含局部焊接缺陷的钢桁架模型材料性能研究.docx
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含局部焊接缺陷的钢桁架模型材料性能研究
含局部焊接缺陷的钢桁架模型材料性能研究
2010年7月
第7期（总142）
铁道工程
J0URNAL0FRAILWAYENGINEERINGSOCIETY
Jul2010
NO.7（Ser.142）
文章编号:
1006—2106（2010）07—0052—03
含局部焊接缺陷的钢桁架模型材料性能研究
刘明辉殷爱国2
（1.华北水利水电学院,郑州450011;2.中铁七局集团有限公司,郑州450016）
摘要:
研究目的:
钢桁架模型试样在焊接过程中,常会产生夹渣,气孔,焊接残余应力等缺陷,这些局部缺陷将
会对有限元模型修正及实验研究产生重大影响.为了给相关计算分析提供更切合实际的材料参数以及考虑
局部焊接缺陷对结构性能的影响,需要进行本文的实验研究工作.
研究结论:
实验研究的结果表明,含局部焊接缺陷处的材料性能参数发生了变化,应分别参照母材,焊趾
区域和焊材（焊缝熔堆）取值,不能简单取某个值来相互替代,这样利用有限元软件对结构细部进行精细化计
算分析的结果才能更加接近实际受力情形.
关键词:
钢桁架结构;材料性能;焊接细节;应力集中
中图分类号:
U443文献标识码:
A
ExperimentalResearchonMaterialPerformanceofTrussModelwithTypical
WeldDefects
LiuMing—hui.YinAi—guo
（1.NoahChinaUniversityofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou,Henan450011,China;2.China
RailwaySevenEngineeringGroup,Zhengzhou,Henan450016,China）
Abstract:
Researchpurposes:
Theslaginclusion,airholeandweldresidualstressoftenappearinthetrussmodel
samplingduringweldingandthesewelddefectswouldmuchaffectthemodelmodificationandexperiment.Inorderto
providethematerialparametersfortherelativecalculationandconsidertheeffectofthetypicalwelddefectsonthe
structureperformance,thispaperresearchesthematerialperformanceoftrussmodelwithtypicalweldeddefects.
Researchconclusions:
Theresultofexperimentalresearchshowtheperformanceparametersofthematerialinthe
weldeddefectareaarevariant,theparametersshouldbedecidedseparatelytothemastermaterial,toezoneandweld
materialratherthandecidingoneparameterforallofthem.Inthisway,theresultsofleancalculationandanalysiswith
finiteelementsoftwarecanbemoreclosetotheactualloadingsituation.
Keywords:
steeltrussstructure;materialperformanceparameters;weldeddetails;stressconcentration
目前,随着国民经济的快速发展和综合国力的增
强,伴随着一大批大跨桥梁和大跨建筑结构的建成投
入使用,钢结构在土建工程中的应用日益扩展.这些
工程往往投资巨大,具有显着的经济和社会效益,确保
这些大型结构使用期间的安全性和持久性无疑是重要
的.基于结构健康监测和预警系统研究中,评价系统
是否可靠的一个关键指标是:
计算分析所采用的有限
元模型能否准确反映结构原型¨,这对有限元建模
提出了更高的要求.
焊接连接是钢结构最常用的连接方式,具有构造
简单,不削弱截面,刚度大等优点;但是,在焊接过程中
受作业环境,焊接时间等焊接工艺的影响,容易产
生夹渣,气孔,焊接残余应力等缺陷,这些缺陷是结构
疲劳的热点部位,对材料的局部力学性能产生重大影
收稿日期:
2009—05—11
作者简介:
刘明辉,1976年出生,女,讲师;殷爱国,1977年出生,男,工程师.
第7期刘明辉殷爱国:
含局部焊接缺陷的钢桁架模型材料性能研究53
响.有事实表明,结构中的局部缺陷,损伤是结构失效
的主要原因J.近年来修建的大跨度公路和铁路桥
梁主体多为钢结构,构件之间的连接多为焊接,为了提
高有限元模型的精度,对包含焊连接细节的材料特性
进行研究显得非常重要.
