铸钢节点环形对接焊缝热点应力分析

铸钢节点的壁厚大于连接杆件,两者连接时壁厚方向存在几何形状的突变,引起焊缝附近的应力集中,降低其疲劳性能。目前现行规程或标准针对铸钢节点与主体结构连接处焊缝的疲劳问题没有明确的设计规定。本文选取两种焊接构造,采用热点应力的表面线性外推法对环形对接焊缝进行轴力作用下的疲劳性能有限元分析。同时选取结构杆件的壁厚t、径厚比d/t 以及铸钢与普通杆件的壁厚比T/t 作为热点应力的影响因素进行参数分析。分析结果表明：热点应力与厚度t关系不大,随着ln(d/t)的增大热点应力呈线性增加;随着T/t的增加,热点应力先增大后减小;ln(σ/(T/t))随着T/t的增加呈线性减小。     

铸钢节点环形对接焊缝的疲劳寿命估算与细节设计

铸钢节点环形对接焊缝的疲劳问题是铸钢节点疲劳问题的关键,对节点的疲劳寿命起控制作用。为研究铸钢节点环形对接焊缝的疲劳寿命估算方法和细节设计,将热点应力法用在铸钢节点环形对接焊缝的疲劳寿命估算中,并研究节点精细有限元的建模、热点位置、热点应力寿命曲线的选取。以杭州湾跨海大桥海中平台观光塔铸钢节点为例,对环形对接焊缝设计了双边焊、带套筒的单边焊、带垫块的单边焊和不带垫块的单边焊4种焊缝细节,计算等幅波浪载荷下各种焊缝的疲劳寿命,并进行比较分析,可为工程中铸钢节点环形对接焊缝的疲劳强度计算和细节设计提供参考。     

铸钢节点环形对接焊缝残余应力分析

在热-弹塑性理论的基础上,以环形对接焊缝连接的G20Mn5铸钢圆管与Q345普通圆管为分析模型,采用ANSYS有限元分析软件,选择内生热率热源模型模拟焊接热输入,利用生死单元技术模拟焊接填充过程,选取普通圆管的径厚比、铸钢圆管与普通圆管的壁厚比及普通圆管的壁厚作为残余应力的影响因素进行参数化分析。结果表明,在焊缝金属区,随普通圆管径厚比的增加,内、外表面横向压应力及内表面纵向拉应力增大;随铸钢圆管与普通圆管的壁厚比的增加,内表面横向压应力增大而外表面横向压应力减小;随普通圆管的壁厚的增加,内表面横向压应力增大而外表面横向拉应力减小,内表面纵向拉应力减小而外表面纵向拉应力增大。在此规律基础上,提出了可供工程参考的残余应力的范围。     

铸钢节点对接焊缝有效缺口应力分析

为了研究铸钢节点对接焊缝的疲劳性能和寿命评估方法,对一种常用的铸钢热轧钢对接焊缝试件进行了疲劳试验研究,得到了刚度、位移与疲劳寿命阶段之间的关系。根据疲劳试验现象和断面的电镜扫描结果,提出了该类试件的疲劳失效机理。此外,采用有效缺口应力法预测了铸钢节点对接焊缝的疲劳寿命,并在考虑了平均应力和焊接残余应力的前提下,提出了改进的有效缺口应力法,分别将预测结果与实测疲劳寿命进行了对比。研究结果表明:铸钢节点对接焊缝的疲劳过程可分为稳定阶段和断裂阶段。稳定阶段占总寿命比例≥80%,断裂阶段≤20%。有效缺口应力法能在一定程度预测疲劳寿命的变化趋势,但结果偏危险,改进的有效缺口应力法能提供较安全的预测结果。     

带垫板的铸钢-轧钢对焊接头疲劳性能试验研究

对11个铸钢-轧钢板件对焊接头试件进行了疲劳试验,接头处不等厚板件采用1∶4坡度过渡,并辅助垫板采用V形坡口焊缝连接.分析了铸钢-轧钢板件不同壁厚比、焊接质量对接头疲劳性能的影响,介绍了国外过去类似构造的铸钢-轧钢板件对焊接头的疲劳性能研究状况,将试验数据与国外研究成果进行了比较分析,对此类铸钢-轧钢板件对焊接头的疲劳...     

