十字形板-焊接空心球节点热点应力集中的有限元分析及试验研究

十字形板-焊接空心球节点作为网架结构设置悬挂吊车常见的吊点形式之一,其节点的热点应力集中程度直接关系到其疲劳性能。基于ANSYS有限元分析和节点静力试验,重点针对该类节点中热点位置和应力状态进行分析;采用多因素分析法对以5种因素匹配而成的21个节点模型进行模拟。静力试验和有限元分析结果表明:节点板肋端部焊缝焊趾球面处为最不利位置,即节点热点;节点热点处径向应力远大于环向应力,两者相差1.5~3.3倍;焊接空心球直径、十字形板厚与节点热点应力正线性相关,其余3种因素与其热点应力负线性相关;基于上述5种因素,初步建立了该类节点热点应力集中系数的计算式。     

钢管混凝土桁架焊接节点热点应力集中系数研究

钢管混凝土桁架焊接节点构造复杂,焊缝区域应力集中程度高,是疲劳易损部位。根据钢管混凝土桁架2种主要节点构造形式——焊接管节点和管-板焊接节点,利用有限元软件ANSYS分别建立了K型相贯节点、管-板节点和扫把型节点空间模型,基于国际焊接协会(IIW)和挪威船级社(DNV)提出的热点应力计算方法,进行节点连接焊缝处热点应力的数值分析。分别讨论了主管受拉、支管在典型荷载作用下,焊接节点焊趾处的热点应力集中系数。结果表明:管节点热点剪应力幅很小,热点正应力集中系数较大;管-板节点应力集中程度低,最大热点应力集中出现在管-板节点的节点板端部;扫把型节点应力集中特性与管-板节点相似,但构造相对复杂。依照基于热点应力S-N曲线的疲劳性能评估方法,钢管混凝土桁架结构采用管-板节点时,具有较好的抗疲劳性能。     

反向平衡法兰热点应力幅实测及有限元分析

反向平衡法兰作为一种新型大直径钢管结构连接节点,近年来在风力发电塔结构中得到了大量应用。通过实测风力发电塔运行荷载和反向平衡法兰各焊缝处的热点应力幅,采用有限元方法对反向平衡法兰进行疲劳热点应力分析。研究表明:有限元分析结果与实测结果一致;法兰板与筒壁上焊缝是焊接疲劳分析的关键位置;实测热点应力幅小于极限疲劳强度,有限元计算疲劳设计热点应力均小于52.63 MPa,反向平衡法兰焊缝疲劳性能满足要求。     

正交异性钢桥面板横隔板切口疲劳应力分析

以正交异性钢桥面板横隔板切口疲劳应力为研究对象,采用六种横隔板切口形式,以某钢箱梁桥为例,利用abaqus有限元分析软件分别建立三维板壳有限元模型。建模时对横隔板切口部位的网格进行细化,以确保计算结果足够精确。分析在最不利荷载作用下,横隔板切口部位产生的面内外应力对疲劳应力的影响。结果表明影响横隔板切口位置疲劳性能的主应力主要由面内应力决定的;日本采用的横隔板切口形式的切口尺寸最小,该细节受到到的面内应力最小,疲劳性能最好,为正交异性钢桥面板横隔板设计提供参考。     

K型、KK型间隙方钢管节点静力工作性能的试验研究

为研究多平面直接焊接方钢管节点性能,本文对6个K型和8个KK型直接焊接方钢管节点进行了静力试验研究。通过对节点破坏模式和极限承载力的分析,研究了几何参数(β、g)、支杆作用位置和空间作用对节点极限承载力的影响。采用ANSYS程序中四节点板壳单元对试验节点进行了弹塑性、大挠度有限元分析。将试验数据、CIDECT公式计算结果及有限元计算结果进行了比较。研究结果表明,采用ANSYS分析方钢管节点是可行的。空间作用对KK型方钢管节点承载力有明显的影响,支杆偏离弦杆纵向轴线作用使节点承载力有一定程度的提高。     

钢桥整体节点疲劳寿命评估

以某钢桁梁桥为背景,基于ANSYS有限元软件对桥梁在移动荷载作用下的动力性能进行分析,找出了桥梁最不利的整体节点;提取了车辆过桥时,该整体节点的应力时程曲线,利用雨流计数法原理,计算出该整体节点处的应力频值谱,并利用名义应力法对桥梁整体节点疲劳寿命进行了评估。研究结果表明,桥梁整体节点设计合理,正常使用年限内是不会产生破坏的。     

不同焊接孔形式梁柱节点的抗震性能分析

梁柱节点局部构造对钢框架结构抗震性能影响显著,为了全面地对比分析不同焊接孔形式及尺寸对焊接节点抗震性能的影响,采用通用有限元软件ANSYS建立节点的非线性有限元模型。通过建立的5种不同焊接孔形式及尺寸的梁柱节点模型,与标准焊接孔节点模型对承载力、滞回性能和塑性损伤指数进行分析对比,探讨焊接孔形式及尺寸对节点抗震性能的影响。分析结果表明:焊接孔的形式及尺寸对节点滞回性能有较大影响,焊接孔的局部形式会造成节点不同的累计损伤效果。结论对于工程应用有重要的参考意义。     