1实验设计
本文的研究是围绕着大跨度桥梁的典型钢桁架缩
尺模型（见图1）实验展开的,该钢桁架模型全部焊接
连接,为了提高含局部焊接细节钢桁架结构有限元模
型修正的精度,得到准确和接近实际的材料性能参数
是必要的.
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图1桥梁典型钢桁架模型示意图（单位:
mm）
材性实验主要进行了两方面的研究:
母材性能测
试和焊接试样材性实验.进行这些实验的目的是了解
试样结构各部分包括整体和局部焊接细节处的材料性
能参数,以便供进行结构有限元模拟计算时使用.
1.1材性实验试样设计
本实验共设计了2种试样,一为母材拉伸试样,供
测定结构整体材料性能参数时使用;二为对接焊缝试
样,供测定结构局部细节处的材料性能参数时使用,主
要是测定焊材（焊缝熔堆）和焊趾附近的材料性能参
数.具体尺寸和样式如图2和图3所示.
图2母材拉伸试样尺寸（单位:
mm）
10白
[二二二]
』——26of
J?
——————————————————————————————————————————————
图3对接焊缝试样尺寸（单位:
nlln）
注:
1.模型所需钢板厚度6mm;
2.图1中a为试样原始厚度（6mm）,图2中6为焊缝
尺寸;
3.试样要求平整,加工表面为车床加工或线切割.
1.2实验设计
实验布置如图4所示,图中左边部分为试样及加
载点的布置示意图,2口为上面两施力点间距,26为试
样两支撑点间距,为试样中心点,B,日分别为M点
试样截面宽度,高度;右边部分为试样中间贴片位置处
的试样有效截面尺寸.为了排除实验过程中的一些不
确定因素,检验前面做过的材性实验的可靠性（主要
检验实验机的加载系统,实际加载与读数关系）,采用
纯弯曲法测弹性模量,加载采用标准砝码（200N）,采
集采用YJ28A—P1OR型静态电阻应变仪,测试电桥
均为1/4桥J.在试样中间位置对应的两面贴应变片
取平均值以减小误差.
P
[]
I.旦.I
P
图4纯弯曲法测弹模布置图
2实验过程与结果分析
为了提高测试精度和消除人为误差,共测试了
3组试样,编号分别为:
1,2,3,最后取其平均值.在
测试前对应变测量系统进行了标定,方法是:
在静载
应变测量前,对测量系统做了一次标定,用一个标准
电阻元件,可以给出±500￡,接到采集系统进行标
定,结果显示误差在2%以内,采集系统误差满足测试
要求.
表1纯弯曲法测弹模试样及布置尺寸
截面宽度截面高度支点距离施力点距离加载级差试样
B,mmH/mm2b/cm2a/cm△P/N
125.55.73910200
225.55.839lO2oo
325.35.53910200
表1中数据为纯弯曲测材料性能时实验布置的尺
寸数据,因为试样没有放在专门的模具或实验台上,而
是采用简易的方法固定的.为了提高测试的精度,每
次实验开始前都要对布置尺寸进行测量,消除由于尺
寸改变带来的误差.表2为采集到的应变.
材性实验是分两步完成的:
采用纯弯曲法测弹模
和利用万能实验机及7V07系列静应变采集系统测泊
松比.读液压万能实验机的刻度盘时会有一定的人为
误差,实验机系统本身稳定性也不够理想;而采用纯弯
54铁道工程2010年7月
曲法测弹性模量可以完全避免这些问题,不仅有较高
的准确性,且简单方便,易于手动操作,还可以避免实
验机读数与测点应变之间的延迟带来的误差.测泊松
比时,由于是采取多通道同时采取试样的纵,横向应
变,而泊松比仅为横纵向应变的比值,对于由实验机的
读数误差,载荷与应变不严格一致带来的误差,可以通
过自身来抵消系统误差,最终的测试结果不受此类误
差的影响.