十字板+圆钢管-焊接空心球节点静力性能理论及试验研究

十字板+圆钢管-焊接空心球节点(简称"板+管-球"节点)作为网架结构设置悬挂吊车常见的吊点形式之一,其应力分布直接关系到节点的静力性能和疲劳性能。基于ABAQUS有限元分析软件针对8种不同规格的"板+管-球"节点进行数值模拟,得到该类节点的应力分布规律和热点应力集中系数;选取代表性节点(BGQ4节点)进行静力试验,同时采用直观分析法探讨9种因素对节点热点应力集中系数的影响,得出其相关的应力集中系数计算公式。研究结果表明:理论分析和试验研究对应的节点应力分布规律基本吻合;十字板和焊接空心球相贯部位板肋自由端焊缝球面焊趾处为最不利位置,即热点所在;热点应力集中系数影响因素中球壁厚、球外径、十字板宽、十字板厚为主要因素,其中空心球壁厚对应力集中的影响最为显著,其余5种因素为次要因素。     

焊接管节点疲劳研究综述

为加深对焊接管节点疲劳问题的认识,对焊接管节点名义应力法、热点应力法、切口应力法和断裂力学法4种常用疲劳评估方法应用现状和存在问题进行介绍,从疲劳效应（热点应力集中系数）和抗力（热点应力幅S N曲线）2个方面对首推的热点应力法研究现状进行总结,探讨了管节点结构形式的发展趋势。结果表明:焊接管节点常用四大疲劳评估方法中名义应力法应用最广,但过于保守,热点应力法最被推崇,但仍有待进一步完善,切口应力法实施难度大,尚未在规范中使用,断裂力学法则适用于剩余疲劳寿命评估;对于传统的圆形和矩形钢管节点,已形成了较为系统的热点应力评估方法,对热点应力集中系数最大值可能发生位置、外推区域、热点应力集中系数计算公式、壁厚效应修正系数等方面进行了明确的规定;在传统的圆钢管和矩形钢管节点基础上,创新节点形式,提出了钢管混凝土节点、PBL加劲型钢管混凝土节点、圆管 方管节点和鸟嘴式节点,对比传统钢管节点,钢管混凝土节点热点应力集中系数降幅在25%以上,PBL加劲型矩形钢管混凝土节点降幅在50%以上,圆管 方管节点和鸟嘴式节点降幅则介于圆形钢管和矩形钢管节点之间。     

环口板加固T型圆钢管节点的应力集中系数

由于焊接钢管结构在焊缝处的刚度具有不连续性,因此,该部位存在很高的应力集中现象.局部高应力的存在,使节点在长期循环荷载的作用下,会产生微小的疲劳裂纹,而疲劳裂纹的扩展最终会导致整个节点的疲劳破坏.在研究管节点疲劳破坏时,主要通过热点应力幅（S-N曲线方法）确定其疲劳寿命.在计算焊缝处的热点应力幅大小时,经常用到焊缝周围...     

考虑倒角系数的T型铸钢节点的滞回性能分析

铸钢节点用圆形倒角取代了传统焊接管节点相贯线处的焊缝,其应力集中小、承载力强、造型美观,在建筑结构中得到了广泛应用。通过对不同倒角系数和壁厚的T型铸钢节点滞回性能进行有限元分析,发现铸钢节点滞回性能良好,增大倒角系数可以提高极限承载能力,但对节点变形能力影响较小。相关结果为铸钢节点设计和工程的应用提供了理论依据。     

波形角焊缝对波形带颈法兰节点的热影响

波形带颈法兰节点可克服常规环形焊接法兰节点中焊缝集中于同一截面,而使构件存在危险断面的不利情况。针对目前对波形带颈法兰节点的研究尚显不足的情况,为避免焊接缺陷在环形断面集中,提出了波形带颈法兰节点的形式,通过有限元数值模拟进行分析,对焊接温度变化过程进行描述,同时对焊接残余应力的影响区域进行量化分析,并获得节点极限承载力。计算结果表明,波形焊缝可错开焊接缺陷集中环形分布,同时加强了钢管与法兰的连接,并极大地改善了焊接热对法兰节点受力性能的影响。     

