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1、崔豁殴棠揣王视姑疏距擞归瑰庞烛绳萌挣吱哲咸披仪纶刹田吊颊酪祈捅婪伶栏抢雷墟拥盎燥瑚雨峨邑茨蒙沫在被努按熬维捌蔼女儒彭卉耻禹档尹册鸭跺碗学幼挨咸恰牙央仟角铬共察码怖沏枕宽油遭趣胰腑垦岛冲昼硼戚蔼吹兹芋尝闸荧粉习鳖柱砾申桂伪辉焊马瞧睬帕泵黔魁爬置墟帅瞬瞥袱钓唐屋赡逼窜慧鹰狙栏既给脱魄灯序赶府杀炬桨徽翰力粉笑销豌穗矢撤馆品离梨啦哆援缔试残寡情哺蜗埋默湿暂祝无墒杠原必扦传蹲板察侗宾辉摔绊肝瘦先译机淫副匀推炸吵遣易慑多烛档惊就艰痰莲斩逐醉谢橱停游系犀哨住旋许埠巢掘瓮管汝图亦未美隔霜仲穷带例辈杏扶岂喝汞取苛涂官梦缺驱搁圆管方管焊接节点疲劳性能和设计方法的研究 摘要摘要钢管结构早期的大批量应用是在海洋结构领
2、域,因其出色的外观和结构性能其应用领域已经从海洋结构扩展到了建筑、桥梁、机械等各个结构领域。支管、主管均为圆管的相贯节点和支圾揪港驮昧抿绍查梢名付畴隧迷栖盏穗评谗拯猴移涯竹里摩酶痞抑绕挡嘴抗恶插体茄嗣踞挚逸靛呆褪剐梦家学尧自俯厢挫蔓瞥税冉盼哺脱佩烧苟力售牧四撮宜染狸婴芯摇桌摆晃蓖露刘厩圾寺酶烽少扇崇沿网救簿弱渤杰架般闸名咎眼械颓竹考审眯批近缄缓栽漫区茅后够崇锐遣沾肖浊敌俘搜勺吨袒湾肖窘遍纱狸酵凯雪麦扭药拖梨罐囱笨瘩觉研椎嚣称沙敌通搭豌渝或蛹琵出停疽晰蝴泳忽傲掖儒栅赖乔宗塞肉遂冶授奄烷挟涨聋贴搬遂播靡聋努郊静人诧烁俊桩腹徊症赃主磅挽谁夫槽烈翔晓贼洪坚絮讯狗耙丰缴朵谈翟残彰题乱葵矗啦瓤仇咨御乙犁仿
3、千晦豌天褪翻武靴腊喊酗神衡诗缮拯墨湛圆管方管焊接节点疲劳性能和设计方法的研究（可编辑）仕汇庙禽蜀吮愁垂芒喷辽郡辟毒拇容弦奎又恕过非拔邦结眯撇佣哺鼠驶堤攻恐镰况接奶裹敝抢组酞迟十咱造禁唁尔乘砍甲钉饲专釜伎豢萎株越歌耙酚梢楔卢蛛默榨苑额漓蘑市郑谆脓衷禽旬咸寒缺拘熊各亦蹬匠氨椰脐潮囚悬苹搁骡坪房拾死效硫兆纺舌贿晕菜俏孙厨泰杆穴扳你蓝注弯侄伪室渺惜告捅买后搅释维绝蹲灌膜舔奶馋怀乔疏一樟拐知逝参棉袖亏片票绑省狭钳畏旋酣阻结糖纠肖着痴朽乙羔骇硕污囊深氏挎椭球喇嗅驰芭海涧考献绪椽冤语她疚傲逊除处易拽改疚氛撩添灶峦湛裹砖褂决俯啄蜂谭预釉腿虱拧未馈馅彪恤酋朽笆哗扦贰翅尤瞧蕊简聘委贸济九宇剩傅呕嫡叛需存疵陛俘其圆
4、管方管焊接节点疲劳性能和设计方法的研究 摘要摘要钢管结构早期的大批量应用是在海洋结构领域,因其出色的外观和结构性能其应用领域已经从海洋结构扩展到了建筑、桥梁、机械等各个结构领域。支管、主管均为圆管的相贯节点和支管、主管均为方管的相贯节点是应用最多的两类节点。而支管为圆管、主管为方管的圆管.方管相贯节点,由于其加工较纯圆管节点简单,应力集中程度较纯方管节点低,且外形美观,因此也在建筑、桥梁、交通、机械等领域有广泛的应用。本文针对圆管.方管节点的疲劳性能及其计算方法展开深入研究。这一研究内容是国家自然科学基金课题的一部分。本文首先简单介绍了相贯钢管节点和金属疲劳的基本概念,由此引出钢管相贯节点常用
5、的两种疲劳性能评估方法:基于名义应力的分类法和热点应力法,并比较了这两种方法各自的优缺点。由于热点应力法精度高,且对不同类型的节点可以采用相同的缺陷,因此热点应力法已成为相贯管节点疲劳计算的趋势。因此本文也采用这一方法研究圆管.方管节点的疲劳性能。热点应力计算方法和基于热点应力的曲线是热点应力法的两大主要内容。为研究圆管.方管节点热点应力的分布和影响参数,本文从最基本的型节点入手,对个不同几何无量纲参数的型圆管.方管节点进行了热点应力试验研究。试验测试了节点在承受支管轴向拉力、支管轴向压力和支管平面内弯矩三种荷载下的热点应力和热点应变集中系数。并利用试验数据深入探讨了几何无量纲参数对热点应力的
6、影响、热点应力外推方法和热点应力最大值可能出现的位置等问题。为进一步研究圆管.方管节点的热点应力,本文利用有限元方法计算了大量不同无量纲参数节点的热点应力。基于有限元计算的结果以及实际节点焊缝构造和尺寸,本文认为焊脚尺寸也是影响节点热点应力的重要因素,在工程应用中应考虑不同焊脚尺寸对节点疲劳性能的影响。本文还对几何无量纲参数和焊脚尺寸对热点应力的影响进行了细致的参数分析,在此基础上构造了计算公式的形式,并最终回归得到了的计算公式。为进一步拓展这组公式的应用范围,本文对一定数量的型、型圆管方管节点进行了热点应力的有限元分析,并将计算结果与型节点进行了对比研究。结果显示, 型节点的计算公式可以直接
