含局部焊接細節(jié)的橋梁鋼桁架結(jié)構(gòu)靜動力響應(yīng)實驗研究.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)評估為目標的橋梁結(jié)構(gòu)有限元模擬必須準確分析結(jié)構(gòu)在實際服役載荷下的動力響應(yīng)和關(guān)鍵焊接細節(jié)處的熱點應(yīng)力分布。目前的建模理論尚難以考慮結(jié)構(gòu)中事實上存在的局部缺陷及對損傷的演化過程進行仿真分析。因此，考慮局部焊接細節(jié)特性的結(jié)構(gòu)模擬對于結(jié)構(gòu)損傷分析有重要的學(xué)術(shù)意義。本文的主要內(nèi)容是從實驗研究的角度探討含局部焊接細節(jié)的橋梁鋼桁架結(jié)構(gòu)靜動力響應(yīng)規(guī)律。實驗研究是認識與分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力分布規(guī)律和

2、動力特性參數(shù)的有效手段，實驗研究得到的測試信息可以對含局部焊接細節(jié)的結(jié)構(gòu)的有限元模擬方法研究提供實驗支持。本項研究得到國家自然科學(xué)基金項目“大跨結(jié)構(gòu)多尺度損傷模擬與失效行為仿真分析”(項目編號：50278017)和教育部博士點基金(項目編號：20040286031)的資助。 實驗研究以香港青馬大橋縱向加勁桁架標準段的1：5縮尺模型(4.2m×1.32m，共一榀)作為含局部焊接細節(jié)的鋼桁架結(jié)構(gòu)的代表，進行了多種工況下靜動載響應(yīng)實驗

3、研究；重點對焊接區(qū)域附近的應(yīng)變應(yīng)力分布規(guī)律、熱點應(yīng)力分布和應(yīng)力集中系數(shù)進行了探討和分析。針對實驗研究的目的和內(nèi)容，完成了鋼桁架結(jié)構(gòu)縮尺模型研制和實驗方案的研究；對試樣結(jié)構(gòu)的整體和局部焊接細節(jié)處的材料性能參數(shù)進行了測試，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)實驗方案，在實驗室現(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節(jié)的鋼桁架縮尺模型的靜動載實驗，得到了實驗?zāi)Ｐ偷脑寄B(tài)參數(shù)、節(jié)點位移及轉(zhuǎn)角和整體測

4、點及3個局部測區(qū)的應(yīng)變信息；對測試得到的靜動載響應(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。 實驗研究的結(jié)果表明：1)含局部焊接細節(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，不能簡單取某個值來相互替代。2)整個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，整個桁架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布相對地更加趨于平緩，整體應(yīng)力水平也會降低。4)局部測區(qū)的應(yīng)力分布與熱點區(qū)域的應(yīng)力集中現(xiàn)象不僅與周圍的焊縫細節(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)，從實驗結(jié)果來看，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；由于實驗結(jié)構(gòu)的明暗焊縫形式復(fù)雜，縱橫交錯，應(yīng)力集中系數(shù)呈非線性變化規(guī)律。5)靜載和動載引起的結(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，但不同測點對靜載或動載的相對敏感性不同，這主要與測點所在位置和載荷工況有關(guān)。由于動應(yīng)變測試得到的時程曲線是一個隨時間而變化的結(jié)果，邊界誤差和加載系