Fatigue of girth butt weld for cast steel node connection in tower structure under wave loadings

The application of cast steel node shows a popular tendency in long‐span space structures. The girth butt welds in the joint are the critical parts under fatigue loading. This study presents a fatigue life evaluation of the girth butt welds for the cast steel node connections, which are in a steel tower structure on an offshore platform under heavy wave fatigue loadings. The refined node FEM model is built including the welds. The random waves are treated as ergodic stationary stochastic process; the node structure is considered as a linear dynamic amplification system to decide its output of the stress amplitude response while the random wave is inputted into the system. The welds are designed as different details of bilateral weld, single‐sided weld with a sleeve, single‐sided weld with a backing plate or without a backing plate. The fatigue life of every weld detail is studied by hot‐spot stress method, and the design of weld detail combination is analyzed. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

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.     

钢管混凝土T形相贯节点应力集中系数研究

通过对钢管混凝土T形相贯节点的试验和有限元分析,研究了在轴向荷载和平面内弯矩作用下节点的应力集中系数。结果表明：轴向荷载作用下钢管相贯节点的应力集中系数分布不均匀,而钢管混凝土相贯节点分布较均匀,主管内填混凝土有效降低了相贯节点的应力集中系数,同时也将热点的位置由鞍点变为冠点;平面内弯矩作用下钢管相贯节点主管的应力集中系数分布不均匀,而钢管混凝土相贯节点主管分布较均匀,主管内填混凝土有效降低了主管的应力集中系数,两者支管相差不大;主管轴力对节点的应力集中系数影响较大,进行轴向压力和平面内弯矩作用下节点的应力集中系数计算时,应考虑到主管轴压比的影响;现行规范对于钢管相贯节点应力集中系数的计算公式并不适用于钢管混凝土相贯节点。基于强度等效的原则,提出了改进的应力集中系数计算公式,计算结果和试验结果吻合较好。     

Geometrical effect on the stress distribution along weld toe for tubular T- and K-joints under axial loading

This paper presents general remarks of the effect of the geometrical parameters on the stress distribution in the hot spot stress region for tubular T- and K-joints subjected to brace axial loading. As the stress distribution along the weld toe is very critical for the prediction of the fatigue life of steel tubular joints, the investigation of such geometrical effect can provide integrity assessment for tubular T- and K-joints. Previous research work was mostly focused on the study of the value of the peak stress, but ignored the stress distribution principle. Generally, the location of the hot spot stress along the weld toe affects the crack initiation. Accordingly, the stress distribution has critical effect on the propagating way of the fatigue crack. The stress distribution is mainly determined by the loading type and joint geometry. The geometrical effect on the stress distribution for tubular T- and K-joints subjected to axial loading has been investigated from both numerical and experimental methods in this study. Thereafter, a parametric study has also been carried out to investigate the effect of three popularly used joint geometrical parameters on the stress distribution. From parametric study, it has been found that chord thickness has remarkable effect on the stress distribution for both T- and K-joints, while brace thickness has no effect on such stress distribution. The last geometrical parameter, the diameter ratio between the brace and the chord, has different effects on the stress distribution for tubular T- and K-joints.     

Experimentelle und numerische Untersuchungen von Knotenverbindungen für Tripods von Offshore‐Windenergieanlagen

Experimental und numerical investigations for tripod joints of offshore‐structures. This paper summarises fatigue tests on Y‐joints to estimate the influence of a post weld treatment method called Ultrasonic Impact Treatment (UIT). With this method the fatigue resistance could be increased significantly. Furthermore tubular joints of tripods are analysed with numerical simulations to judge these welded joints with the hot‐spot‐concept. The stress concentration factor for the treated weld toe geometry was determined numerically using submodel analysis. Finally a comparison between welded and cast iron joints is carried out for the fatigue limit state under consideration of experimental results.     