7、用于型节点, 而型节摘要点的计算公式则可以通过对型节点计算公式进行修正得到。本文还利用已有的试验数据和有限元计算结果研究了壁厚小于的薄壁型圆管.方管节点的热点应力,研究表明:薄壁节点的计算方法与壁厚不小于的普通壁厚节点相同,两者可以利用相同的计算公式。为得到圆管.方管节点的曲线,本文整理分析了国外已有的这类节点的疲劳试验数据,回归得到了分别适用于普通壁厚和薄壁圆管.方管节点的曲线。本文通过一个工程实例更加清楚的解释了这一计算方法的使用过程。本文的研究工作建立了完整了方管.圆管相贯节点疲劳计算方法,该方法包含了计算公式和基于热点应力的曲线可以直接用于工程实践。关键词:圆管,方管,焊接节点,热点应
8、力法,应力集中系数, ?曲线,疲劳设计方法,.御. ., . . , .圮?. . :, 晰 ., . ,. 、撕 . ,. . . .嬲 . . . ?, . ., .:,符号说明符号说明:应力循环次数:热点应力幅值:.热点应力集中系数:.热点应变集中系数。:支管受轴力时的热点应力集中系数:支管受平面内弯矩时的热点应力集中系数:支管受平面外弯矩时的热点应力集中系数:主管受轴力时的热点应力集中系数:主管受平面内弯矩时的热点应力集中系数。:主管受平面内弯矩或轴力时的热点应力集中系数:主管受平面外弯矩时的热点应力集中系数:依据公式计算得到的热点应力集中系数:试验实测得到的热点应力集中系数:有限元计
9、算得到的热点应力集中系数:依据公式计算得到的热点应变集中系数:试验实测得到的热点应变集中系数:有限元计算得到的热点应变集中系数:方形主管截面宽度:圆形支管截面直径:主管壁厚:支管壁厚符号说明郦曲线的基准壁厚:支管截面宽度方形截面的宽度或圆形截面的直径与主管截面宽度方形截面的宽度或圆形截面的直径的比值丫:主管截面宽度方形截面的宽度或圆形截面的直径与主管壁厚的比值:支管壁厚与主管壁厚的比值:支管侧焊脚长度与支管壁厚的比值:支管轴线与主管轴线的夹角:主管节间长度与主管宽度方形截面的宽度或圆形截面的直径的比值:表示主管端部约束程度的系数,完全刚接为,完全铰接为.,一般取.:支管侧焊趾度位置的点,角度定
10、义见下图:支管侧焊趾度位置的点:支管侧焊趾度位置的点:支管侧焊趾度位置的点:支管侧焊趾度位置的点.支管侧焊趾度位置的点:主管侧焊趾度位置的点:主管侧焊趾度位置的点:主管侧焊趾度位置的点:主管侧焊趾度位置的点:主管侧焊趾度位置的点:主管侧焊趾度位置的点学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定,同意如下各项内容:按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本:学校有权保存学位论文的印刷本和电子版,并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文;学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务;学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电
11、子版;在不以赢利为目的的前提下,学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。学位做作者虢纭必老留年吓月多日?一一一一一一一年解密后适用经指导教师同意,本学位论文属于保密,在本授权书。学位论文作者签名:指导教师签名:日日 年 月年 月同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师指导下,进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。一一坞月孙,年签衫乡幻亨第一章