表2采集到的应变片应变
施加荷载1试样应变2试样应变3试样应变
P,N￡（We）￡2（We）￡l（s）s2（8）8l（￡）s2（￡）
0O00000
20o5035085335295l6528
l0791********
600l52415l6l609158415761586
对数据进行整理后得到下面的结果:
1试样:
E=207.2GPa泊松比=0.2587
2试样:
E=197.2GPa泊松比=0.2568
3试样:
E:
213.7GPa泊松比=0.2609
对数据修正后取弹模,泊松比为:
E=206.0GPa
=0.259
材性实验共测试了3个类别的内容:
母材的弹性
模量E,,泊松比,焊趾附近区域的弹性模量E:
泊松
比,以及焊材（焊缝熔堆）的弹性模量E,,泊松比,,
后面两种材性的测试原理,测试方法和测试过程与母
材相同,在此不再重复给出.在测和时,测试结
果更接近于母材材性,这是由于受应变计大小和焊缝
尺寸的影响,在布置测点的时候应变片并不能严格地
贴到焊趾处这一偏差造成的.在此一并列表3给出
结果.
表3材性测试数据
类别弹性模量E/GPa?
白松比
母材206.O0.259
焊趾（附近）205.30.269
焊材（焊缝熔堆）214.60.326
通过对实验数据分析可知,由于焊接缺陷的存在
导致钢结构构件焊连接处的材料性能参数发生了变
化,应力的分布也更加复杂.一般来讲,由于焊
材是由多种金属材料经过特殊工艺合成,其弹性模量
大于母材的弹性模量,焊趾附近区域受焊接工艺的影
响其弹性模量变小.所以在对含局部焊接细节的试样
进行计算或模拟时,对不同的局部区域要取不同的材
性参数,这样得到的计算分析结果才能反映实际状况.
3结论
本文通过对桥梁典型钢桁架模型试样结构的整体
和局部焊接细节处的材料性能参数的测试,对含局部
焊接缺陷处的应力突变有了定性的认识,得到了一定
条件下的母材,焊趾附近区域和焊材（焊缝熔堆）三部
分的材料性能参数,以及焊趾附近材料性能参数的变
化规律.在进行有限元模型建模或修正时,为了得到
更加准确的结果,在焊接节点区域应考虑局部焊接缺
陷导致的焊缝附近材料性能参数的变化及应力集中带
来的影响,不能简单取某个值来相互替代.
参考文献:
[1]王春苗,李兆霞,殷爱国.大型土木结构多目标一致逼近
有限元模拟方法[J].东南大学,2009
（1）:
78—84.
WangChunmiao,LiZhaoxia,YinAiguo.Multi—
objectiveConcurrentApproachingofSimulatingfor
Ci,,ilInfrastructure『J].JournalofSoutheast
University,2oo9
（1）:
78—84.
[2]孙正华,李兆霞,陈鸿天.结构行为一致多尺度有限元模
型修正及验证[J].东南大学,2009
（1）:
85—90.
SunZhenghua,LiZhaoxia,ChenHongtian.Updating
andVerificationforMulti—scaleFiniteElementModel
ofStructureBehaviorfJ1.JournalofSoutheast
University,2o09
（1）:
85—90.
[3]王春苗,李兆霞,殷爱国.焊接结构响应的多目标模拟及
模型修正敏感参数分析[J].工程抗震与加固改造,2007
（5）:
39—48.
WangChunmiao,LiZhaoxia,YinAiguo.Multi—
objectiveModelingofWeldedStructuresandAnalysis
onSensitiveModelParameters[J].Earthquake
ResistantEngineeringandRetrofitting,2007（5）:
39—
48.
[4]王建军,房会彬.关于900t铁路架桥机钢结构焊接工艺
采用标准的探讨[J].铁道工程,2005
（2）:
24—28.
WangJianjun,FangHuibin.ExplorationonWelding
TechnologicalStandardForSteelStructureof9OOt
RailwayBridgeGirderErectingMachine[J].Journal
ofRailwayEngineeringSociety,2005
（2）:
24-28.
[5]吴佰建,李兆霞,汤可可.大型土木结构多尺度模拟与损
伤分析一从材料多尺度力学到结构多尺度力学[J].力学
进展,2007（3）:
321—336.
WuBaijing,LiZhaoxia,TangKeke.Multi—scale
ModelingandDalnRgeAnalysesofLargeavilStructure—
Multi—ScaleMechanicsfromMaterialtoStructure
[J].AdvancesinMechanics,2007（3）:
321—336.