大跨径波形钢腹板PC组合连续箱梁桥静力特性研究

大跨径波形钢腹板梁桥焊接处的疲劳问题和中墩墩顶处应力集中情况直接影响桥梁整体的承载力,而国内外对大跨径波形钢腹板组合箱梁实桥的研究资料还较为缺乏。该文以某跨径83m+153m+83m单箱单室波形钢腹板PC组合连续箱梁桥为研究对象,通过有限元软件Midas/Civil和ABAQUS分别对该波形钢腹板桥梁的疲劳性能和中墩墩顶处的局部应力特性进行计算,最后进行抗疲劳性能评价和应力集中情况分析,得到了该大桥各截面验算位置处疲劳应力情况以及中墩墩顶处的局部最大应力,并将计算结果分别与相关规范做对比,均能符合规范要求。研究成果可供类似桥梁设计参考。     

连续钢桁架-桁拱组合桥节点的焊接残余应力分析

焊接结构的桥梁应用越来越广泛,而焊接残余应力是影响桥梁钢结构强度的关键因素之一.利用ANSYS有限元分析软件,详细分析了上海嘉定蕴藻浜大桥桁架-桁拱结合节点的焊接残余应力和分布情况,并结合该节点局部应力分析的计算结果,为结构设计和钢结构加工提供一些建议.     

负载下钢结构端板连接节点焊接加固受力特性的有限元分析

为研究负载下端板连接节点焊接加固的有限元分析方法和其受力特性,通过有限元软件ANSYS建立有限元模型,对4个不同初始负载下端板连接节点焊接加固受力特性进行了分析。目前常用的方法仅采用生死单元,并未考虑焊接过程的热影响。本文采用间接热结构耦合的分析方法,考虑了随温度变化钢材材性的变化和焊接热过程,并提出能够考虑负载下焊接加固过程的有限元分析方法。通过将有限元分析结果与试验结果作对比,验证了该有限元模型及分析方法的可行性。有限元分析结果表明,钢结构端板连接节点的焊接加固受力特性受初始负载的影响较大。     

风-冰联合作用下风电塔高强螺栓疲劳可靠度分析

针对风力机塔筒法兰联结螺栓结构特殊、受力复杂、易于失效等特点,对风-冰联合作用下高强螺栓节点的疲劳可靠度进行了研究。首先通过谐波叠加法生成风速时程,按照概化冰力函数求出作用于风电塔上的冰力时程; 然后应用ANSYS建立风电塔模型,施加生成的风荷载及动冰荷载,得到法兰中心处的应力时程曲线; 基于Schmidt-Neuper理论及有限元方法分别对法兰联结螺栓结构进行计算,得到法兰受载与螺栓应力之间的关系; 通过MATLAB多项式拟合得到外荷载作用下螺栓的应力时程曲线; 最后基于累积损伤理论,计算螺栓在不同荷载工况下的疲劳可靠度,并讨论预紧力、螺栓位置、冰速对其疲劳可靠度的影响。结果表明:考虑冰载后螺栓的疲劳可靠度均有所下降,冰载对螺栓疲劳可靠度的影响不容忽视; 预紧力的大小对风载作用下的螺栓疲劳可靠度影响较大,对冰载作用下的螺栓疲劳可靠度影响不大; 螺栓所在位置对各荷载工况下的螺栓疲劳可靠度均存在较大影响,且对冰载作用下的螺栓疲劳可靠度影响最为明显; 法兰所受外荷载大于使螺栓节点分开所需的荷载时,会增加螺栓的应力幅值,从而降低其疲劳可靠度; 冰载作用下影响螺栓疲劳可靠度的主要因素为冰激作用导致的塔架共振。     

焊接残余应力对网架负荷加固的影响分析

负荷条件下对网架结构进行加固时,焊接残余应力对网架结构的内力、变形有较大影响。本文结合某网架负荷加固工程,通过运用ANSYS有限元软件对焊接杆件施加等效温度荷载的方式,模拟网架负荷加固杆件焊接时的热胀冷缩。通过相应的应力、变形分析,得出焊接残余应力对网架结构负荷加固的影响。     

Fatigue Strength and Root-Deck Crack Propagation for U-Rib to Deck Welded Joint in Steel Box Girder

Fatigue tests and numerical analysis were carried out to evaluate the fatigue performance at the U-rib to deck welded joint in steel box girder. Twenty specimens were tested corresponding to different penetration rates (80 and 100%) under fatigue bending load, and the fatigue strength was investigated based on hot spot stress (HSS) method. The detailed stress distribution at U-rib to deck welded joint was analyzed by the finite element method, as well as the stress intensity factor of weld root. The test results show that the specimens with fully penetration rate have longer crack propagation life due to the welding geometry, resulting in higher fatigue failure strength. The classification of FAT-90 is reasonable for evaluating fatigue strength by HSS method. The penetration rate has effect on crack propagation angle near the surface, and the 1-mm stress below weld toe and root approves to be more suitable for fatigue stress assessment, because of its high sensitivity to weld geometry than HSS.     

