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2025年 第40卷 第2期
2025, 40(2): 1-9.
doi: 10.13206/j.gjgS24092003
摘要
PDF (6864KB)
摘要:
不锈钢材料因其优良的表观性能和卓越的耐腐蚀性,已被广泛应用于建筑工程的屋面、屋盖、幕墙等结构部件中。其中,卷边C形截面不锈钢构件,凭借其较高的材料利用率和良好的力学特性,成为了建筑领域中重要的应用截面形式。该截面形状在提高构件惯性矩和抗扭刚度的同时,也能有效减少材料用量,满足结构安全与经济性的双重要求。然而,由于其复杂的屈曲行为和破坏机理,卷边C形截面不锈钢构件的屈曲性能仍然是当前研究的重点和难点。迄今为止,学者们根据破坏形态将卷边C形截面不锈钢构件的屈曲性能分为了单一模态屈曲(整体屈曲、局部屈曲和畸变屈曲)和多模态耦合屈曲(整体-局部屈曲、整体-畸变屈曲、局部-畸变屈曲和整体-局部-畸变屈曲)。对于屈曲模态的识别主要通过广义梁理论法、约束有限条法和有限元结合法,3种方法依托于不同的计算软件,由此决定的适用性能也各有所长。近年来,学者们采用创新性的试验方法对卷边C形截面不锈钢构件的屈曲性能进行了试验研究。此外,通过大量的数值模拟,识别了影响构件屈曲模态和承载力的关键因素,并在此基础上对截面进行了优化分析。随着直接强度法的推广,适用于卷边C形截面不锈钢构件不同屈曲模态承载力的快速计算方法也应运而生。阐述了卷边C形截面不锈钢构件的生产工艺及其在工程中的应用,并对国内外学者在卷边C形截面不锈钢构件屈曲性能研究方面的成果进行了详尽的综述,包括屈曲模态判别方法、试验装置介绍以及构件设计方法等方面。
不锈钢材料因其优良的表观性能和卓越的耐腐蚀性,已被广泛应用于建筑工程的屋面、屋盖、幕墙等结构部件中。其中,卷边C形截面不锈钢构件,凭借其较高的材料利用率和良好的力学特性,成为了建筑领域中重要的应用截面形式。该截面形状在提高构件惯性矩和抗扭刚度的同时,也能有效减少材料用量,满足结构安全与经济性的双重要求。然而,由于其复杂的屈曲行为和破坏机理,卷边C形截面不锈钢构件的屈曲性能仍然是当前研究的重点和难点。迄今为止,学者们根据破坏形态将卷边C形截面不锈钢构件的屈曲性能分为了单一模态屈曲(整体屈曲、局部屈曲和畸变屈曲)和多模态耦合屈曲(整体-局部屈曲、整体-畸变屈曲、局部-畸变屈曲和整体-局部-畸变屈曲)。对于屈曲模态的识别主要通过广义梁理论法、约束有限条法和有限元结合法,3种方法依托于不同的计算软件,由此决定的适用性能也各有所长。近年来,学者们采用创新性的试验方法对卷边C形截面不锈钢构件的屈曲性能进行了试验研究。此外,通过大量的数值模拟,识别了影响构件屈曲模态和承载力的关键因素,并在此基础上对截面进行了优化分析。随着直接强度法的推广,适用于卷边C形截面不锈钢构件不同屈曲模态承载力的快速计算方法也应运而生。阐述了卷边C形截面不锈钢构件的生产工艺及其在工程中的应用,并对国内外学者在卷边C形截面不锈钢构件屈曲性能研究方面的成果进行了详尽的综述,包括屈曲模态判别方法、试验装置介绍以及构件设计方法等方面。
2025, 40(2): 10-20.
