性試驗測得的應力除以按材料力學算得的焊縫處應力，即為該焊接細節處的缺口應力集中系數；在實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力集中系數，記其中的最大值為K。按下式計算待分析焊縫疲勞細節的疲勞曲線:
[0013]NKmAom=C
[0014]式中:N為疲勞壽命；1(為通過實測和有限元分析得到的缺口應力集中系數;111和C為規范中提供的缺口應力疲勞曲線參數，C = 2.278E13，m = 3。
[0015]第七步，對足尺試件進行疲勞試驗，得到一個(△ σ，N)數據點，如果該數據點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節疲勞抗力。如果該數據點位于第六步公式下方，則需將第六步公式在雙對數坐標圖上平移至數據點處，修正后的第六步公式即為所需的桁架橋焊縫細節疲勞抗力。
[0016]本發明的有益效果為:
[0017]通過將本檢測方法與疲勞荷載作用效應分析相結合可用于全焊桁架橋的抗疲勞設計以及疲勞壽命評定。本技術方案的其優勢在于:相對純理論方法，分析結果的精度高，而相對純試驗方法則整個工作過程的投資少，是一種兼顧精確性和經濟性的疲勞抗力評估方法。
【具體實施方式】
[0018]本發明方法原理:利用有限元模擬得到擬分析疲勞細節的初步資料，再用足尺模型試驗對計算結果進行修正提高分析結果的精度。本發明的步驟如下:首先采用理論方法確定所研究疲勞細節的疲勞曲線，再通過實驗方法對疲勞曲線進行檢驗，并對疲勞細節處的疲勞曲線進行修正，最后整理得到疲勞細節處的疲勞抗力。
[0019]本發明技術方案表征為:
[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節在其焊縫局部缺口處有且僅有一條疲勞曲線的特點，只要建立了缺口處熱點應力與遠場名義應力間的對應關系(缺口處應力集中系數)，就可以由缺口處疲勞曲線推導得到基于遠場應力的對應于該桁架焊接節點的疲勞曲線。由于現有有限元計算精度和計算方法以及材料檢測能力和精度的局限，采用足尺試驗方法從以下幾個方面對有限元方法的計算結果進行補充完善，從而提尚了計算精度:
[0021]I用足尺試件實測的結構尺寸和缺陷形狀代替有限元模型中虛構的結構尺寸和缺陷形狀；
[0022]2用實測殘余應力分布代替虛構假設的殘余應力分布；
[0023]3用實測的缺口應力集中系數校核有限元計算得到的缺口應力集中系數；
[0024]4用實測構件疲勞壽命校核根據理論推導算得的疲勞壽命曲線。
[0025]本方法中所用的足尺試件按實際橋梁的加工方式制造，試驗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，下面對本檢測方法的【具體實施方式】作進一步的闡述:
[0026](I)鋼桁架橋梁單元模型的建立
[0027]采用梁單元模擬桁架桿件對全焊桁架橋進行有限元模型建模:各梁單元截面幾何參數按設計截面確定，梁單元在節點處的約束按固結處理，桁架與橋墩間的約束按實際情況處理，桁架橋疲勞荷載按規范加載，并算出與關注全焊節點相連的各桁架單元的桿端內力。
[0028](2)建立實體有限元模型
[0029]采用實體單元(可模擬彈性受力的實體單元較多，但以20節點等參元為宜)按照所分析節點的實際圖紙結構建模。對該節點相連各桿做如下約束處理:對離所關注疲勞細節最遠的桿件在桿端將截面上各節點6個方向自由度完全固結，對其他桿件在端部按第一步梁單元模型得到的桿端內力在各節點分配加載。建模中應確保所分析焊縫處網格的密度，由于需要模擬缺口應力集中，所以在焊縫厚度方向上至少應由5層單元。
[0030](3)加工足尺模型試件
[0031]加工所關注節點的足尺模型試件I個。試件的材料、規格、焊接方式、焊縫位置以及施工中的相關處理工作(如焊后打磨)等應與施工工藝及設計要求以相符。但試件設計允許考慮加載設備等的影響對與分析節點相連的各桿件的遠端進行加寬加厚處理以便于安裝和連接。在設計時應考慮后期對模型進行靜力加載以及疲勞加載時千斤頂或疲勞作動器與試件間的連接方式的優化設計。
[0032](4)無損檢測與靜載試驗
[0033]分別對足尺模型中所關注的焊縫進行以下項目的檢測:
[0034]a)表面殘余應力檢測(建議采用X射線衍射法);
[0035]b)焊縫形狀檢測(建議目檢配合游標卡尺測量);