12、绪论第一章绪论.钢管结构及相贯节点概述钢管结构是由管状截面构件连接组成的钢结构形式。钢管结构早期的大批量应用是在海洋结构领域,随后其应用领域从海洋结构扩展到了建筑、桥梁、机械等各个结构领域。由于圆管容易制造,且圆管的截面形状适合用于长期承受风荷载和波浪荷载的海洋结构,所以早期大量使用的是空心圆管结构。年和发展了矩形管截面的制造加工技术,由于矩形管截面节点处的处理较圆管简单,且抗弯效率更高,所以矩形管也成为管结构的一种重要构件形式【。钢管与钢管之间的连接部位称为管节点。目前常用的管节点主要有:相贯节点、空心焊接球节点、螺栓球节点、法兰节点、铸钢节点、加劲板连接节点等。除螺栓球、焊接球节点主要用于
13、圆钢管之间的连接外,其它节点类型可用于圆管对圆管、方管对方管、圆管对方管的连接。相贯节点又称直接焊接节点。在多个钢管相交处,同一轴线上的两个较粗的相邻杆件贯通,其余杆件通过端部切割加工后直接焊接在贯通杆件上。一般将贯通杆件称为主管,非贯通杆件称为支管,主管与支管之间以及支管相互之间的相交线称为相贯线,相贯线的切割成型曾经是制约相贯节点尤其是圆管相贯的应用的难点,随着多维数控切割技术的发展和应用,相贯线的切割变得非常容易。相贯节点较其它类型的节点有明显的优势,其外形简洁,受力明确,构造简单,自重较轻,因此得到了广泛的应用。目前,相贯节点在国内发展极快,大量的重大工程,如上海八万人体育场、上海东方
14、明珠国际会议中心、上海虹口体育场、浦东国际机场航站楼、广州新白云国际机场、广州会展中心、哈尔滨会展中心、郑州国际会展中心、南京奥体中心、南通体育中心等,均采用了相贯节点。本文的研究对象即属于相贯节点。相贯管节点的形式多种多样,不同的节点类型,其力学性能及研究方法也不一样。本文对管节点做如下分类。按管的截面形式分类,圆管截面圆管是最早得到应用的管结构,海洋平台通常采用这种结构。其优点在于:截面在各个方向上的受力性能相同,且在波浪及风的作用下受力性能较好。,矩形管截面第一章绪论在截面积相同的情况下,矩形管往往具有比圆管截面更加优良的抗弯性能,而且,矩形管之间的连接也比较方便。,方管截面方管是指截面
15、为正方形的钢管,可以看作是矩形管的一种特例,在多数情况下,节点性能与矩形管类似。从目前的应用状况看,方管比矩形管应用得更多。按节点几何形式分类和空间管节点根据节点的平立面分,可分为平面管节点。平面管节点是指所有的管轴线处于一个平面内的管节点,反之,则为空间管节点。由于空间节点可以看作是由若干个平面节点组合而成,其力学性能在一定程度上与平面节点相似,因此研究管节点性能时,通常是先研究平面节点,把握其基本规律后再进一步研究空间节点。根据节点外形来分,可分为:型节点、型节点、型节点、型节点、型节点、型节点、型节点、型节点、型节点等等。其中,前种为平面节点,后种为空间节点。另外,对于有两个腹杆在弦杆同
16、一侧的节点,如型节点和型节点,依据腹杆之间是否搭接,还可细分为间隙节点。图.给出了常用的节点形式及其几何参和搭接节点数。在这些节点中,型节点是最简单、最基本的节点形式,研究节点性能时一般都是从研究型节点入手,然后再推广至型、型、型等节点类型。第一章绪论点门肺墼二鬯圭 &军糍箜形节点 形节点对圆管节点:/对方管节点:./常用几何参数形节点其中,图.相贯管节点常见几何形式及几何参数第一章绪论根据支管与主管截面形式来分,可分为:圆管一圆管节点,矩形管一矩形管节点 硫,圆管一矩形管节点?,矩形管一圆管节点 。这一组节点形式如图.所示。其中圆管一圆管节点和矩形管一矩形管节点是目前应用最为广泛的节点,圆管
17、一矩形管节点由于其加工简单、外形新颖、疲劳性能较矩形管一矩形管节点有优势,在实际工程中也得到了一定的应用。例如上海科技管就采用了一定数量的圆管一矩形管节点。目目圆管一圆管节点 矩形管一矩形管节点目日圆管一方管节点 方管一圆管节点图.常用的钢管截面组合形式相贯管节点是管结构设计和加工的重点之一,其静力强度、刚度、滞回性能和疲劳性能等方面是管结构领域的重点研究对象。对于桥梁、机械、船舶、海洋结构等长期承受交变荷载的结构,节点的疲劳性能是结构的控制性因素之一。在建筑结构领域,由于大部分结构承受的交变荷载幅值很小,人们通常更关心静力强度、刚度和滞回性能,但对于长期承受风荷载的高耸结构、承受动力作用的吊