doi: 10.13206/j.gjgS24092004
摘要:
为研究半刚性框架内填波纹钢板剪力墙对结构抗震性能影响,利用ABAQUS建立数值模型进行探索分析。通过设计3种不同构造的波纹钢板剪力墙,并与半刚性框架相结合,研究此结构体系抗震性能。首先建立单层单跨有限元模型,与现有文献中相关研究模型进行对比验证,确保模型精确性。然后在此基础上建立3种不同构造的波纹钢板剪力墙体,分别与此半刚性框架相结合形成半刚性框架-波纹钢板剪力墙结构体系,研究体系在侧向力作用下抗震性能,最后探究半刚性框架内嵌不同墙体的结构体系剪力分配规律。有限元研究结果表明:半刚性框架(KKJ)具有较好的延性,但其抗侧刚度较小,承载能力不高,能量耗散较稳定但耗能不强;半刚性框架内填墙体(KKJ-Q1)能大幅增加体系刚度、承载力及耗能能力,使其延性降低;墙体填充泡沫混凝土(KKJ-Q2)可抑制波纹钢板屈曲,提高墙体整体性能,其刚度、承载力、耗能能力进一步增加;墙体两端设置加强端(KKJ-Q3)能避免墙体过早发生破坏而失去承载力,刚度、承载力都有一定程度的提升,随着加强端高度增加,导致墙体塑性变形从两端向中心转移,墙体破坏模式从弯曲变为弯剪,刚度、承载力及耗能能力进一步提升;随着外荷载增加,墙体剪力呈现先上升后下降趋势,墙体剪力占比Q3＞Q2＞Q1,墙体刚度与剪力占比呈现正比关系。
为研究半刚性框架内填波纹钢板剪力墙对结构抗震性能影响,利用ABAQUS建立数值模型进行探索分析。通过设计3种不同构造的波纹钢板剪力墙,并与半刚性框架相结合,研究此结构体系抗震性能。首先建立单层单跨有限元模型,与现有文献中相关研究模型进行对比验证,确保模型精确性。然后在此基础上建立3种不同构造的波纹钢板剪力墙体,分别与此半刚性框架相结合形成半刚性框架-波纹钢板剪力墙结构体系,研究体系在侧向力作用下抗震性能,最后探究半刚性框架内嵌不同墙体的结构体系剪力分配规律。有限元研究结果表明:半刚性框架(KKJ)具有较好的延性,但其抗侧刚度较小,承载能力不高,能量耗散较稳定但耗能不强;半刚性框架内填墙体(KKJ-Q1)能大幅增加体系刚度、承载力及耗能能力,使其延性降低;墙体填充泡沫混凝土(KKJ-Q2)可抑制波纹钢板屈曲,提高墙体整体性能,其刚度、承载力、耗能能力进一步增加;墙体两端设置加强端(KKJ-Q3)能避免墙体过早发生破坏而失去承载力,刚度、承载力都有一定程度的提升,随着加强端高度增加,导致墙体塑性变形从两端向中心转移,墙体破坏模式从弯曲变为弯剪,刚度、承载力及耗能能力进一步提升;随着外荷载增加,墙体剪力呈现先上升后下降趋势,墙体剪力占比Q3＞Q2＞Q1,墙体刚度与剪力占比呈现正比关系。
2025, 40(2): 21-28.
doi: 10.13206/j.gjgS24091301
摘要:
L形、T形、十字形钢管混凝土异形柱采用方钢管和混凝土组成,综合两种材料的力学性能,采用轴心受压试验的方法,对比研究了9根不同长细比的L形、T形、十字形钢管混凝土异形柱的截面形式和试件长度对其破坏形态、荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线和荷载-泊松比曲线等的影响。结果表明:短柱发生截面强度破坏,长柱发生弯曲破坏;在所研究的长度范围内,试件长度对L形截面试件和T形截面试件的承载力影响较大,对十字形的影响较小;所有试件的水平挠度与荷载几乎呈线性关系,试件屈服后,水平挠度迅速发展;异形柱在1/2高度处应变最大,泊松比随着加载进行而增大。
L形、T形、十字形钢管混凝土异形柱采用方钢管和混凝土组成,综合两种材料的力学性能,采用轴心受压试验的方法,对比研究了9根不同长细比的L形、T形、十字形钢管混凝土异形柱的截面形式和试件长度对其破坏形态、荷载-挠度曲线、荷载-应变曲线和荷载-泊松比曲线等的影响。结果表明:短柱发生截面强度破坏,长柱发生弯曲破坏;在所研究的长度范围内,试件长度对L形截面试件和T形截面试件的承载力影响较大,对十字形的影响较小;所有试件的水平挠度与荷载几乎呈线性关系,试件屈服后,水平挠度迅速发展;异形柱在1/2高度处应变最大,泊松比随着加载进行而增大。
2025, 40(2): 29-36.
