（固体力学专业论文）含焊接细节的钢结构非线性响应测试和响应特征分析.pdf

摘要 摘要 结构局部损伤和疲劳累积是许多结构失效的主要原因，因此研究考虑局部焊接细节特性 的结构局部细节部位非线性响应特征与损伤演化规律及其对结构行为的影响，对于结构安全 评估和损伤识别有重要的学术意义和工程应用价值。 本文的主要内容是从实验研究的角度探讨含局部焊接细节的钢桁架结构局部非线性响 应特征与规律。以某大跨桥梁结构中典型的纵向加劲桁架标准段的l ：5 缩尺模型试样为具体 研究的载体，应用光弹贴片法来实现对试样焊接细节部位附近非线性响应变场信息的获取， 用应变片和位移计实现对结构整体数据信息的获取。首先，通过简单构件的预备性实验对基 于光弹贴片法的局部非线性响应变场测试方法的可行性进行了探讨；然后建立了含焊接细节 的钢桁架结构试样的壳单元有限元模型，通过对设计加载工况的模拟分析并结合实验目的的 要求研究了用于非线性响应测试的钢桁架结构试样的实验方案；最后，通过在钢桁架焊接细 节部位预制不同类型的缺陷( 贯穿孔洞、裂缝) 研究了位子结构焊接细节部位的初始缺陷前 沿的非线性响应特征及其规律，以及在结构存在局部损伤的情况下，结构整体上表现出来的 力学行为特征。 实验研究的结果及其分析表明：1 ) 在实验的加载工况下，钢桁架结构试样整体以受 弯为主要形式。具体到被测各杆件表现为：斜腹杆为主要承力构件，其以轴向应力为主；竖 腹杆为名义应变次之，其也以轴向应力为主，上弦杆主要承受弯应力。2 ) 预制的初始局部 缺陷的存在改变了结构焊接细节部位的应力分布状态，预制的局部损伤对结构局部性能的影 响取决于预制损伤程度的大小、损伤类型以及预制损伤的位置。预制贯穿孔洞损伤的孔边条 纹的级数反映出预制损伤的位置沿结构边缘方向受拉应力，孔边最大残余应变的大小与预制 孔洞的孔径有关，孔径越大，孔边的最大残余应变越小。由于预制贯穿孔洞位于结构的应力 集中部位，使此部位的应力分布状态兼受初始损伤以及结构本身应力集中的影响。预制裂纹 的尖端塑性区在裂纹尖端两侧成非对称蝶形分布：裂纹尖端塑性区域随着载荷的增大而不断 增大，裂纹尖端塑性区的纵向尺寸与作用于结构的载荷成二次曲线的关系。3 ) 结构焊接细 节部位损伤的存在对于结构整体行为的影响，主要从与预制损伤的节点板相连的三根弦杆的 名义应变的变化以及结构的整体刚度的改变上反映出来，具体表现为：三根弦杆的名义应变 的大小随损伤程度的加大而减小，此加载工况下钢桁架结构的主要承力构件斜腹杆应变响应 受初始损伤的影响最大，其次是竖腹杆，影响最小的是上弦杆；结构细节部位损伤的存在导 致结构整体刚度降低，结构整体刚度降低量随结构初始预制损伤程度风的增大呈增大趋势。 上述研究成果反映了结构焊接细节缺陷附近的非线性响应特征以及结构整体力学性能 变化两者结合起来研究了缺陷对于结构响应的影响。由此说明，在结构损伤识别中，有可能 通过结构整体响应参数的改变以及结构应力分布的改变两方面来反演结构局部细节部位的 损伤以及损伤程度。因此本文的研究成果对于认识大型土木工程结构局部非线性响应特征和 a 摘要 结构损伤识别与状态评估具有一定的参考价值。 关键词：钢桁架结构；焊接细节；光弹贴片法；局部非线性：响应特征； b a b s t r a c t e x p e r i m e n t a ls t u d i e sa n da n a l y s e s o n n o n l i n e a rr e s p o n s eo fs t e e ls t r u c t u r e sw i t hw e l d e dd e t a i l s a b s t r a c t t h el o c a ld a m a g ei ns t e e ls 缸u c t i l i e si sp r i m a r yc a u s e st og e n e r a t ec u m u l a t i v ef a t i g u ea n d s 咖c t u r a lf a i l u r e s ot h a ti ti ss i g n i f i c a n tt oe x p l o r et h ep h e n o m e n o na n df e a t u r e so fn o n - l i n e a r r e s p o n s ea n de v o l u t i o no fl o c a ld a m a g ea n di t si m p a c to ns t r u c t u r a lb e h a v i o ro ft b es t r u c t u r e t h i st h e s i sa i m st of i n do u tt h ep h e n o m e n o na n df e a t u r e so fn o n - l i n e a rr e s p o n s ea n d e v o l u t i o no fl o c a ld a m a g eb ye x p e r i m e n t a ls t u d y i n gas p e c i m e no fb r i d g el o n g 【t u d i n a lt r u s s 丽t h t y p i c a lw e l d e dd e t a i l s t h es t r a i nr e s