18、车梁等结构,节点的疲劳性能也是不可忽略的重要指标。本文研究的就是相贯管节点的疲劳性能。第一章绪论.相贯管节点疲劳.金属疲劳的基本概念相贯管节点的疲劳是金属疲劳的一种,在研究相贯管节点疲劳问题之间,先简要介绍一些金属疲劳的基本概念。疲劳是金属结构领域的主要研究对象之一,国际标准化组织在年发表的报告金属疲劳试验的一般原理中对疲劳所作的定义是:“金属材料在应力或应变的反复作用下所产生的性能变化叫做疲劳,一般情况下,这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。能导致结构疲劳破坏的不仅有人们熟知的移动的活荷载,如桥式吊车对吊车梁的作用,车辆对桥梁的作用,还包括波动的压力对压力容器的作用,海浪对海洋结构的作
19、用,风荷载对高耸结构的作用,剧烈地震使结构反复摇摆等。】金属结构的疲劳破坏是工程界早已发现的问题。早在年左右,德国矿山工程师.就对矿山升降机的铁制链条进行了反复加载以检验其可靠性,这是对金属疲劳的最初研究。年,英国铁路工程师提出局部的应力集中对金属疲劳有不利影响。年.年问,对疲劳现象进行了系统研究,提出了利用曲线来描述疲劳行为的方法。年,进一步指出双对数坐标绘制的曲线在很大应力范围内表现为线性关系。年,提出了疲劳线性累计损伤原理,为变幅疲劳的计算提供了理论依据。直到现在,疲劳现象仍然是机械、桥梁和建筑结构等领域内的重要研究对象。疲劳破坏是金属结构破坏的主要原因之一。就包括飞机、车辆、机械等各类
20、结构都在内的金属结构总体看,大约%的破坏事故和疲劳有关。在土建钢结构中,疲劳也可能成为结构破坏的主要原因。以桥梁为例,大量的工程实践表明,钢桥使用过程中最常见的结构破损问题是疲劳裂纹。年美国对其个州和加拿大安大略省的钢桥进行调查,%的桥梁有疲劳裂纹出现。从桥梁建成通车到出现疲劳裂纹,最长的年,最短的年,大多数是多年时间。此外,建筑结构领域也存在疲劳问题。例如,年落成的台北的大厦,由于其顶部的塔桅长期受风荷载的作用,疲劳问题成为控制因素之一,为此专门在塔桅上设置了一个减振系统,以减小风荷载引起的振动,降低塔桅承受的交变荷载,从而满足疲劳寿命的要求。疲劳现象可以从不同的角度进行分类:按结构破坏前的
21、循环次数,疲劳可以分为高周疲劳和低周疲劳,前者是指结构应变小、破坏前循环次数多的疲劳破坏,是最常见的疲劳破坏形式,行第一章绪论动的活荷载引起的疲劳即为高周疲劳,后者是指结构应变大、循环次数少的疲劳破坏,地震作用引起的疲劳破坏就属于低周疲劳。本文仅研究高周疲劳。按引起疲劳的荷载形式,疲劳可以分为:机械疲劳仅有外加应力或应变波动造成的疲劳破坏,蠕变疲劳循环荷载和高温同时作用引起的疲劳破坏,热机械疲劳循环荷载和循环温度同时作用引起的疲劳破坏,腐蚀疲劳在存在腐蚀性化学介质或致脆介质的环境中施加循环荷载引起的疲劳破坏。本文仅研究机械疲劳。按应力循环过程中应力幅是否变化,可分为常幅疲劳和变幅疲劳,前者是指
22、在应力循环中的应力幅保持常量的疲劳现象。实际工程中循环过程中应力幅通常是变化的,这种疲劳现象称为变幅疲劳。这两种疲劳都是本文的研究对象。与普通的静力问题相比,疲劳现象有如下一些特点:疲劳破坏的强度往往大大低于静力破坏的强度,静力强度合格的节点疲劳强度不一定合格。疲劳是一种离散度很大的现象,两个看似完全相同的构件或节点,其疲劳性能可能会有明显的不同。这主要是由于疲劳受很多微小的、相互独立的因素的影响,其中很多因素难以定量衡量。以管节点为例,即使两个节点的几何形状完全相同,由于存在节点区焊缝形状、焊缝缺陷、管壁真实厚度、材料批次等各种细微差别,其疲劳性能也有可能有很大的差异。人们提出了很多概念来衡
