基于断裂力学的钢梁整体节点疲劳寿命分析

    钢桥整体节点是20世纪90年代我国开始采用的一种新型的节点结构.与传统的铆接、栓接结构相比,整体节点新工艺具有便于工厂化生产、易于保证质量、节省钢材和联结件(可节省高强度螺栓34%)、便于现场施工(改善施工条件和劳动强度)、加速施工进度、降低工程成本、结构外观简洁美观等优点.然而,整体节点构造复杂,焊缝密集,既有对接焊缝,又有棱角焊缝、角焊缝和交叉焊缝,焊接构件产生的残余应力及几何不连续性可能使结构的疲劳强度降低.因此,有必要对整体节点结构的疲劳可靠性进行分析.

    1　计算原理

    疲劳设计的断裂力学方法以损伤容限原理作为设计基础.断裂力学观点认为:材料不可避免地存在缺陷,如划痕、裂纹、焊缝等.用断裂力学观点分析疲劳问题最重要的是宏观裂纹亚临界扩展阶段,疲劳寿命定义为主裂纹从原始裂纹尺寸扩展到某一临界尺寸所需的疲劳循环数或时间.

    在建筑钢结构的疲劳破坏过程中,由于工作载荷一般不大,裂纹尖端的塑性区域通常很小,因而线弹性断裂力学方法能较好地适用.在线弹性断裂力学范围内,静载作用下应力强度因子K能恰当地描述裂纹尖端的应力场强度.大量疲劳试验证明:K是控制裂纹扩展速率()的主要参数与应力强度因子幅值ΔK存在一定的函数关系.Paris最早给出了与ΔK之间的经验关系式[1],即

    =c(ΔK)^m,          (1)

式中,c和m为与材料有关的常数.

    如果已知原始裂纹尺寸a0及裂纹临界尺寸ac,

则    

其中N为疲劳循环次数.一般情况下,

式中Y为表征含裂纹构件几何形状的一个无因次系数.

    将式(3)代入式(2),可得

　　以上是在常幅疲劳下估算裂纹扩展寿命的一般公式,在变幅加载疲劳中,需要利用线性累计损伤准则(Miner准则)对应力幅加以折算,在此不详细叙述.

    2　疲劳寿命分析方法及应力幅云图

    整体节点的疲劳试验采用正弦波常幅荷载,上限荷载P_max= 2 000 kN,下限荷载P_min= 450 kN,幅值Pr= 1 550 kN ,加载频率0.50 Hz.

    本次疲劳试验共加载201.74×105次,未发现有裂纹产生.从试验过程测量的应变数据中也未发现测点应变有明显增大或减小现象,加载即终止.

    我国建筑钢结构设计采用Δσ作为疲劳抗力的应力指标,近年来在钢桥焊接接头疲劳性能方面的研究也均采用Δσ作为疲劳抗力参数[2],所以本文以应力幅Δσ为参数对试验结果进行分析.

    利用ANSYS有限元软件建立有限元分析模型(见图1),对整体节点疲劳试验进行分析.先计算出整体节点在最大载荷Pmax= 2 000 kN作用情况下的应力,作为载荷工况1,然后计算出在最小载荷Pmin=450 kN作用情况下的应力,作为载荷工况2,最后用载荷工况1减去载荷工况2,即可得到整体节点疲劳试验应力幅云图,如图2.通过应力幅云图可以直观地观察应力幅分布规律,得到各点的应力幅值的大小.通过有限元分析,可得危险点的应力幅为Δσ= 167 MPa ,位置在下平板圆弧部位.