鋼管混凝土拱橋管節(jié)點(diǎn)疲勞性能研究

目前，高強(qiáng)度鋼材越來(lái)越多地運(yùn)用在鋼管結(jié)構(gòu)中，而管節(jié)點(diǎn)作為鋼管結(jié)構(gòu)的重要傳力部位，其受力性能備受關(guān)注。由于高強(qiáng)鋼強(qiáng)度高，化學(xué)成分與普通強(qiáng)度鋼材差別較大，使得高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)的受力性能成為亟待研究的問(wèn)題，尤其是高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)疲勞性能的研究，成果非常匱乏，是一個(gè)比較新的領(lǐng)域。本項(xiàng)目采用Q460C高強(qiáng)鋼，以T型管節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，主要研究了高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)的疲勞性能以及基于連續(xù)損傷力學(xué)理論的管節(jié)點(diǎn)疲勞累積損傷過(guò)程的有限元分析方法。主要內(nèi)容為通過(guò)對(duì)T型管節(jié)點(diǎn)的疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究與理論分析，明確其疲勞破壞機(jī)理，了解其疲勞裂紋發(fā)展特征。并基于損傷力學(xué)理論和鋼材疲勞損傷試驗(yàn)，建立了符合管節(jié)點(diǎn)疲勞損傷過(guò)程的損傷演化模型。在此基礎(chǔ)上，對(duì)有限元軟件ABAQUS進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，完成了損傷力學(xué)-有限元方法對(duì)高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)疲勞累積損傷過(guò)程的全耦合模擬分析，為探索高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)方法提供了試驗(yàn)儲(chǔ)備和分析手段。通過(guò)試驗(yàn)研究和分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著主管厚度的增加，應(yīng)力幅較小時(shí)試驗(yàn)疲勞壽命與規(guī)范計(jì)算壽命差異變得顯著，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果初步提出了適用于6mm到10mm壁厚的Q460C高強(qiáng)鋼T型管節(jié)點(diǎn)的疲勞設(shè)計(jì)S-N曲線。 2100433B

管節(jié)點(diǎn)作為鋼管結(jié)構(gòu)的重要傳力部位，其受力性能備受關(guān)注。目前，隨著結(jié)構(gòu)在空間尺度、載荷等方面需求的不斷增加，高強(qiáng)度鋼材也越來(lái)越多地運(yùn)用在鋼管結(jié)構(gòu)中。由于高強(qiáng)鋼強(qiáng)度高，化學(xué)成分與普通強(qiáng)度鋼材差別較大，使得高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)的受力性能成為亟待研究的問(wèn)題，尤其是高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)疲勞性能的研究，成果非常匱乏，是一個(gè)比較新的領(lǐng)域。本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)的疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)研究與理論分析，明確其疲勞破壞機(jī)理和裂紋的萌生及擴(kuò)展特征，分析熱點(diǎn)應(yīng)力集中狀態(tài)。并基于連續(xù)損傷力學(xué)理論和鋼材疲勞損傷試驗(yàn)，建立符合高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)疲勞損傷過(guò)程的損傷演化模型和裂紋擴(kuò)展率公式，提出完整的高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)疲勞損傷全過(guò)程的有限元分析方法。依據(jù)試驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果，研究和評(píng)價(jià)不同參數(shù)條件對(duì)疲勞性能和疲勞壽命的影響規(guī)律。為高強(qiáng)鋼管節(jié)點(diǎn)疲勞壽命預(yù)測(cè)評(píng)估提供合理可行的參考方法，為管節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì)方法的完善以及相關(guān)規(guī)范的修訂提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)和理論儲(chǔ)備。