p o n s ei nt h el o c a ld e t a i l sa n dt h ei i u s sw e r em e a s u r e db y s t r a i ng a u g e s ，d i s p l a c e m e n tm e t e r sa n dp h o t o e l a s t i cc o a t i n gm e t h o d t h ef e a s i b i l i t yo f p h o t o e l a s t i cc o a t i n gm e t h o du s e df o rm e a s u r i n gt h el o c a ln o n l i n e a rr e s p o n s eo fs 位a i nf i e l dw a s f i r s t l yd i s c u s s e db yp r e l i m i n a r yt e s t i n go ns i m p l et e n s i l es p e c i m e n ；t h e n , f em o d e lo ft h et e s t e d s t e e lt r u s sw a sd e v e l o p e da n du s e dt oc a l c u l a t et h er e s p o n s eo ft h el r u s si no r d e rt od e t e r m i n et h e l o a da n dm e a s u r i n gp l a nf o rt h ee x p e r i m e n t a ls t u d y ；f i n a l l y , p h e n o m e n o na n df e a t u r e so f n o n l i n e a rr e s p o n s en e a rt h ed e f e c tw i t hd i f f e r e n tt y p e s ( h o l e so rc r a c k i n g ) a tt h ew e l d e dd e t a i l ，c i n v e s t i g a t e do nt h eb a s i so ft h em e a s u r e dd a t ao fl o c a ls t r a i na n ds t r e s ss t r i p es h o w no n p h o t o e l a s t i cc o a t i n g i ti sf o u n df r o mt h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a ld a t at h a t , i ) t h eb e h a v i o ro fs t r u c t u a ll o c a t i o n a f f e c t e db yp r e - d a m a g ed e p e n d so nd e g r e eb u ta l s ot h et y p ea n dl o c a t i o no ft h ep r e - d a m a g e i i ) t h ep o s i t i o no fp r e - d a m a g eb e a r st e n s i l es t r e s sa l o n gt h eb o u d a r yo ft h es t r u c t i o nr e f l e c t e db yt h e l o c a lt e s ti r a f o r m a t i o no f t h ed a m a g eo f p e n e t r a t i o nh o l e t h em a x i m u mr e s i d u a ls t r a i no nt h eh o l e e d g ed 印e n d so nt h es i z eo f t h eh o l e a st h i sp o s i t i o no fp r e - m a d ec r a c kb e a r sc o m p l e xs t r e s s ，t h e d i s t r i b u t i o no fp l a s t i ca r e ao nt h ec r a c kt i pi si ns h a p eo fa s y m m e t r i cb u t t e r f l y i i i ) t w ot y p e so f g l o b a lp a r a m e t e r sa b o u tt h ew h o l es t r u c t u r e ，s u c ha sm o n i n a ls t r a i no ft h r e ec h o r d sc o n n e c t i n gt h e j i o n tp l a t ew h i c ht h ed a m a g em a d eo na n dt h ei n t e g r a lr i g i d i t yo ft h es t e e lt r u s sc a nr e f l