doi: 10.13206/j.gjgS24091402
摘要:
将高强钢应用于圆钢管约束型钢混凝土柱中,不仅可以避免局部屈曲问题,还能有效提高构件的力学性能,充分发挥组合结构的优势。采用ABAQUS软件建立了轴压荷载作用下圆钢管约束型钢混凝土短柱的有限元分析模型,分析了钢骨形状、钢骨强度、钢管强度、混凝土强度及含钢率等参数对配置高强钢的圆钢管约束型钢混凝土柱轴压性能的影响规律。在此基础上,对圆钢管约束型钢混凝土柱各部件的荷载贡献值与峰值状态下截面应力进行了深入分析。研究结果表明:圆钢管约束型钢混凝土柱的轴压承载力随着钢管、钢骨及混凝土强度的增加而提高;钢管通过与混凝土之间的摩擦提供轴向承载力,但其值与钢管强度和混凝土强度无关;此外,钢管还通过对混凝土的约束效应间接影响构件的轴向承载力,钢骨形状通过改变混凝土约束面积影响构件的轴压性能,钢骨强度的提高会增加钢骨的荷载贡献值,进而影响构件的承载力;在相同含钢率的情况下,钢管强度的提高对构件轴向承载力的提升作用大于钢骨强度的提高。
将高强钢应用于圆钢管约束型钢混凝土柱中,不仅可以避免局部屈曲问题,还能有效提高构件的力学性能,充分发挥组合结构的优势。采用ABAQUS软件建立了轴压荷载作用下圆钢管约束型钢混凝土短柱的有限元分析模型,分析了钢骨形状、钢骨强度、钢管强度、混凝土强度及含钢率等参数对配置高强钢的圆钢管约束型钢混凝土柱轴压性能的影响规律。在此基础上,对圆钢管约束型钢混凝土柱各部件的荷载贡献值与峰值状态下截面应力进行了深入分析。研究结果表明:圆钢管约束型钢混凝土柱的轴压承载力随着钢管、钢骨及混凝土强度的增加而提高;钢管通过与混凝土之间的摩擦提供轴向承载力,但其值与钢管强度和混凝土强度无关;此外,钢管还通过对混凝土的约束效应间接影响构件的轴向承载力,钢骨形状通过改变混凝土约束面积影响构件的轴压性能,钢骨强度的提高会增加钢骨的荷载贡献值,进而影响构件的承载力;在相同含钢率的情况下,钢管强度的提高对构件轴向承载力的提升作用大于钢骨强度的提高。
2025, 40(2): 37-45.
doi: 10.13206/j.gjgS24091501
摘要:
为实现封闭截面钢结构的装配和可拆卸连接技术,设计了一种新型可拆卸单边螺栓,主要由螺杆、套筒、分体垫片及螺母组成,可采用多种施拧方式完成紧固。首先通过预拉力测量及时变效应试验研究了不同施拧顺序下新型单边螺栓的预拉力及随时间变化的预拉力损失情况,结合实际情况分析可施行性高的施拧方式;然后通过单栓连接抗剪试验和抗拉试验,得到了螺栓连接在剪切及拉伸荷载下的荷载-位移曲线,分析了两种荷载下单边螺栓的受力情况与破坏模式,研究了不同施拧顺序对螺栓连接的抗剪承载力与抗拉承载力的影响;基于相关规范并依据试验结果提出了新型螺栓连接的抗拉及抗剪承载力计算方法;最后,将新型螺栓的承载力与相关研究中不同螺栓的承载力进行对比,评估新型螺栓的承载力水平。结果表明:72 h内螺栓的最大预拉力松弛率为3.6%,建议采用先施拧套筒再施拧螺杆(PB类)且先拧比例在50%以上的施拧方式,可保证60%以上的预拉力达到率;施拧方式仅影响摩擦型连接的抗剪和抗拉承载力,不影响承压型连接的抗剪和抗拉承载力;分体垫片对螺栓连接的受力起控制作用,极限荷载下分体垫片的断裂数量决定单边螺栓连接抗剪模型的破坏模式,承压型抗拉承载力取决于螺栓分体垫片的受剪截面积;试验得到的抗剪、抗拉极限承载力与通过提出的承载力计算方法的理论值吻合较好,误差在11%以内,证明承载力计算方法具有较高的准确性;与同等级单边螺栓相比,新型螺栓的承压型抗拉承载力相近,承压型抗剪承载力明显占优。
