直角突变式支座薄腹钢吊车梁疲劳性能评估与加固技术研究

设直角突变式支座的薄腹钢吊车梁，在吊车荷载作用下，腹板平面外变形产生的弯曲应力导致吊车梁腹板的疲劳性能明显降低。实际工程中的直角突变式支座薄腹吊车梁，在插入板端部位置的腹板沿竖向产生疲劳裂纹，裂纹长度最大达到300 mm,继续开裂会严重威胁生产安全。通过实测开裂的直角突变式支座薄腹吊车梁的动态应力、欠载效应的等效系数及平面外动态变形，得出吊车运行频繁程度和插入板端部切角弧度是影响插入板端部位置腹板疲劳强度的关键因素。采用有限元法和疲劳裂纹扩展分析技术，对直角式突变支座薄腹吊车梁插入板端部的腹板开展了拟静态疲劳裂纹扩展模拟，得出裂纹长度与应力强度因子的关系曲线。提出了适用于直角突变式支座薄腹吊车梁的钢板高强螺栓加固和“贝壳板”焊接加固两种加固方法，并对比分析了两种加固方法的有效性。证明钢板高强螺栓加固和“贝壳板”焊接加固均可有效降低裂纹尖端的应力强度因子，提高直角突变式支座薄腹钢吊车梁疲劳强度。     

钢吊车梁直角式突变支座疲劳性能研究

钢吊车梁直角式突变支座在工业建筑中应用广泛,然而缺乏该类连接的疲劳强度评估数据。通过回顾直角式突变支座的演化历史,基于有限元分析,研究了截面参数对直角式突变支座应力集中区域的影响;通过缩尺模型疲劳试验,得出适用于该类构件疲劳强度评估的S-N曲线,直角式突变支座插入板与封板连接焊缝的疲劳强度相对于200万次的允许应力幅为80. 2 MPa,与GB 50017—2017《钢结构设计标准》中的第Z7类相似。     

弯曲封板直角突变式钢吊车梁的疲劳强度分析

弯曲封板直角突变式钢吊车梁,在2001年推广使用,至今已出现疲劳断裂工程实例。但针对此类钢吊车梁的研究较少,尤其缺乏疲劳试验研究,基于相似性原理,设计并开展了缩尺模型疲劳试验,基于试验数据及结构应力概念,统计回归该连接类型的疲劳强度S-疲劳寿命N曲线,对比总结缩尺模型与原型疲劳裂纹扩展模式,验证试验与工程实际的相似性。最后,通过工程实例验证了试验结果的可靠性、实用性。     

三腹板圆弧过渡式支座钢吊车梁疲劳试验研究

变截面钢吊车梁支座的疲劳问题一直是我国冶金工业建筑的研究热点之一,2013年针对"久治不愈"的变截面钢吊车梁疲劳问题,提出了三腹板圆弧过渡式变截面支座。针对三腹板变截面支座开展了缩尺模型疲劳试验研究,探索了该类变截面钢吊车梁的疲劳裂纹萌生位置及疲劳强度。基于等效峰值应力法,对比分析了三腹板圆弧过渡式变截面支座边腹板焊根、焊趾处的应力水平,应力集中程度等,证明了等效峰值应力法适用于该类变截面支座边腹板单面坡口角焊缝的疲劳性能分析,并结合试验结果得出基于等效峰值应力法的疲劳强度S-N曲线。     

移动荷载作用下钢吊车梁的行为参数研究

钢吊车梁的研究多集中于理论和模型试验研究,为了弥补了钢吊车梁在实测研究中的空白,进行了重级工作制下钢吊车梁受力性能的实测研究。在吊车满载、额定荷载、空载3种荷载工况下,对某炼钢厂连铸车间正在服役的4根跨度不同、轨道偏心距不同的钢吊车梁进行了现场动态应变测试。测试结果表明:采用直角式和变截面圆弧式吊车梁,其支座端有应力集中现象,在吊车频繁运行的情况下,容易产生疲劳裂纹。变截面圆弧式吊车梁在变截面圆弧处易出现径向、切向疲劳裂纹;对于直角式变截面支座,在满足一定构造要求的前提下,其抗疲劳性能优于变截面圆弧式支座。对实际工程中需采用变截面的吊车梁,建议采用直角式突变支座。在偏心移动荷载往复作用下,钢吊车梁上翼缘与腹板连接处,主应力及剪应力的循环作用是该处容易形成疲劳损伤的原因之一。     

几种钢吊车梁变截面支座抗疲劳性能的对比分析

用有限元法完成了梯开过滤式支座、圆弧过渡式支座及直角突变式支座钢吊车梁在同一条件下的应力，变形分析；由各受试梁的应力场分析，找出了支座应力分布规律的差异和疲劳裂纹敏感区；由各单元高斯积分点的应力值和应力集中系数分布曲线，捕捉到了疲劳裂纹首发点的位置。     