（下转第59页）
第7期彭峰刘广均:
狮子洋隧道下穿珠江大堤注浆加固技术研究59
ZhangMingqing,HuangHongjian.Technologyfor
BlockingWaterbyGroutingforHighPressureGranny
WaterofQiyueshanTunnel[J].JournalofRailway
EngineeringSociety,2010
（1）:
71—72.
[4]阳芳.狮子洋隧道明挖敞开结构抗浮设计[J].铁道工
程,2009（1O）:
66—67.
YangFang.DesignoftheOpenStructureofShiziyang
TunnelforFloat—resistance[J].JournalofRailway
EngineeringSociety,2009（10）:
66—67.
[5]赵香萍.狮子洋隧道泥水盾构始发的风险控制[J].铁
道工程,2009
（1）:
169—170.
ZhaoXiangping.RiskControlontheSlurryShield
InitiationofShiziyangTunnel[J].JournalofRailway
EngineeringSociety,2009
（1）:
169—170.
[6]付新喜.广深港客运专线狮子洋隧道水文地质特征研究
[J].资源环境与工程,2007
（2）:
70—73.
FuXinxi.HydrogeologicalFeatureoftheShiziyang
TunnelofGuangzhou—-Shenzhen—-HongkongPassenger
DedicatedRailway『J].ResourcesEnvironment&
Engineering,2007
（2）:
70—73.
[7]张民庆,张文强,姜才荣.袖阀管注浆工法的改进与应用
[J].施工技术,2003（9）:
4—6.
（上接第54页）
[6]TommyH.T.Chan,L.Guo,Z.X.Li.Finiteelement
modefingforfatiguestressanalysisoflargesuspension
bridges.[J].JournalofSoundandVibration,2003
（261）:
443-464.
[7]殷爱国.含局部焊接细节的桥梁钢桁架结构静动力响应
实验研究[D].南京:
东南大学,2006.
YinAiguo.ExperimentalResearchonStaticand
DynamicResponsesofBridgeLonffitudinaiTruss,th
TypicalWeldedDetails[D].Nanjing:
CollegeofCivil
Engineering,SoutheastUniversity,2006.
[8]殷爱国,刘明辉,黄跃平.数控拟动力系统在多尺度模型
试验中的应用[J].2007
（1）:
129—131.
YinAiguo,LiuMinghni,HuangYueping.Applicationof
DCPseudo--dynamicSysteminMulti—-scaleModeling
[8]
[9]
[10]
ZhangMinqing,ZhangWenqiang,JiangCairong.
ImprovementandApplicationoftheSleeve—-valve—-
pipeGroutingConstructionMethod[J].Construction
Technology,2003（9）:
4—6.
袁辉.袖阀管注浆加固深层土技术[J].市政技术,2005
（6）:
65—67.
YuanHIIi.InjectionGroutingTechniquefoDeep—level
SoftStabilizationbySleeveValve[J].Municipal
EngineeringTechnology.2005（6）:
65—67.
应金星.袖阀管注浆加固设计与施工工艺研究[J].吉
林水利,2009（7）26—29.
YingJinxing.TheDesignofSleeveValvePipeGrouting
ReinforcedandResearchofConstructionTechnique
[J].JflinWaterResources,2009（7）26—29.
孙春华.袖阀管注浆工艺在软基处理中的应用[J].广东
公路交通,2009（3）:
29—30.
SunChunhua.ApplicationofSleeve—valvePipe
GroutingTechnologyonSoftSoilFoundationTreatment
[J].GuangdongHighwayCommunications,2009（3）:
29—30.
[J].2007
（1）:
129—131.
[9]李兆霞,郭力,徐玉兵.桥梁焊接构件疲劳损伤测试与分
析[J].东南大学,2005（3）:
415—420.
LiZhaoxia,GuoLi,XuYubing,etc.Measurementand
AnalysisonFatigueDamageofBridgeWeided
Componens[J].JournalofSoutheastUniversity,2005
（3）:
415-420.
[10]余洋,殷爱国,钱方,李兆霞,等.含局部焊接细节的钢桁
架结构静动力响应实验研究[J].实验力学,2008（5）:
377—386.
YuYang,YinAiguo,QianFang,LiZhaoxia,etc.
ExperimentalResearchonStaticandDynamicResponse
ofaSteelTrussthLocalWeldingDetails[J].
JournalofExperimentalMechanics,2008（5）:
377-386.
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