为实现封闭截面钢结构的装配和可拆卸连接技术,设计了一种新型可拆卸单边螺栓,主要由螺杆、套筒、分体垫片及螺母组成,可采用多种施拧方式完成紧固。首先通过预拉力测量及时变效应试验研究了不同施拧顺序下新型单边螺栓的预拉力及随时间变化的预拉力损失情况,结合实际情况分析可施行性高的施拧方式;然后通过单栓连接抗剪试验和抗拉试验,得到了螺栓连接在剪切及拉伸荷载下的荷载-位移曲线,分析了两种荷载下单边螺栓的受力情况与破坏模式,研究了不同施拧顺序对螺栓连接的抗剪承载力与抗拉承载力的影响;基于相关规范并依据试验结果提出了新型螺栓连接的抗拉及抗剪承载力计算方法;最后,将新型螺栓的承载力与相关研究中不同螺栓的承载力进行对比,评估新型螺栓的承载力水平。结果表明:72 h内螺栓的最大预拉力松弛率为3.6%,建议采用先施拧套筒再施拧螺杆(PB类)且先拧比例在50%以上的施拧方式,可保证60%以上的预拉力达到率;施拧方式仅影响摩擦型连接的抗剪和抗拉承载力,不影响承压型连接的抗剪和抗拉承载力;分体垫片对螺栓连接的受力起控制作用,极限荷载下分体垫片的断裂数量决定单边螺栓连接抗剪模型的破坏模式,承压型抗拉承载力取决于螺栓分体垫片的受剪截面积;试验得到的抗剪、抗拉极限承载力与通过提出的承载力计算方法的理论值吻合较好,误差在11%以内,证明承载力计算方法具有较高的准确性;与同等级单边螺栓相比,新型螺栓的承压型抗拉承载力相近,承压型抗剪承载力明显占优。
2025, 40(2): 46-55.
doi: 10.13206/j.gjgS23111501
摘要:
T形方颈单边螺栓是一类新型的单侧安装紧固件,可用于闭口截面钢构件连接,其构造简单、安装便利、无需额外的安装辅助工具,能适应现场粗放的施工方式,具有较大的应用潜力。但是目前针对T形方颈单边螺栓连接性能的研究多为模型试验,研究参数单一、缺乏足够的数据支撑。通过ABAQUS有限元分析软件建立了T形方颈单边螺栓连接钢梁-钢管柱三维非线性有限元模型,进一步评估了T形方颈单边螺栓连接钢梁-钢管柱节点的结构性能。利用有限元模型分析结果揭示此类连接的关键结构响应机理,探讨了加强组件与钢管柱间安装间隙、加强组件截面形状、新型加强组件和钢管柱拼接位置等参数对节点结构性能的影响。
结果表明:所建立的T形方颈单边螺栓连接钢梁-钢管柱节点三维有限元模型可以准确预测节点在单调荷载下的破坏模式、各部件受力状态和屈服顺序,得到与试验结果吻合度较高的转角-弯矩关系曲线,具有较高的准确度和可靠性,为该类节点的工作机理分析、参数化研究和结构性能评估提供了可靠途径;H钢组件在钢管柱中的荷载传递路径清晰简单,材料性能利用充分,与钢管柱协同工作效率较高,是一种较为理想的加强组件截面;建议加强组件与钢管柱间安装间隙设计值不超过2.0 mm;十字钢组件在平面节点中的荷载传递路径与H钢组件相同,在空间节点中应按照两个方向的H钢组件分别设计,而且无法传递钢管柱相邻壁面间的荷载;H钢组件中部截面外焊短截钢管形成的新型组件在不影响节点力学性能的情况下,减小了钢管柱拼缝的视觉错位,提高了现场起重设备的吊装效率和节点的安装效率;加强节点中,钢管柱拼缝应优先设计在钢梁翼缘处。