钢吊车梁的疲劳寿命分析与预测

针对钢吊车梁中普遍存在的支座附近产生裂缝的破坏现象,选取建于20世纪70年代的某炼钢厂房吊车梁为研究对象,模拟吊车在吊车梁上的行走过程,并分析吊车梁的应力分布规律和应力-时间历程。通过雨流计数法处理吊车梁上最危险点的应力循环,获得吊车梁的疲劳应力谱,并采用6种现有的疲劳寿命预测方法对吊车梁进行疲劳寿命预测。结果表明:相同板件尺寸条件下,选用直角突变型支座形式的吊车梁的疲劳寿命预测值要比其他支座形式的高,而梯形过渡式次之,角钢封板式和圆弧过渡式钢吊车梁的疲劳性能较差。支座加劲肋能够有效减小支座处的等效应力,提高其疲劳寿命。当支座端的腹板上下两部分高度相对一致时,吊车梁的疲劳性能相对较优。     

钢吊车梁直角式突支座疲劳性能试验研究

通过对钢吊车梁直角式突变支座双向荷载的静力和疲劳试验，研究了突变支座各板件的应力状态；讨论了荷载循环次数对突变点附近腹板应力的影响；对这种吊车梁的疲劳破坏特征也作了较详细的描述，提出了设计施工中应当采取的技术措施。     

三腹板直角突变式支座钢吊车梁受力性能分析

目前国内钢吊车梁直角突变式支座发展出疲劳裂纹的现象十分普遍,为改善该类支座的抗疲劳性能,提出了三腹板的加固构造方式.利用ANSYS有限元软件进行数值仿真计算,分析支座处加固前后各应力集中部位沿焊缝长度方向的结构应力分布及过渡板对三腹板构造的影响;基于热点应力法,探究了边腹板长度、厚度、间距对三腹板构造加固效果影响的一般...     

变截面吊车梁直角突变式支座的构造

变截面吊车梁的疲劳破坏与变截面的支座构造紧密相关。根据变截面吊车梁两种直角突变式支座构造的疲劳性能研究结果,讨论变截面吊车梁直角突变式支座节点的合理构造,并推荐其中一种疲劳性能好、经历过工程实践检验而可广泛推广应用的支座节点构造。     

Experimental investigation of beam-to-column connection with SHN490 steel under cyclic loading

Seismic performance of beam-to-column connections used in the middle-low rise buildings was investigated through the cyclic loading test. Four joint specimens were prepared in accordance with the variables of material and connection type. In two cases of welded connection, the brittle fracture in weld did not occur but cracked at heat-affected zone (HAZ) and/or near weld access hole. In the connections with extended end-plate, punching failure followed by end-plate failure occurred at the flange of column around bolt head. The moment capacities based on failure modes were calculated and compared with the test results. The connections were classified as rigid, semi-rigid, flexible in terms of bending stiffness and strength.

     

Prediction of the fatigue life of slender web plates using fracture mechanics concepts

The results of a series of fatigue tests, on slender plate girders subjected to repeated shear loading, are summarised and used to establish a lower bound fatigue strength curve for the welded web boundary, based on geometric or principal surface stress ranges. The propagation of a semi-elliptical surface crack, through the thickness of a plate, is studied using fracture mechanics concepts. An extensive parametric study indicates that the initial crack size and aspect ratio, the geometric stress concentration at the weld toe, and the plate thickness, all have a significant influence on fatigue strength. It is concluded that the fracture mechanics approach requires specification of a number of parameters which are difficult to determine in practice. However, having specified a realistic crack size and aspect ratio and an approximate stress concentration at the weld toe, the solution can be calibrated against available experimental fatigue strength curves.     

Fatigue strength evaluation of welded structural details in corrugated steel web girders

Fatigue strength evaluation of welded structural details is of practical significance in the design of corrugated steel web girders in highway bridges and industrial structures. In this paper, the fatigue strengths of corrugated steel web girders with several welded structural details and welding methods are analytically examined by fatigue tests of corrugated web beams and small-size welded joints. The stress concentration & distribution characteristics of corrugated web beams were analysed using finite element analysis. The beam test results showed that the structure with scallops or notches in the flange has lower fatigue strength and that with butt joints is prone to suffer from shear crack on the corrugated web. Within the inside range of the scallop, the stress concentration becomes greater with the increase of scallop radius and the tension flange contributes significantly to the bending capacity of corrugated steel web beams. The tests for small-size welded joints indicated their applicability in the analysis and prediction of S-N relationship of the test corrugated steel web beams. Finally, the fatigue crack propagation lives of weld joints were compared with those of test corrugated steel web beams with respect to related design Categories of the AASHTO LRFD Bridge Design Specifications.     

