含局部焊接細(xì)節(jié)的橋梁鋼桁架結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力響應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)的局部損傷和疲勞累積是結(jié)構(gòu)失效的主要原因，因此以狀態(tài)評(píng)估為目標(biāo)的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模擬必須準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)在實(shí)際服役載荷下的動(dòng)力響應(yīng)和關(guān)鍵焊接細(xì)節(jié)處的熱點(diǎn)應(yīng)力分布。目前的建模理論尚難以考慮結(jié)構(gòu)中事實(shí)上存在的局部缺陷及對(duì)損傷的演化過(guò)程進(jìn)行仿真分析。因此，考慮局部焊接細(xì)節(jié)特性的結(jié)構(gòu)模擬對(duì)于結(jié)構(gòu)損傷分析有重要的學(xué)術(shù)意義。本文的主要內(nèi)容是從實(shí)驗(yàn)研究的角度探討含局部焊接細(xì)節(jié)的橋梁鋼桁架結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究是認(rèn)識(shí)與分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力分布規(guī)律和

2、動(dòng)力特性參數(shù)的有效手段，實(shí)驗(yàn)研究得到的測(cè)試信息可以對(duì)含局部焊接細(xì)節(jié)的結(jié)構(gòu)的有限元模擬方法研究提供實(shí)驗(yàn)支持。本項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“大跨結(jié)構(gòu)多尺度損傷模擬與失效行為仿真分析”(項(xiàng)目編號(hào)：50278017)和教育部博士點(diǎn)基金(項(xiàng)目編號(hào)：20040286031)的資助。 實(shí)驗(yàn)研究以香港青馬大橋縱向加勁桁架標(biāo)準(zhǔn)段的1：5縮尺模型(4.2m×1.32m，共一榀)作為含局部焊接細(xì)節(jié)的鋼桁架結(jié)構(gòu)的代表，進(jìn)行了多種工況下靜動(dòng)載響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

3、研究；重點(diǎn)對(duì)焊接區(qū)域附近的應(yīng)變應(yīng)力分布規(guī)律、熱點(diǎn)應(yīng)力分布和應(yīng)力集中系數(shù)進(jìn)行了探討和分析。針對(duì)實(shí)驗(yàn)研究的目的和內(nèi)容，完成了鋼桁架結(jié)構(gòu)縮尺模型研制和實(shí)驗(yàn)方案的研究；對(duì)試樣結(jié)構(gòu)的整體和局部焊接細(xì)節(jié)處的材料性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，得到了母材、焊趾附近區(qū)域和焊材(焊縫熔堆)三部分的材料性能參數(shù)；根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案，在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備和部分自行研制設(shè)備的基礎(chǔ)上完成了含局部焊接細(xì)節(jié)的鋼桁架縮尺模型的靜動(dòng)載實(shí)驗(yàn)，得到了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑寄B(tài)參數(shù)、節(jié)點(diǎn)位移及轉(zhuǎn)角和整體測(cè)

4、點(diǎn)及3個(gè)局部測(cè)區(qū)的應(yīng)變信息；對(duì)測(cè)試得到的靜動(dòng)載響應(yīng)信息從整體應(yīng)力分布、局部應(yīng)力分布及影響因素等幾方面進(jìn)行了分析，得到了整體和局部的應(yīng)力分布規(guī)律，以及熱點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力集中系數(shù)隨邊界約束條件、載荷工況等的變化而變化的趨勢(shì)。 實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果表明：1)含局部焊接細(xì)節(jié)試樣的材料性能參數(shù)必須按三類取值，即母材、焊趾區(qū)域和焊材(焊縫熔堆)，由于受局部焊縫的影響三者的材料性能參數(shù)發(fā)生了變化，不能簡(jiǎn)單取某個(gè)值來(lái)相互替代。2)整個(gè)桁架試樣的受力特性接

5、近于梁型結(jié)構(gòu)，在所施加的邊界約束和載荷工況下，試樣模型整體以受彎為主要形式，具體到各部位桿件表現(xiàn)為：桁架結(jié)構(gòu)上下弦桿較其它桿件受力均勻，主要以軸向應(yīng)力為主；中部腹桿除兩端的斜桿外受力較小，也以軸向應(yīng)力為主，兩端的斜桿為結(jié)構(gòu)模型的應(yīng)力幅值最大的部位，應(yīng)力水平最高。3)隨著約束的加強(qiáng)，整個(gè)桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布相對(duì)地更加趨于平緩，整體應(yīng)力水平也會(huì)降低。4)局部測(cè)區(qū)的應(yīng)力分布與熱點(diǎn)區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象不僅與周圍的焊縫細(xì)節(jié)有關(guān)，還與模型結(jié)構(gòu)所受到的載

6、荷形式、載荷施加位置等載荷工況有關(guān)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，相同條件下均布載荷比集中載荷引起的應(yīng)力集中要小，隨著載荷的增大應(yīng)力集中系數(shù)增加的速度變慢；由于實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)的明暗焊縫形式復(fù)雜，縱橫交錯(cuò)，應(yīng)力集中系數(shù)呈非線性變化規(guī)律。5)靜載和動(dòng)載引起的結(jié)構(gòu)中應(yīng)力分布規(guī)律基本上是一致的，幅值出現(xiàn)的位置也基本一致，但不同測(cè)點(diǎn)對(duì)靜載或動(dòng)載的相對(duì)敏感性不同，這主要與測(cè)點(diǎn)所在位置和載荷工況有關(guān)。由于動(dòng)應(yīng)變測(cè)試得到的時(shí)程曲線是一個(gè)隨時(shí)間而變化的結(jié)果，邊界誤差和加載系