T形方颈单边螺栓是一类新型的单侧安装紧固件,可用于闭口截面钢构件连接,其构造简单、安装便利、无需额外的安装辅助工具,能适应现场粗放的施工方式,具有较大的应用潜力。但是目前针对T形方颈单边螺栓连接性能的研究多为模型试验,研究参数单一、缺乏足够的数据支撑。通过ABAQUS有限元分析软件建立了T形方颈单边螺栓连接钢梁-钢管柱三维非线性有限元模型,进一步评估了T形方颈单边螺栓连接钢梁-钢管柱节点的结构性能。利用有限元模型分析结果揭示此类连接的关键结构响应机理,探讨了加强组件与钢管柱间安装间隙、加强组件截面形状、新型加强组件和钢管柱拼接位置等参数对节点结构性能的影响。
结果表明:所建立的T形方颈单边螺栓连接钢梁-钢管柱节点三维有限元模型可以准确预测节点在单调荷载下的破坏模式、各部件受力状态和屈服顺序,得到与试验结果吻合度较高的转角-弯矩关系曲线,具有较高的准确度和可靠性,为该类节点的工作机理分析、参数化研究和结构性能评估提供了可靠途径;H钢组件在钢管柱中的荷载传递路径清晰简单,材料性能利用充分,与钢管柱协同工作效率较高,是一种较为理想的加强组件截面;建议加强组件与钢管柱间安装间隙设计值不超过2.0 mm;十字钢组件在平面节点中的荷载传递路径与H钢组件相同,在空间节点中应按照两个方向的H钢组件分别设计,而且无法传递钢管柱相邻壁面间的荷载;H钢组件中部截面外焊短截钢管形成的新型组件在不影响节点力学性能的情况下,减小了钢管柱拼缝的视觉错位,提高了现场起重设备的吊装效率和节点的安装效率;加强节点中,钢管柱拼缝应优先设计在钢梁翼缘处。
2025, 40(2): 56-62.
doi: 10.13206/j.gjgS24022901
摘要:
钢桥高强度螺栓松动、脱落已成为钢结构行业关注的热点问题。现有的人工检查方法费时、费力且效率较低。机器视觉用于钢桥高强度螺栓松动检测,可大幅度提高检测效率,降低检测成本,确保检测精度。但这种方法在螺栓识别与检测可靠性方面还有待改进,尚未应用于工程实际。针对钢桥高强度螺栓松动角度检测的需求,提出一种基于沙漏网络和数字图像处理的高强度螺栓松动检测算法,算法包含特征点识别与角度计算两部分。识别算法由关键点定位网络和关键点坐标生成模块两个部分组成。关键点定位网络为ResNet-50特征提取网络,旨在生成包含螺栓关键点的热力图;关键点坐标生成模块基于热力图,采用定位网络检测出关键点坐标。松动角度算法为:获得关键点热力图后,通过K-Means聚类算法将螺栓关键点转化为包络图;获得螺栓包络图之后,依次逆时针对6个角点进行编号;并将角点1与x轴正向的夹角作为螺栓当前角度,通过不同时间相应角度的对比,得到螺栓的松动角度。采集了多座公路钢桥的高强度螺栓连接节点照片,标注了螺母外侧6个角点和中心点,用几何变换、颜色变换、添加粗放式丢弃(Coarse Dropout)噪声、颜色扰动等操作,扩充了螺栓数据集。基于TensorFlow深度学习框架进行了模型训练,测试了不同距离下模型的识别效果,并将网络识别结果与CPMs和Two-Stage网络进行了对比。测试表明,该网络模型的识别效果好,计算效率高,且具有很好的鲁棒性。其中APCK和AACC高达 97.6%和99.5%,APCK和AACC检测速度均优于CPMs和Two-Stage网络。