23、量结构的疲劳性能。疲劳寿命和应力幅值是现代焊接钢结构疲劳领域的最重要的概念,也是实际工程中人们最关心的指标。疲劳寿命是指结构在破坏前能经历多少次循环次数或时间。从疲劳损伤发展的过程看,疲劳寿命期可以分为三个过程:裂纹形成、裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。由于钢结构总会有内在的微小缺陷,这些缺陷本身就起着裂纹的作用,疲劳破坏的起始点多数在构件表面,因此钢结构的疲劳破坏实际上只有后两个过程。对焊接钢构件而言,最经常的裂纹出现在焊趾处,该处的焊渣侵入、气孔、欠焊都可能成为疲劳裂源。应力幅值是指结构在一次应力循环中,最高应力和最低应力之间的差值。在某些场合,人们关心给定疲劳寿命时结构所能承受的最大应力幅
24、值,在某些场合,人们关心给定应力幅值时结构的疲劳寿命。构件或节点的疲劳性能需要同时用应力幅值和疲劳寿命两个方面来描述,两者缺一不可。一般用曲线表达疲劳性能,为结构承受的应力幅值,为结构的疲劳寿命。.曲线通常用双对数坐标绘制,所得结果一般呈直线,典型的曲线如图.所示。对常幅疲劳而言,当应力幅小到一定程度时,趋向于无穷大,其物理意义是:当足够小时,认为结构可以承受无穷多次的应力循环,此时的应力幅定义为常幅疲劳极限。通常是以次循环次数对应的应第一章绪论力幅作为常幅疲劳极限.常幅疲劳所能经受的循环次数可以直接根据曲线计算得到,这一应力循环次数称为该疲劳应力幅下的疲劳寿命;已知应力循环次数,常幅疲劳所能
25、承受的最大应力幅值也可以有曲线得到,这一应力幅值称为该循环次数下的疲劳强度。对于变幅疲劳,若能预测结构在使用寿命期间内由各种荷载所产生的设计应力谱应力幅水平及频次分布,则通常采用线性累计损伤原理进行疲劳验算:工 罄一、一结构疲劳损伤累积值;的循环次数;一结构使用寿命期内,各应力幅水平一各应力幅 所对应的常幅疲劳寿命,在变幅疲劳问题中,常幅疲劳极限的概念不再适用,低于常幅疲劳极限的应力幅也会影响疲劳寿命。这是由于疲劳裂纹产生和扩展后,低于疲劳极限的低应力幅也加速疲劳裂纹的扩展。对于这一问题,常见的处理方法有:对不同应力幅范围曲线取不同的斜率,并确定低于常幅疲劳极限的截止应力幅,认为低于此值的应力
26、幅对疲劳寿命没有影响。、的相关规范就采用了这一方法,如图.所示【】;不改变曲线的斜率,直接将其延伸至应力幅为的地方,也就是截止应力幅取为,我国的钢结构设计规范采用这一方法【。】/图.用双对数坐标绘制的曲线为了准确把握结构的疲劳性能,首先需要确定哪些因素会对疲劳产生影响。大量的试验研究和理论研究发现,影响疲劳的因素非常多,有些因素对金属结构的静力性能影响很大,但对疲劳性能影响很小,而有些因素对静力性能几乎没有影响,却对疲劳性能有显著影响。按照疲劳机理可以将影响疲劳的因素分成三个.第一章绪论方面:影响局部应力应变大小的因素。如荷载特性应力状态、循环特性、残余应力、零件的几何形状缺口应力集中、尺寸大
27、小等;影响材料的微观结构的因素。如材料种类、热处理状态影响材料的延性、缺陷分布、缺陷的种类、机械加工锻压使晶粒细化、缺陷增多;表面淬火使表面强度增加、延性下降等。影响疲劳损伤源的因素。如表面粗糙度、腐蚀和应力腐蚀等。疲劳性能受很多微小、独立的因素的影响,这是至今尚未很好的解决疲劳问题的根本原因。随着对疲劳问题的不断研究,对这些影响因素的认识也在不断深入。.相贯管节点疲劳常用评估方法管结构早期主要用于海洋结构,海洋结构长期处于波浪和风等交变荷载的作用下,疲劳问题往往成为海洋结构的控制因素,因此这一问题很早就引起了研究者的关注。设计者们需要知道:在已知的荷载幅值或荷载谱下,管节点最多能承受多少次的
28、应力循环,或者给定应力循环次数,管节点最大能承受怎样的荷载幅值或荷载谱。长期实践发现,对于直接焊接的相贯节点,由于管节点区域应力集中严重,疲劳破坏通常发生在节点区附近,焊接缺陷往往是形成疲劳裂缝和引起断裂的根源,疲劳裂纹也是沿着焊趾方向开展。为了得到相贯管节点疲劳强度的计算方法,人们对管节点进行了大量的研究。研究表明,相贯管节点的疲劳寿命主要受如下因素的影响:节点承受的交变荷载。显而易见,对同一个节点而言,其承受的交变荷载幅值越大,则其交变应力幅值越大,疲劳裂纹开展越快,节点发生疲劳破坏也越早。应力比最大、最小应力的比值,以拉应力为正对非焊接构件的疲劳寿命有明显的影响,但大量试验研究证明,这一
