基于斷裂力學(xué)的圓鋼管混凝土T型焊接節(jié)點(diǎn)疲勞性能數(shù)值模擬.pdf

1、圓管結(jié)構(gòu)以其卓越的力學(xué)性能和極具魅力的建筑外形，已在國(guó)內(nèi)外的建筑、海洋平臺(tái)、高聳結(jié)構(gòu)中得到廣泛應(yīng)用。相對(duì)于圓管結(jié)構(gòu)，主管內(nèi)填入混凝土后的鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，既繼承了圓管結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，又具有自己的風(fēng)格，可顯著提高圓管混凝土結(jié)構(gòu)的極限承載力，近年來(lái)已越來(lái)越多地運(yùn)用到我國(guó)大跨度拱橋和桁式結(jié)構(gòu)中。然而，日常車(chē)輛荷載作用下鋼管混凝土橋梁中的焊接節(jié)點(diǎn)疲勞性能目前還是一個(gè)重要且有待解決的問(wèn)題。本文研究?jī)?nèi)容是國(guó)家自然科學(xué)基金課題中的一部分，主要是基于斷裂力學(xué)

2、法進(jìn)行圓鋼管混凝土T型焊接節(jié)點(diǎn)疲勞裂紋擴(kuò)展和疲勞壽命數(shù)值模擬。 ⑴介紹了疲勞研究中具有普遍意義的知識(shí)點(diǎn)，由此引出圓管節(jié)點(diǎn)疲勞研究的兩種方法——S—N曲線(xiàn)法和斷裂力學(xué)法。在斷裂力學(xué)法中，應(yīng)力強(qiáng)度因子K具有重要意義，本文對(duì)圓管節(jié)點(diǎn)應(yīng)力強(qiáng)度因子K的試驗(yàn)法和計(jì)算法進(jìn)行了總結(jié)，同時(shí)對(duì)鋼管混凝土焊接節(jié)點(diǎn)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了評(píng)價(jià)，從而為本文的研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 ⑵介紹了圓鋼管混凝土T型焊接節(jié)點(diǎn)靜力試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、焊縫部位缺陷檢測(cè)報(bào)告和混

3、凝土破壞特點(diǎn)，對(duì)比了最大熱點(diǎn)應(yīng)力幅位置、初始可見(jiàn)裂紋位置、焊縫部位缺陷檢測(cè)結(jié)果，考察了疲勞裂紋擴(kuò)展特點(diǎn)，這些均有助于后續(xù)斷裂力學(xué)分析模型、數(shù)值模擬終止條件的提出，同時(shí)疲勞試驗(yàn)結(jié)果也是校驗(yàn)斷裂力學(xué)法的可靠依據(jù)。 ⑶推導(dǎo)了參數(shù)變換法公式，并用于鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布分析。通過(guò)有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較，從靜力的角度解決了有限元單元選取、材料本構(gòu)關(guān)系、鋼與混凝土間接觸處理、焊縫模擬等問(wèn)題，驗(yàn)證了兩維模型轉(zhuǎn)換為三維模型的參數(shù)變換法，獲取

4、了節(jié)點(diǎn)的熱點(diǎn)應(yīng)力集中系數(shù)SCF、彎曲應(yīng)力與熱點(diǎn)應(yīng)力的比值DOB，且對(duì)最大熱點(diǎn)應(yīng)力位于主管冠點(diǎn)的鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)的DOB提出了建議值。 ⑷提出了支管受軸向循環(huán)拉力作用的圓鋼管混凝土T型焊接節(jié)點(diǎn)斷裂力學(xué)分析模型，該模型就初始裂紋位置、形狀、大小及裂紋擴(kuò)展提出了假定。在探討應(yīng)力強(qiáng)度因子求解方法時(shí)確定采用位移外推法、確定外推節(jié)點(diǎn)選取原則及由位移轉(zhuǎn)換為應(yīng)力強(qiáng)度因子時(shí)選用的假定。 ⑸綜合了奇異單元位移外推法和非奇異單元位移外推法的優(yōu)點(diǎn)

5、，裂紋尖端采用奇異單元，裂紋尖端周?chē)用芰司W(wǎng)格，并設(shè)計(jì)了合理的過(guò)渡網(wǎng)格。楔形奇異單元由20節(jié)點(diǎn)等參單元SOLID95通過(guò)APDL編制宏命令實(shí)現(xiàn)。為保證楔形奇異單元退化邊與裂紋尖端重合，本文編制宏命令C4ZL對(duì)可能發(fā)生的情況進(jìn)行了調(diào)整。分析鋼管混凝土節(jié)點(diǎn)前，分別計(jì)算了拉力、彎矩作用下帶表面裂紋平板的應(yīng)力強(qiáng)度因子，并與Newman公式進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)計(jì)算，對(duì)裂紋尖端周?chē)W(wǎng)格劃分提出了要求。參數(shù)化網(wǎng)格劃分為裂紋擴(kuò)展模擬打下了基礎(chǔ)。 ⑹

6、節(jié)點(diǎn)疲勞壽命分別采用T型搭接板簡(jiǎn)化法和三維有限元數(shù)值法進(jìn)行求解。T型搭接板簡(jiǎn)化法采用Bowness基于Newman公式的系列公式，該法首次被運(yùn)用到圓鋼管混凝土T型焊接節(jié)點(diǎn)上。針對(duì)該套公式本文編制的程序?qū)崿F(xiàn)了節(jié)點(diǎn)疲勞壽命計(jì)算，并參數(shù)分析考察了混凝土疲勞變形模量、迭代次數(shù)、初始缺陷大小對(duì)節(jié)點(diǎn)疲勞壽命的影響。 ⑺三維有限元法數(shù)值求解時(shí)采用ANSYS軟件的APDL編制了51個(gè)宏命令，通過(guò)參數(shù)變換法實(shí)現(xiàn)了帶表面裂紋T型搭接板網(wǎng)格劃分轉(zhuǎn)換為