钢桥高强度螺栓松动、脱落已成为钢结构行业关注的热点问题。现有的人工检查方法费时、费力且效率较低。机器视觉用于钢桥高强度螺栓松动检测,可大幅度提高检测效率,降低检测成本,确保检测精度。但这种方法在螺栓识别与检测可靠性方面还有待改进,尚未应用于工程实际。针对钢桥高强度螺栓松动角度检测的需求,提出一种基于沙漏网络和数字图像处理的高强度螺栓松动检测算法,算法包含特征点识别与角度计算两部分。识别算法由关键点定位网络和关键点坐标生成模块两个部分组成。关键点定位网络为ResNet-50特征提取网络,旨在生成包含螺栓关键点的热力图;关键点坐标生成模块基于热力图,采用定位网络检测出关键点坐标。松动角度算法为:获得关键点热力图后,通过K-Means聚类算法将螺栓关键点转化为包络图;获得螺栓包络图之后,依次逆时针对6个角点进行编号;并将角点1与x轴正向的夹角作为螺栓当前角度,通过不同时间相应角度的对比,得到螺栓的松动角度。采集了多座公路钢桥的高强度螺栓连接节点照片,标注了螺母外侧6个角点和中心点,用几何变换、颜色变换、添加粗放式丢弃(Coarse Dropout)噪声、颜色扰动等操作,扩充了螺栓数据集。基于TensorFlow深度学习框架进行了模型训练,测试了不同距离下模型的识别效果,并将网络识别结果与CPMs和Two-Stage网络进行了对比。测试表明,该网络模型的识别效果好,计算效率高,且具有很好的鲁棒性。其中APCK和AACC高达 97.6%和99.5%,APCK和AACC检测速度均优于CPMs和Two-Stage网络。
2025, 40(2): 63-70.
doi: 10.13206/j.gjgS24032101
摘要:
正交异性钢桥面板成为大跨度桥面板的主要结构形式之后,由于钢桥面板焊缝较多,焊缝内部或表面很容易产生初始裂纹及夹杂、气孔等焊接缺陷,导致在役钢桥面板焊缝处疲劳开裂现象较为普遍。现有研究多将焊接缺陷简化为平面半椭圆形状,而忽略了焊接缺陷的物理属性,导致焊接缺陷对疲劳裂纹的影响机理不明确。为了研究焊接缺陷对钢桥面板疲劳裂纹扩展行为的影响,结合线弹性断裂力学和FRANC3D-ABAQUS交互模拟技术,开展了钢桥面板焊接夹杂处疲劳裂纹扩展数值模拟。基于ABAQUS建立了含裂纹和夹杂物的半U肋精细化有限元模型,并在焊趾处插入夹杂物,随后将含夹杂物的有限元模型导入到FRANC3D中,并在焊趾夹杂物附近插入一个初始疲劳裂纹,通过改变夹杂物的弹性模量来模拟软夹杂与硬夹杂效应。分析了钢桥面板U肋-顶板焊缝处疲劳裂纹与夹杂物之间的相互作用,揭示了焊接夹杂物对裂纹应力强度因子(SIF)、裂纹形态和扩展速率等关键参数的影响,模拟了裂纹穿过夹杂物过程中的动态扩展轨迹。分析结果表明:焊接夹杂物改变了疲劳裂纹的应力场,硬夹杂的应力集中点位于夹杂内部,而软夹杂的应力集中点位于裂纹近端点前侧,焊缝夹杂影响下焊趾处的疲劳裂纹为I-III型裂纹;夹杂物的弹性模量对疲劳裂纹扩展特性影响较大,软夹杂对裂尖SIF有短暂的抑制作用,但在裂纹全寿命周期中促进了裂纹的扩展速率,而硬夹杂的作用效果则完全相反,相对于无夹杂缺陷的焊缝而言,软夹杂使焊缝疲劳寿命减小7.8%,而硬夹杂使焊缝疲劳寿命增加10.1%;在裂纹扩展过程中的形态普遍趋于扁平化,但夹杂的存在显著影响其对称性,主要表现在软夹杂吸引裂纹近端点,导致局部集中扩展,而硬夹杂则产生排斥效应,使裂纹扩展方向发生偏离;硬夹杂对裂纹形状的影响更为显著,与远离夹杂的区域相比,接近硬夹杂的裂纹尖端部分平坦度增加了22%。在钢桥面板焊接过程中应严格控制夹杂物的分布和类型,在进行疲劳寿命预测时应考虑夹杂物对焊缝的影响。