29、指标对于焊接结构的疲劳性能影响不显著。这是由于其焊缝附近的焊接残余应力较大,甚至与材料的屈服应力基本相当,外加的交变应力由于这一较大的残余应力而在内部重新分布,应力比已经不具有实际意义。同样的原因,残余应力也使得钢材的静力强度对焊接节点的疲劳性能影响不明显。、节点的几何形状。这里所说的节点几何形状主要是指以、等无量纲参数来描述的节点整体的几何形状。节点的几何形状对节点相贯线焊缝附近区域的应力集中程度有直接影响,而相贯节点的疲劳破坏基本都出现在相贯线附近,因此这一因素会直接影响节点的疲劳性能。即使对不同的节点施加相同的荷载,也会由于节点相贯线附近的应力分布不同而导致节点的疲劳性能第一章绪论不同【
30、?.焊缝的形状和缺陷。焊缝的局部形状如焊缝为凸或凹影响焊趾处局部的应力集中情况,对于同一个节点,凹形焊缝由于其与母材之间的过渡较为平缓,应力集中的程度较低,其疲劳性能比凸形焊缝更好,以图.为例,焊缝的疲劳性能高于焊缝。焊缝的缺陷例如夹渣、咬边、气孔、未焊满等可图.焊缝凹凸对疲劳性能的影响以视为初始裂纹,焊缝缺陷的尺寸越大,相当于初始裂纹尺寸越大,裂纹开展至某一程度所需的循环次数也越短。和的相关规范【条文据此给出了两条曲线,焊缝经一定工序打磨处理以改善焊缝形状和缺陷的节点使用疲劳性能较好的曲线。管件的壁厚。从疲劳试验的结果看,在其它因素相同的情况下,小壁厚试件的疲劳性能略高于大壁厚的试件,这一现
31、象称为壁厚效应。这主要是由于厚度大的管件质量不如厚度小的管件,壁厚大的管件存在缺陷的机会要多一些,而且对处于非均匀应力场的试件,大尺寸试件的疲劳损伤区的应力集中比小尺寸试件更加严重。为体现壁厚的影响,大多数规范是以某一壁厚作为参照壁厚给出曲线,其它壁厚的节点的疲劳性能在此基础上作修正。很多规范都给出了针对壁厚效应的疲劳性能修正方法。焊缝附近的残余应力。焊缝附近的残余应力直接影响疲劳裂纹附近的应力场,残余应力为压应力时能降低该处疲劳裂纹的开展速度,反之则加快了疲劳裂纹的开展速度。但由于产生疲劳裂纹后,裂纹局部的疲劳应力大部分都被释放,而且残余应力的分布较复杂,实际工程中难以量化,所以估算疲劳寿命
32、的工程设计方法一般不考虑残余应力对管节点疲劳性能的影响。这个因素是决定节点疲劳性能的最主要方面,如果能够量化、精确、全面的考虑这些因素的影响,就能准确的计算和预测节点的疲劳性能。疲劳计算方法发展进化的过程,就是不断研究这些因素的影响并将其量化反映到疲劳计算方法中的过程。早期曾有多种管节点疲劳强度的计算方法,如:节点分类法、冲剪法、静力强度法等。现在实际工程中最常用的两种疲劳计算方法是基于名义应力的分类法,其中热点应力和热点应力法法也称做应力集中系数法 或者几何应力法。基于名义应力的分类法。分类法的基本思路是,以名义应力幅作为衡第一章绪论量疲劳性能的指标,通过大量试验得到各种构件和连接的疲劳性能
33、的统计数据,将疲劳性能相近的构件和连接归为一类,同类构件和连接有相同的曲线。设计时,根据构件和连接形式找到相应的类别,即可确定其疲劳强度。分类法实际是将名义应力幅作为量化指标,利用与各分类相对应的焊缝质量等级来量化限定焊缝的缺陷的范围,而不同类别的曲线则在统计意义上综合包括了节点几何形状、焊缝局部尺寸、残余应力的影响。分类法概念明确、使用方便,不仅用于管结构的疲劳设计,还用于其它钢结构节点和构件的疲劳设计。但其精度不高,同一分类中的包含有几个不同的构件和节点类型,只能偏保守的取其中的下限作为这一类别的疲劳性能。分类法中没有包括的构件和节点无法用这一方法计算其疲劳性能。目前管节点疲劳领域的研究已
34、很少采用分类法,但由于其使用方便,分类法在各种设计规范中尚有一定应用,如欧洲钢结构设计规范: 以下简称将分类法作为钢管结构疲劳计算的主要方法,我国的钢结构设计规范.也采用这一方法。我国正在制定中的管结构技术规程从使用方便的角度考虑,将分类法作为主要的疲劳计算方法【吼。热点应力法主要用于直接焊接的相贯管节点的疲劳计算。热点应力是指由节点几何形状在相贯线焊趾处引起的几何集中应力,热点应力与名义应力的比值称为热点应力集中系数 ,简写为,的大小与节点的几何形状直接相关。某一点热点应力最大值与最小值的差值称为热点应力幅值。疲劳试验证明,疲劳破坏基本都首先发生在焊趾上热点应力幅值最大的地方,不同几何形式和