基于三参数威布尔分布模型的铸钢及对接焊缝腐蚀疲劳寿命评估方法

在海洋腐蚀环境和往复荷载耦合作用下，结构会产生腐蚀疲劳问题。为了更准确地拟合铸钢母材及对接焊缝的腐蚀疲劳应力 寿命（S-N）曲线，采用基于三参数威布尔分布对曲线进行修正，得到不同失效概率下的S-N 曲线表达式。采用概率权重矩法(PWM)求出威布尔参数的两个通解，其拟合结果接近，相对误差不超过5%。与Stromeyer模型S-N曲线拟合结果进行对比，发现基于三参数威布尔模型S-N 曲线具备更好的弯曲形状且拟合精度更高。对于G20Mn5QT铸钢母材，其拟合结果与疲劳试验值的误差平均值为13.8%；对于对接焊缝，其拟合结果与疲劳试验值的误差平均值为11.8%。     

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。     

钢管混凝土K形节点足尺模型疲劳性能试验

为研究钢管混凝土K形节点足尺模型疲劳性能,对其进行疲劳试验,并与钢管K形节点疲劳性能进行比较,通过对比分析得到钢管混凝土K形节点热点应力分布规律、疲劳性能演化和疲劳破坏形式,并探讨钢管混凝土K形节点疲劳寿命评价方法。结果表明:钢管混凝土K形节点与钢管K形节点最大热点应力的位置均位于受拉支管与主管相贯焊缝主管侧冠点处,钢管混凝土K形节点的应力集中系数约可降低至钢管K形节点的58%,且热点应力宜采用二次外推方式;两者疲劳性能演化过程均可分为疲劳裂纹萌生、扩展和破坏三个阶段,钢管混凝土K形节点在扩展和破坏阶段分别以沿主管壁厚方向和相贯焊缝长度方向扩展为主,与钢管K形节点主要扩展方向相反;两者疲劳裂纹均属于张开型Ⅰ裂纹,钢管混凝土K形节点疲劳裂纹断口沿壁厚方向呈"呲牙"状,且疲劳裂纹扩展路径较长。钢管混凝土K形节点抗疲劳性能明显优于钢管K形节点的最主要原因在于,管内混凝土的约束作用提高了钢管混凝土K形节点主管的径向刚度,钢管混凝土K形节点的压陷和外凸变形远小于钢管K形节点。基于一点法原则建立的钢管混凝土K形节点疲劳设计S-N曲线具有较高精度。     

钢框架梁柱节点焊缝损伤性能研究Ⅱ：理论分析和有限元模拟

采用断裂力学理论,依据9个钢框架全焊接梁柱节点局部试件的单向拉伸试验结果,对节点试件的焊缝损伤进行了理论分析和有限元模拟。理论计算表明,简化计算式能够简洁地反映节点开裂情况,但对约束条件、裂纹尺寸的简化会影响计算精度。有限元分析结果表明,焊接孔附近的应力集中和热影响区材料的退化导致节点焊缝断裂易发生在梁腹板焊缝位置和梁翼缘焊缝热影响区,两处开裂概率接近,与试验结果吻合;试件开裂位置由初始缺陷的尺寸、位置和材料断裂韧性共同决定;弹塑性有限元分析能够较准确分析试件开裂位置和启裂荷载,精度较高,为研究梁柱节点焊缝损伤性能提供了一种损伤判断方法和准则。     

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。     

正交异性钢桥面板结构体系的疲劳破坏模式和抗力评估

正交异性钢桥面板的疲劳问题属于包含多疲劳破坏模式的结构体系疲劳问题。基于这一本质特性,以典型的正交异性钢桥面板结构体系为研究对象,由结构体系的主导疲劳破坏模式出发,提出正交异性钢桥面板结构体系疲劳抗力评估的新方法。以纵肋与顶板焊接细节和纵肋与横隔板交叉构造细节为主要研究对象,设计8个足尺节段模型,主要包括传统纵肋与顶板焊接细节、新型镦边纵肋与顶板焊接细节和纵肋与横隔板交叉构造细节,通过模型试验研究了两类重要构造细节的主导疲劳破坏模式和实际疲劳抗力,在此基础上结合切口应力评估方法探讨正交异性钢桥面板构造细节切口应力S-N曲线方程、结构体系的主导疲劳破坏模式等关键问题。研究结果表明：传统纵肋与顶板焊接细节和新型镦边纵肋与顶板焊接细节的主导疲劳破坏模式均为疲劳裂纹萌生于焊根并沿顶板厚度方向扩展,二者的实际疲劳抗力基本相同;纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳破坏模式为焊趾开裂沿纵肋腹板方向扩展;对于研究对象而言,萌生于纵肋与顶板焊接细节焊根并沿顶板厚度方向扩展的疲劳破坏模式为控制结构体系疲劳抗力的主导疲劳破坏模式。     

基于细观损伤力学的梁柱焊接节点断裂破坏预测分析

应用细观损伤力学模型预测分析单调荷载作用下梁柱焊接节点的裂纹萌生与扩展。分别依据节点部位的母材、热影响区和焊缝金属缺口试样的单轴拉伸试验，标定材料细观损伤力学模型的参数；通过有限元分析模拟，预测焊接节点的开裂位置以及断裂破坏的过程，与已有试验结果以及基于微孔扩展模型和应力修正临界应变模型的有限元分析结果相比，建议的细观损伤力学模型的有限元分析结果具有更好的预测精度；针对不同焊接孔几何形状对节点断裂性能的影响进行有限元分析，结果表明，孔的几何形状对节点的断裂破坏模式的影响显著，长圆孔比圆孔具有更好的节点延性，开裂延缓，但是两种孔形的节点承载力差别很小。