正交异性钢桥面板成为大跨度桥面板的主要结构形式之后,由于钢桥面板焊缝较多,焊缝内部或表面很容易产生初始裂纹及夹杂、气孔等焊接缺陷,导致在役钢桥面板焊缝处疲劳开裂现象较为普遍。现有研究多将焊接缺陷简化为平面半椭圆形状,而忽略了焊接缺陷的物理属性,导致焊接缺陷对疲劳裂纹的影响机理不明确。为了研究焊接缺陷对钢桥面板疲劳裂纹扩展行为的影响,结合线弹性断裂力学和FRANC3D-ABAQUS交互模拟技术,开展了钢桥面板焊接夹杂处疲劳裂纹扩展数值模拟。基于ABAQUS建立了含裂纹和夹杂物的半U肋精细化有限元模型,并在焊趾处插入夹杂物,随后将含夹杂物的有限元模型导入到FRANC3D中,并在焊趾夹杂物附近插入一个初始疲劳裂纹,通过改变夹杂物的弹性模量来模拟软夹杂与硬夹杂效应。分析了钢桥面板U肋-顶板焊缝处疲劳裂纹与夹杂物之间的相互作用,揭示了焊接夹杂物对裂纹应力强度因子(SIF)、裂纹形态和扩展速率等关键参数的影响,模拟了裂纹穿过夹杂物过程中的动态扩展轨迹。分析结果表明:焊接夹杂物改变了疲劳裂纹的应力场,硬夹杂的应力集中点位于夹杂内部,而软夹杂的应力集中点位于裂纹近端点前侧,焊缝夹杂影响下焊趾处的疲劳裂纹为I-III型裂纹;夹杂物的弹性模量对疲劳裂纹扩展特性影响较大,软夹杂对裂尖SIF有短暂的抑制作用,但在裂纹全寿命周期中促进了裂纹的扩展速率,而硬夹杂的作用效果则完全相反,相对于无夹杂缺陷的焊缝而言,软夹杂使焊缝疲劳寿命减小7.8%,而硬夹杂使焊缝疲劳寿命增加10.1%;在裂纹扩展过程中的形态普遍趋于扁平化,但夹杂的存在显著影响其对称性,主要表现在软夹杂吸引裂纹近端点,导致局部集中扩展,而硬夹杂则产生排斥效应,使裂纹扩展方向发生偏离;硬夹杂对裂纹形状的影响更为显著,与远离夹杂的区域相比,接近硬夹杂的裂纹尖端部分平坦度增加了22%。在钢桥面板焊接过程中应严格控制夹杂物的分布和类型,在进行疲劳寿命预测时应考虑夹杂物对焊缝的影响。
2025, 40(2): 71-75.
doi: 10.13206/j.gjgS24050620
摘要:
简要回顾了结构性能系数的来源和规范应用,介绍了单自由度体系对结构性能系数的研究结果,分别对欧洲、美国、澳大利亚、新西兰、墨西哥、智利和我国台湾地区抗震规范中性能系数的取值进行了介绍,他们的共同特点是对短周期采用了较小的性能系数。根据新的研究结果给出了与我国抗震规范反应谱配套的结构性能系数公式,并与各国规范比较,建议公式将等位移准则适用范围推后到弹性反应谱的等位移阶段,因而更为保守。
简要回顾了结构性能系数的来源和规范应用,介绍了单自由度体系对结构性能系数的研究结果,分别对欧洲、美国、澳大利亚、新西兰、墨西哥、智利和我国台湾地区抗震规范中性能系数的取值进行了介绍,他们的共同特点是对短周期采用了较小的性能系数。根据新的研究结果给出了与我国抗震规范反应谱配套的结构性能系数公式,并与各国规范比较,建议公式将等位移准则适用范围推后到弹性反应谱的等位移阶段,因而更为保守。