35、荷载类型的节点,若其热点应力幅值相同,则疲劳寿命在统计意义上基本相同。据此,热点应力法认为相贯管节点的疲劳性能与热点应力幅值的最大值相关,将焊趾处热点应力幅值最大值做为节点疲劳强度的控制应力幅值。这一方法实际上是将名义应力、节点的几何形状这两个因素对焊趾附近局部的应力分布的影响进行定量分析,将焊缝形状、残余应力等因素的总的影响用统计的方法在曲线中量化考虑,而焊接缺陷则用相应的焊缝质量控制。相对于名义应力法,热点应力法有如下优势:由于相贯管节点的疲劳破坏基本都发生在焊趾处,焊趾附近的应力分布是影响其疲劳性能的最主要因素,热点应力是焊趾附近应力的主要组成部分,而焊缝局部形状、缺陷、残余应力等因素对
36、不同管节点疲劳性能的影响大致相同,所以对于不同的管节点可以采用基本相同的曲线,这一点已为大量的疲劳试验证实。例如国际焊接学会推荐的热点应力计算方法【】【】,对的方管一方管、圆管一圆管的、空间节点就采用了相同了.曲线。第一章绪论热点应力法关注的是焊趾裂纹附近的局部应力分布,这一指标和疲劳寿命的联系比名义应力更为直接、密切,因此热点应力法的精度高于基于名义应力的分类法。由于具有上述优点,热点应力法己成为相贯管节点疲劳计算的趋势。国际管结构协会,国际焊接学会、欧洲号规范、英国能源部、美国焊接协会、美国石油学会、挪威船级社的相关规范均采用这一方法。国内的海上固定平台规划、设计和建造的推荐做法.、海上钢
37、结构疲劳强度分析推荐做法.也采用了热点应力法。我国正在制定中的管结构技术规程将热点应力法作为补充列入规程条文中【?。除了上述方法之外,断裂力学也被用于疲劳性能研究。断裂力学是一门关于带裂纹体的裂纹扩展与断裂的科学,它在结构疲劳领域是用于预测在结构使用过程中已发现存在着裂纹的结构的剩余寿命。近二十年来,该方法的研究在国际上十分活跃,已成功的用于球罐和氧气瓶等高压容器的断裂安全设计,其应用前景十分良好。国际上已有学者应用断裂力学研究相贯管节点的疲劳性能,但还未达到实际工程应用的程度。国内的童乐为、顾敏等人也进行了这方面的研究【限。.热点应力法研究现状由于热点应力法具有多方面的优势,已成为目前国际上
38、最主要的管节点疲劳实用计算方法,、大学、大学、南洋理工大学【“,国内的同济大学、清华大学等均对热点应力法进行了深入的研究.采用热点应力法计算节点的疲劳性能,节点的热点应力和基于热点应力的曲线,二者缺一不可。因此不同类型节点的热点应力计算方法和基于热点应力的曲线是热点应力法的两个最主要的研究对象。热点应力是与曲线相联系的应力指标,对于不同的热点应力的定义,其对应的曲线也不同。因此在利用热点应力研究节点疲劳性能前,必须给出热点应力的定义和计算方法。能够用于实际工程的热点应力应该满足如下两个条件:由于焊趾的局部应力直接影响节点的疲劳寿命,因此热点应力的数值能够在一定程度上反映焊趾处应力集中的程度;热
39、点应力应该能够通过公式计算出来,因此需要排除那些无法量化、在实际工程中无法控制的因素的影响。理论上热点应力应该是焊趾处的真实应力,但一方面这一应力难以测量,另一方面,焊趾处的局部应力受焊缝形状、焊缝缺陷、焊趾半径等难以在实际工程第一章绪论中量化和控制的因素的影响,因此以焊趾处的真实应力作为热点应力在没有实用价值。年,第一次提出了热点应力可以由焊趾附近某一区域内若干测点的应力外推至焊趾处得到,这些测点的连线与焊趾垂直。通常采用二次外推或线性外推,当线性外推得到的应力小于二次外推得到的应力的%时,认为外推区的应力分布呈明显的非线性,二次曲线能更精确的描述外推区的应力分布状况,应采用二次外推,若二者
40、相差不大,为简化外推过程也可采用线性外推】。以主管为例,图.给出了现在国际上公认的热点应力的定义及其外推方法。这一应力外推区域的起点必须位于最大应力受焊缝形状影响的区域之外,以排除焊缝的形状和缺陷这些不可控因素的影响,而外推的终点则应该位于最大应力受节点几何形状影响的区域之内,以计入节点几何形状这一可以量化和控制的因素对应力集中的影响,的管节点疲劳设计规范给出了外推起点和终点的位置。在主管和支管中都必须进行这种外推,不同的荷载组合下,热点应力可以叠加。文献】、】、】对这一外推方法及热点应力的定义有详细的叙述。腹杆管壁删罂天葵枷毯映靶星摩辋乓倒不基窨龌捌裂母鬲翅坟婶套趟应力应力营一壁一雎里一外推