鑄鋼節(jié)點(diǎn)形式靈活，受力合理，目前已廣泛應(yīng)用于工程結(jié)構(gòu)中，但關(guān)于其疲勞問(wèn)題的研究還很少。鑄鋼節(jié)點(diǎn)的疲勞問(wèn)題包含兩部分內(nèi)容：鑄鋼本身的疲勞和鑄鋼與鋼管連接的環(huán)形對(duì)接焊縫的疲勞，因?yàn)殍T鋼部分的疲勞強(qiáng)度高于焊縫的疲勞強(qiáng)度，焊縫是整個(gè)節(jié)點(diǎn)疲勞問(wèn)題的關(guān)鍵。本項(xiàng)目針對(duì)鑄鋼節(jié)點(diǎn)疲勞問(wèn)題中的關(guān)鍵問(wèn)題，即環(huán)形對(duì)接焊縫的疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)和熱點(diǎn)應(yīng)力法計(jì)算進(jìn)行研究。 （1）典型環(huán)形對(duì)接焊縫形式的疲勞試驗(yàn)。 根據(jù)國(guó)內(nèi)常用的鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊接形式，設(shè)計(jì)了兩種不同的焊接細(xì)節(jié)進(jìn)行了小試件疲勞試驗(yàn)。小試件為從鑄鋼與鋼管環(huán)形對(duì)接構(gòu)件中截取的一部分帶焊縫的弧形試件。兩種細(xì)節(jié)的焊縫試件共試驗(yàn)了21個(gè)應(yīng)力級(jí)別的24根試件。根據(jù)Miner線性積累損傷準(zhǔn)則和最小二乘法，擬合了兩種鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出兩種焊縫細(xì)節(jié)的S-N曲線和P-S-N曲線?？偨Y(jié)出了兩種焊接細(xì)節(jié)的疲勞設(shè)計(jì)準(zhǔn)則表，其中分別給出了兩種焊接細(xì)節(jié)的疲勞極限和壽命曲線，并給出了焊接的具體構(gòu)造形式及焊接過(guò)程中的質(zhì)量要求。所獲得的疲勞強(qiáng)度數(shù)據(jù)為工程中焊縫抗疲勞設(shè)計(jì)提供了參考。 試件疲勞斷裂的斷面分析結(jié)果顯示，絕大部分試件的疲勞破壞均從焊根位置開(kāi)始，與傳統(tǒng)焊縫在焊趾位置起裂的破壞方式完全不同，這是由于焊縫兩邊鑄鋼與鋼管的顯著的厚度差造成的，這一結(jié)果為工程中鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)提供了參考。 （2）熱點(diǎn)應(yīng)力法在鑄鋼節(jié)點(diǎn)環(huán)形對(duì)接焊縫疲勞計(jì)算中的關(guān)鍵問(wèn)題研究。 針對(duì)五種鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊縫細(xì)節(jié)形式，進(jìn)行了精細(xì)有限元分析，確定所有焊縫細(xì)節(jié)的應(yīng)力值最大點(diǎn)均位于焊根處。 通過(guò)計(jì)算確定了不同焊縫形式的合理計(jì)算模型尺寸和合理模型網(wǎng)格尺寸。 基于國(guó)際通用的熱點(diǎn)應(yīng)力法和鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊縫的有限元分析結(jié)果，推導(dǎo)了適用于計(jì)算焊根熱點(diǎn)應(yīng)力值的表面外推法和直接計(jì)算法。并對(duì)兩種方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。 對(duì)熱點(diǎn)應(yīng)力法進(jìn)行了參數(shù)分析，結(jié)果顯示在相同邊界條件和加載情況下，五種類型焊縫的焊根熱點(diǎn)應(yīng)力值均隨著鋼管壁厚和構(gòu)件半徑的減小而增加，并且?guī)缀醪浑S著墊板與焊縫間間隙大小的變化而改變。 計(jì)算了不同細(xì)節(jié)焊縫的焊根熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)，并通過(guò)試驗(yàn)證明了其有效性。然后與本項(xiàng)目的鑄鋼節(jié)點(diǎn)焊縫疲勞試驗(yàn)結(jié)合，得到了兩種類型焊縫的焊根熱點(diǎn)應(yīng)力壽命曲線（Shot-N）及其表達(dá)式。