含局部焊接缺陷的钢桁架模型材料性能研究.docx

1、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J0URNAL0FRAILWAYENGINEERINGSOCIETYJul2010NO.7(Ser.142)文章编号:10062106(2010)07005203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

2、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:AExperimentalResearchonMaterialPerformanceofTrussModelwithTypicalWeldDefectsLiuMinghui.YinAiguo(1.NoahChinaUniversi

3、tyofWaterResourcesandElectricPower,Zhengzhou,Henan450011,China;2.ChinaRailwaySevenEngineeringGroup,Zhengzhou,Henan450016,China)Abstract:Researchpurposes:Theslaginclusion,airholeandweldresidualstressoftenappearinthetrussmodelsamplingduringweldingandthesewelddefectswouldmuchaffectthemodelmodificationa

4、ndexperiment.Inordertoprovidethematerialparametersfortherelativecalculationandconsidertheeffectofthetypicalwelddefectsonthestructureperformance,thispaperresearchesthematerialperformanceoftrussmodelwithtypicalweldeddefects.Researchconclusions:Theresultofexperimentalresearchshowtheperformanceparameter

5、softhematerialintheweldeddefectareaarevariant,theparametersshouldbedecidedseparatelytothemastermaterial,toezoneandweldmaterialratherthandecidingoneparameterforallofthem.Inthisway,theresultsofleancalculationandanalysiswithfiniteelementsoftwarecanbemoreclosetotheactualloadingsituation.Keywords:steeltr

6、ussstructure;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

7、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:20090511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

8、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./.1l/-l_.昌!ll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

9、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白二二二26ofJ?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

10、纯弯曲法测弹性模量,加载采用标准砝码(200N),采集采用YJ28AP1OR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.PI.旦.IP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/

11、mm2b/cm2a/cmP/N125.55.73910200225.55.839lO2oo325.35.53910200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

12、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()0O0000020o5035085335295l6528l0791*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.

13、25872试样:E=197.2GPa泊松比=0.25683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.O0.25

14、9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

15、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):7884.WangChunmiao,LiZhaoxia,YinAiguo.MultiobjectiveConcurrentApproachingofSimulatingforCi,ilInfrastructureJ.JournalofSoutheastU

16、niversity,2oo9(1):7884.2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):8590.SunZhenghua,LiZhaoxia,ChenHongtian.UpdatingandVerificationforMultiscaleFiniteElementModelofStructureBehaviorfJ1.JournalofSoutheastUniversity,2o09(1):8590.3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):3948.WangChunmi

17、ao,LiZhaoxia,YinAiguo.MultiobjectiveModelingofWeldedStructuresandAnalysisonSensitiveModelParametersJ.EarthquakeResistantEngineeringandRetrofitting,2007(5):3948.4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):2428.WangJianjun,FangHuibin.ExplorationonWeldingTechnologicalStandardForSteelStructureof9OO

18、tRailwayBridgeGirderErectingMachineJ.JournalofRailwayEngineeringSociety,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):321336.WuBaijing,LiZhaoxia,TangKeke.MultiscaleModelingandDalnRgeAnalysesofLargeavilStructureMultiScaleMechanicsfromMaterialtoStructureJ.AdvancesinMechani

19、cs,2007(3):321336.(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59ZhangMingqing,HuangHongjian.TechnologyforBlockingWaterbyGroutingforHighPressureGrannyWaterofQiyueshanTunnelJ.JournalofRailwayEngineeringSociety,2010(1):7172.4阳芳.狮子洋隧道明挖敞开结构抗浮设计J.铁道工程,2009(1O):6667.YangFang.DesignoftheOpenStructureofShiziyangTun

20、nelforFloatresistanceJ.JournalofRailwayEngineeringSociety,2009(10):6667.5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):169170.ZhaoXiangping.RiskControlontheSlurryShieldInitiationofShiziyangTunnelJ.JournalofRailwayEngineeringSociety,2009(1):169170.6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):7073.FuXinxi.Hydrogeo

21、logicalFeatureoftheShiziyangTunnelofGuangzhou-Shenzhen-HongkongPassengerDedicatedRailwayJ.ResourcesEnvironment&Engineering,2007(2):7073.7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):46.(上接第54页)6TommyH.T.Chan,L.Guo,Z.X.Li.Finiteelementmodefingforfatiguestressanalysisoflargesuspensionbridges.J.Journalo

22、fSoundandVibration,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.ExperimentalResearchonStaticandDynamicResponsesofBridgeLonffitudinaiTruss,thTypicalWeldedDetailsD.Nanjing:CollegeofCivilEngineering,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):129131.YinA

23、iguo,LiuMinghni,HuangYueping.ApplicationofDCPseudo-dynamicSysteminMulti-scaleModeling8910ZhangMinqing,ZhangWenqiang,JiangCairong.ImprovementandApplicationoftheSleeve-valve-pipeGroutingConstructionMethodJ.ConstructionTechnology,2003(9):46.袁辉.袖阀管注浆加固深层土技术J.市政技术,2005(6):6567.YuanHIIi.InjectionGroutingT

24、echniquefoDeeplevelSoftStabilizationbySleeveValveJ.MunicipalEngineeringTechnology.2005(6):6567.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)2629.YingJinxing.TheDesignofSleeveValvePipeGroutingReinforcedandResearchofConstructionTechniqueJ.JflinWaterResources,2009(7)2629.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):2930.

25、SunChunhua.ApplicationofSleevevalvePipeGroutingTechnologyonSoftSoilFoundationTreatmentJ.GuangdongHighwayCommunications,2009(3):2930.J.2007(1):129131.9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):415420.LiZhaoxia,GuoLi,XuYubing,etc.MeasurementandAnalysisonFatigueDamageofBridgeWeidedComponensJ.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):377386.YuYang,YinAiguo,QianFang,LiZhaoxia,etc.ExperimentalResearchonStaticandDynamicResponseofaSteelTrussthLocalWeldingDetailsJ.JournalofExperimentalMechanics,2008(5):377-386.