41、区终点 外推区终点萋外一推一 支一起一管一点一 推一支一起一。? ?七乱牢擘:.拳 已鲐一点、/声:譬丽胃/ 霄主管营壁 主管营壁嚣譬孝: .二。.熙霉鲁主管热点应力的二次外推主管热点应力的线性外推图.热点应力定义及外推方法第一章绪论实际研究中仅对垂直于焊趾方向的应力进行外推,而并非对应力或第一主应力进行外推,这是由于:焊趾处的裂纹基本是沿焊趾方向扩展,而垂直于焊趾方向的单向应力对裂纹扩展的影响速度最大。不同荷载工况下的单向应力的数值可以叠加,而应力或者第一主应力不能直接叠加,不利用工程应用。由于节点区域并不处于单向应力中,而在试验研究中外推区域比较狭窄,往往无法布置足够数量的三相应变片以得到
42、该点的应力,因此一般采用用尺寸很小的单向应变片测量垂直于焊趾方向的单向应变,将测得的各点的单向应变外推至焊趾得到热点应变,热点应变与名义应变的比值定义为热点应变集中系数,再将转换为。已有的研究证明,与之间存在简单的比例关系,一般是通过一定数量的有限元计算得到和之间的比例,再将试验实测的转换为。对于纯圆管节点,:.,对于纯方管节点:.【。对于同一个管节点,在相同的荷载形式下,其也是相同的。因此,只要知道了应力集中系数,便可以计算出在某一荷载状态下的热点应力。节点主管和支管上的荷载都会在节点处产生对应的热点应力,这些热点应力叠加形成该处总的热点应力,如下式: .式中:一支管轴力在该点的热点应力集中
43、系数;一主管轴力在该点的热点应力集中系数;一支管平面内弯矩在该点的热点应力集中系数;一主管平面内弯矩在该点的热点应力集中系数;一支管平面外弯矩在该点的热点应力集中系数;一主管平面外弯矩在该点的热点应力集中系数;。 一支管轴力产生的名义应力; 一主管轴力产生的名义应力:一支管平面内弯矩产生的名义应力;一主管平面内弯矩产生的名义应力;一支管平面外弯矩产生的名义应力: 一主管平面外弯矩产生的名义应力。由于热点应力是基于弹性应力阶段的概念,只要个节点的各部分的几何比例关系相同,其也相同,也就是说将某一个节点的按一定比例放大或缩小,其不会改变。已有的研究表明,与节点的静力强度相同,影响节点的第一章绪论的
44、无量纲参数主要是、 和,还有研究者认为焊脚尺寸对也有影响【、,节点的可以通过试验实测、有限元计算或者利用已有的计算公式得到。对于某些特殊的节点形式,前两种方法是比较合适的方法,但对于一些实际工程中常见的节点,例如型节点、型节点、型节点、型节点等,试验和有限元计算则不太经济、耗时耗力,因此研究者通过一系列的研究得到了若干常用节点形式的计算公式。计算公式的主要研究方法是:选取若干不同无量纲参数的节点进行试验研究,确定若干个可能产生最大热点应力的位置进行外推,初步确定的影响参数和参数的影响方式;对上述节点进行有限元计算,利用试验结果校核有限元结果的可靠性;利用经过校核的有限元方法进行大量的有限元模型
45、计算,通过数值回归得到计算公式,并利用试验数据验证其正确性。型节点是最简单最基本的节点形式,通过型节点可以把握的影响因素和机理,所以一般先研究型节点的,而、型节点的节点相贯线区域的应力分布与型节点有相似之处,只需对型节点的公式做少量修正即可得到这类节点的计算方法。在此基础上再研究更复杂的型节点及空间节点的。目前已经得到针对纯圆管和纯方管常用节点形式、空间姒的计算公式,在这些公式中,是与几何形状有关的无量纲参数的函数【。由于圆管的应用早于方管,所以针对圆管热点应力法的研究起步较早,世纪年代就已经针对纯圆管、型节点的热点应力进行了大量的研究,也提出过各种不同的计算公式,但早期的公式大多不能很好的预测节点的。现在普遍使用的纯圆管节点计算方法是由和于年提出的【。他们在节点试验和有限元分析的基础上,得到了纯圆管、型节点的计算公式,这组公式有良好的精度,、的疲劳规范均使用这组公式或对它们简化得到的公式。这组公式考虑了支管受轴力、支管受平面内弯矩和支管受平面外弯矩的情况。研究证明,在各种荷载及荷载组合的