含局部焊接細節(jié)的橋梁鋼桁架結構靜動力響應實驗研究.pdf

1、結構的局部損傷和疲勞累積是結構失效的主要原因，因此以狀態(tài)評估為目標的橋梁結構有限元模擬必須準確分析結構在實際服役載荷下的動力響應和關鍵焊接細節(jié)處的熱點應力分布。目前的建模理論尚難以考慮結構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)特性的結構模擬對于結構損傷分析有重要的學術意義。本文的主要內容是從實驗研究的角度探討含局部焊接細節(jié)的橋梁鋼桁架結構靜動力響應規(guī)律。實驗研究是認識與分析復雜結構體系應力分布規(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)的結構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基金項目“大跨結構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)的鋼桁架結構的代表，進行了多種工況下靜動載響應實驗

3、研究；重點對焊接區(qū)域附近的應變應力分布規(guī)律、熱點應力分布和應力集中系數(shù)進行了探討和分析。針對實驗研究的目的和內容，完成了鋼桁架結構縮尺模型研制和實驗方案的研究；對試樣結構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)有設備和部分自行研制設備的基礎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，得到了實驗模型的原始模態(tài)參數(shù)、節(jié)點位移及轉角和整體測

4、點及3個局部測區(qū)的應變信息；對測試得到的靜動載響應信息從整體應力分布、局部應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力分布規(guī)律，以及熱點區(qū)域的應力集中系數(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、近于梁型結構，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：桁架結構上下弦桿較其它桿件受力均勻，主要以軸向應力為主；中部腹桿除兩端的斜桿外受力較小，也以軸向應力為主，兩端的斜桿為結構模型的應力幅值最大的部位，應力水平最高。3)隨著約束的加強，整個桁架結構的應力分布相對地更加趨于平緩，整體應力水平也會降低。4)局部測區(qū)的應力分布與熱點區(qū)域的應力集中現(xiàn)象不僅與周圍的焊縫細節(jié)有關，還與模型結構所受到的載

6、荷形式、載荷施加位置等載荷工況有關，從實驗結果來看，相同條件下均布載荷比集中載荷引起的應力集中要小，隨著載荷的增大應力集中系數(shù)增加的速度變慢；由于實驗結構的明暗焊縫形式復雜，縱橫交錯，應力集中系數(shù)呈非線性變化規(guī)律。5)靜載和動載引起的結構中應力分布規(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。由于動應變測試得到的時程曲線是一個隨時間而變化的結果，邊界誤差和加載系