桅杆结构风振疲劳及可靠性分析

运用Monte Carlo方法对桅杆结构的非线性风振响应进行了计算。应用雨流法统计了纤绳节点板焊缝在服役期间内的应力幅及对应的循环次数。基于Miner线性累积损伤准则,计算得到了结构的疲劳寿命。以桅杆结构纤绳节点板焊缝的极限疲劳循环次数作为随机变量,利用可靠度理论分析了焊缝在不同服役期的疲劳可靠度。     

国际期刊导读

给出波纹钢腹板与翼缘板焊接节点的疲劳评估方法。对这种焊接节点的失效模式、应力分布和疲劳强度进行试验研究和有限元分析。由于节点处弧线焊缝的应力集中对疲劳寿命的评估十分重要,因此,对这类几何效应进行了研究,并对其应力特性进行了讨论。结果表明,由于节点处弧线焊缝疲劳关键点的应力集中,曲率半径与波纹高度之比越小,波纹和曲率角度的影响越显著,反之亦然。可将十字形节点的S-N曲线作为极限值,与不同波纹角度焊接节点的疲劳强度进行对比。所提出的方法考虑了复合应力条件,可用于波纹板焊接节点的疲劳评估。该方法也从理论上对残余应力的影响进行了讨论。     

斜拉桥锚拉板足尺模型疲劳试验

为研究斜拉桥钢主梁与锚拉板采用对接焊形成的“上”字形索梁锚固结构的疲劳性能,进行了锚拉板足尺模型疲劳试验。通过全桥有限元分析确定了疲劳试验的模型设计;综合对比多种疲劳荷载计算方法,确定了试验的疲劳荷载;考虑平均应力对疲劳荷载的影响,确定了疲劳荷载的最大、最小峰值。结果表明:足尺模型历经300万次疲劳加载后,各部位均未发现疲劳裂纹,应力测试结果与有限元分析值吻合良好;“上”字形索梁锚固结构的疲劳性能满足工程要求。     

基于等效结构应力的钢框架焊接梁柱节点低周疲劳评估

在地震作用下钢框架梁柱焊接节点会发生低周疲劳现象,进而导致结构发生破坏。本文基于等效结构应力法提出一种高层钢框架梁柱焊接节点低周疲劳评估方法。首先,结合有限元多尺度模拟方法,建立包含翼缘及腹板焊缝细节的钢框架梁柱焊接节点多尺度模型。其次,利用不同单元尺寸多尺度模型,验证结构应力的网格不敏感特性,进而通过等效结构应力法评估钢框架梁柱焊接节点的疲劳寿命。结果表明,采用等效结构应力法可消除网格的敏感性,在往复荷载作用下,靠近工艺孔焊缝应力水平高于远离工艺孔焊缝,翼缘中心焊缝寿命最低,裂纹最先产生于翼缘焊缝中心处,评估方法为实际工程提供技术支持。     

支盘桩的承载特性研究

采用ANSYS软件,建立支盘桩-土的三维有限元模型,对桩土之间的作用进行接触分析,研究了挤扩支盘桩在荷载作用下位移场、应力场的变化规律和桩土之间的相互作用。分析认为,支盘桩桩侧摩擦力比较小,支盘上斜面及靠近支盘的上、下桩体表面与土体脱开,主要依靠支盘下斜面及桩底承受荷载。     

方钢管混凝土柱-钢梁节点有限元分析

通过有限元软件ANSYS对设有双T加劲板连接件的方钢管混凝土柱—钢梁节点进行了空间非线性分析,研究节点区在单调荷载和低周反复荷载作用下的受力机理,指出方钢管混凝土柱—钢梁节点具有优良的延性及耗能能力,且加劲板的设置有效地降低了节点区的应力集中。     

复合型钢管节点试验研究

以某大型起重机栈桥桁架结构为工程背景,通过实际结构中一个重要的复合型钢管节点的足尺模型和缩尺模型试验,并结合有限元数值模拟分析,对该类复合型钢管节点的受力性能和破坏模式进行了研究。研究结果表明,该类节点的控制部位为受拉斜腹杆与节点板的交接部位,节点的破坏模式为该处因为应力集中和焊接缺陷而导致钢管开裂,随着荷载的增加,裂缝进一步发展,从而使得节点丧失承载能力。实际结构中的该类节点在设计荷载作用下处于安全状态,但其设计安全度宜适当提高。