[0036]c)焊縫缺陷檢測(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足尺模型加載，并測量焊縫缺口處的實際應力值(建議采用光彈性試驗測量)。用實測的表面焊接殘余應力、焊縫形狀、焊縫缺陷對實體有限元模型進行修正，并按修正后的模型計算所關注焊縫缺口處的最大拉應力，將計算結果與實測結果進行比較，如果兩個結果相差10%以上，則需要考慮造成偏差的原因，并對有限元模型進行修正。
[0038](5)推導疲勞抗力曲線
[0039]按照實測局部應力集中系數對規范疲勞曲線進行修正，修正公式如下:
[0040]NKmA Om=C (I)式中:N為疲勞壽命；1(為通過實測和有限元分析得到的缺口應力集中系數仰和C為規范中提供的缺口應力疲勞曲線參數，C = 2.278E13，m = 3。
[0041 ] (6)疲勞試驗并修正疲勞抗力曲線
[0042]對足尺疲勞試件進行疲勞試件，直到檢測發現所關注的疲勞細節出現疲勞裂紋。疲勞試驗所施加的荷載應確保整個結構處于彈性工作狀態，且疲勞試驗中施加于足尺試件各桿端上的疲勞荷載分配應嚴格按照第(I)部中梁單元模型中算得的疲勞荷載分配。記錄試驗停止時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力幅為坐標軸的雙對數坐標圖中，如果疲勞壽命點位于曲線以下，則需要將曲線平移到坐標點位置，重新對該疲勞曲線進行修訂，如果疲勞壽命對應的坐標點在曲線之上，則不需要對疲勞曲線進行修訂。
[0043]利用本發明所述的技術方案，或本領域的技術人員在本發明技術方案的啟發下，設計出類似的技術方案，而達到上述技術效果的，均是落入本發明的保護范圍。
【主權項】
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，建立鋼桁架橋梁單元模型，通過加載規范中給定的疲勞荷載確定待分析焊接接頭處的內力； 第二步，采用體單元建立待分析焊接疲勞接頭的空間實體有限元模型，按之前梁單元模型計算得的實際受力情況對接頭處進行加載； 第三步，按照實際設計圖紙的要求，加工一個包含待分析接頭的足尺模型，接頭材料、焊接方式、焊劑等應與設計完全相符； 第四步，采用無損方法測定足尺模型上待分析接頭焊縫的表面殘余應力，同時采用無損檢測方法測定足尺模型上待分析焊縫附近的施工缺陷，將以上兩種檢測結果考慮到有限元實體模型中去； 第五步，采用第一步計算出來的內力作為荷載對足尺模型施加靜載，同時測量焊縫缺陷處的應力實際應力，若檢測未發現缺陷，則測量整個焊縫長度上的應力，并找出最大值，將測得的應力與實體有限元模型算得的應力進行比較，對實體有限元模型進行修正； 第六步，光彈性試驗測得的應力除以按材料力學算得的焊縫處應力，即為該焊接細節處的缺口應力集中系數；在實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力集中系數，記其中的最大值為K。按下式計算待分析焊縫疲勞細節的疲勞曲線:NKmA O m= C ； 第七步，對足尺試件進行疲勞試驗，得到一個(Λ σ，N)數據點，如果該數據點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節疲勞抗力。如果該數據點位于第六步公式下方，則需將第六步公式在雙對數坐標圖上平移至數據點處，修正后的第六步公式即為所需的桁架橋焊縫細節疲勞抗力。2.根據權利要求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為通過實測和有限元分析得到的缺口應力集中系數；111和C為規范中提供的缺口應力疲勞曲線參數，C = 2.278Ε13，m = 3。3.根據權利要求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:所述無損方法為X射線衍射法。4.根據權利要求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:所述無損檢測方法為超聲相控陣法。
【文檔編號】G01N3/08GK105987846SQ201510052428
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月2日
【發明人】韓振勇, 陳惟珍, 張振學, 湯洪雁, 井潤勝, 徐俊, 林茂, 郭會國, 王秀艷, 楊冬云, 劉高俊
【申請人】天津城建設計院有限公司, 同濟大學