阵列式布设内栓钉的钢管混凝土K型节点足尺模型疲劳性能研究

为研究阵列式布设内栓钉的钢管混凝土K型(CFST KS)节点疲劳性能,进行CFST KS节点和不布设内栓钉的钢管混凝土K型节点(CFST K)足尺模型的疲劳试验和有限元研究,对比分析了2种节点的热点应力分布、疲劳裂纹扩展过程和疲劳破坏模式,研究了内栓钉布设区域与排布方式对热点应力的影响,采用基于热点应力的S-N曲线探讨疲劳寿命的判定标准与疲劳寿命评价方法。结果表明：CFST KS节点的热点应力宜采用3点外插法计算,最大热点应力位于冠点处;CFST KS节点的疲劳性能演化过程可以分为疲劳裂纹的萌生、扩展和破坏三个阶段,CFST KS节点较CFST K节点在裂纹扩展阶段荷载反复次数更高,在裂纹破坏阶段疲劳裂纹的扩展速率更低,由于布设了内栓钉,疲劳裂纹扩展至鞍点附近后不再继续沿着相贯线方向扩展,而往主管环向且与主管轴线呈一定角度发展;建议采用CFST K节点冠点应变峰值变化15%对应的荷载反复次数作为疲劳破坏的判定基准;提出了基于热点应力的CFST K节点疲劳设计S-N曲线,并依据S-N曲线预测在同等热点应力幅下,布设内栓钉可以使CFST K节点的疲劳寿命提高45%;减少支管侧内栓钉的轴向间距和径向间距可以提高节点的疲劳性能,非支管侧的栓钉布置、栓钉的尺寸以及栓钉的轴向布置范围对疲劳性能的影响较小,栓钉的轴向布置范围对栓钉自身的受力状态有所影响;基于CFST KS节点静力与疲劳性能提出了内栓钉的合理布置形式。     

基于热点应力法的钢管混凝土焊接节点疲劳构造细节比较

以钢管混凝土组合桁梁桥为研究对象,总结给出基于热点应力法的节点疲劳评估流程,并对其疲劳构造细节进行研究。结果表明:在矩形空管等宽节点基础上,主管内填混凝土使得节点支、主管表面最大热点应力幅分别降低10.86%和26.51%,节点疲劳寿命提高3.78倍; 在圆形空管节点基础上,主管内填混凝土使得节点支、主管表面最大热点应力幅分别降低13.88%和16.39%,节点疲劳寿命提高2.11倍; 在主方支圆空管节点基础上,主管内填混凝土使得节点支、主管表面最大热点应力幅分别降低20.06%和29.81%,节点疲劳寿命提高1.92倍; 此外,对于矩形钢管混凝土节点,先后在主管内壁设置PBL加劲肋和腹板采用整体节点板,支管表面最大热点应力幅分别继续下降12.11%和29.20%,主管表面最大热点应力幅分别继续下降8.81%和15.64%,由此可知,改变矩形空管节点的构造细节,可以使焊趾处的应力分布趋于均匀,疲劳寿命得到显著提高; 同时,在确保各类节点几何尺寸基本相当的前提下,研究得到各类节点疲劳性能优劣次序为PBL加劲型矩形钢管混凝土焊接整体节点、PBL加劲型矩形钢管混凝土等宽节点、矩形钢管混凝土等宽节点、矩形空管等宽节点、圆形钢管混凝土节点、圆形空管节点、主方支圆钢管混凝土节点、主方支圆空管节点。     

重庆江北机场铸钢节点可靠性分析与响应面法实现

以重庆江北国际机场新航站楼工程为背景,对其主楼钢桁架的铸钢节点(以三肢铸钢节点ZG-2c为例),编制APDL语言程序实现参数化建模,并利用有限元软件ANSYS的统计分析模块(PDS模块),采用基于概率理论的数值模拟方法——响应面法(RSM),对铸钢节点这类实体结构进行可靠性分析。根据有限元单次运算的结果,选取不同的失效应力作为强度限值,获得铸钢节点相应的失效概率及可靠度指标。分析表明:铸钢节点工作状态是安全可靠的;由各随机变量的相关系数及影响程度比值,明确了影响铸钢节点工作性能各因素的显著性程度;最后探讨了对于类似节点失效模式选取时需要注意的原则。