e c tt h e i m p a c to nt h es t r u c t u r eb yt h ep r e - d a m a g e c o n c r e t e l ys p e a k i n g ，m o n i n a ls t r a i no ft h r e ec h o r d s a n dt h ei n t e g r a lr i g i d i t yd e c r e a s e 、析t ht h ed e g r e eo ft h ed a m a g ei n c r e a s i n g t h ea b o v er e s e a r c hr e s u l t ss u g g e s t 也矾t h ei m p a c tt ot h es t u c t u r eb yt h ed e f e c t sg a l lb e e v a l u a t e db yt h el o c a ln o n - l i n e a rb e h a v i o rc o m b i n e dw i t ht h eg l o b a lp e r f o r m a n c eo ft h es t r u c t u r e h e n c e ，i tm a yb ep o s s i b l et of i n dt h el o c a t i o no fd a m g ea n di t sd e g r e ei nas t r u c t u r eb ye v a l u a t i n g c a b s t r a c t t h ec h a n g eo fl o c a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n 勰w e l l 勰t h eg l o b a lr e s p o n s eo ft h es t r u c t u r e k e yw o r d s ：b r i d g el o n g i t u d i n a lt r u s s ；w e l d e dd e t a i l s ；p h o t o e l a s t i cc o a t i n gm e t h o d ；l o c a l n o n l i n e a rr e s p o n s e d 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生魏啤导师签名：馘嘲 l 必d 、这 繁一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 第1 章绪论 由于社会盼进步和经济与科学技术的高速发展，搿层、超嵩层的建筑不断涌现，大跨度 的桥梁及网架、网壳结构如雨后春笋般不断的出现，可以说现代土木工程结构正向着大型化、 复杂化发展。在建筑材料中，钢结构由于具有轻质高强、力学性能较好、抗震性能优越、工 业化程度离、施工速度快等优点在大型木工程结构应用中具有较好的发展前景。如国家体 育馆鸟巢为大型的网架结构，其结构大量采用由钢板焊接而成的箱形构件；大型跨海桥梁润 杨公路大桥魏籍粱逮采爝的是焊接钢籀粱结构；江苏第一高楼紫峰大厦其主体结构是壶镳框 架组成。 钢结构p 】主要有焊接和铆接两种连接方法。在钢结构的连接方法中，具有构造简单、不 削弱截面、节约钢材、加工方便、连接的密封性好、剐度大等优点的焊接连接成为主要的连 接方式。目前，焊接钢结构广泛应用予航空航天、机械、土术工程、船舶及海洋工程等众多 领域h 】。就大跨钢桥梁瑟言，五、六十年代，欧溯就采耀焊接技术建造钢挢，六十年代末期， 我国首次采用检焊钢梁建造钢桥，1 9 9 5 年建成的孙口黄河大桥和2 0 世纪末修建的芜湖长江 大桥则采用了桥梁的整体节点全焊接技术。香港的青玛大挢和江苏黪江溺长涯公路大桥和漏 扬长江大桥也采用了焊接的钢箱梁建造，可以说，焊接结构在钢桥中得到普遍应用。 对于大型土木工程结构，当工作载荷作用于整个结构时，结构的破坏往往不是整体的， 露从细节部位缒徽损伤嚣始的，此时细节部位成为结构豹薄弱环节，这一环节失去控制作用 将对整体结构的性能产生影响以至结构的失效。而对于焊接的大型土木钢结构来说，其初始 损伤往往发生在焊接缺陷纛应力集幸共瑟作瘸的区域。焊接接头一般位予结构的形状突变 处，容易产生应力集中，而焊接连接不仅容易产生缺陷，同时存在焊接残余应力，使焊接接 头成为焊接锈结构受力的薄弱都位。 桥粱在长期运营过程中除了承受车辆等正常静作用载荀外，还会受至l 嚣境如湿度，海水 的冲刷等影响，而且还遭受地震、台风等自然灾害侵袭。这些因素使桥梁自身性能受到威胁， 从焉导致结构酶在正常使用裳内就发生不圈程度的损伤和劣化。近年来，美、墨两箧的桥梁 事故原因表明，结构连接处在循环荷载作用下的疲劳损伤累积和有损结构在动力荷载作用下 的裂纹失稳扩展建造成许多桥梁发生灾难性事放的主要原因 2 1 。健康监测系统的发展使这一 阿题的解决成为了可能，其在很大程度上具备了桥梁结构性能实时监测的目的，但是由于健 康监测系统监测的数据受环境干扰严熏的局限性，局部的微小变化搬容易被噪声淹没，因此 健康监测系统在发现细节部位的微损伤上存在一定的难度。两安装在整体部位的传感器其监 测数据较为稳定，因此研究钢结构节点处焊接细节部位在工作载荷下的力学性能特别是进入 l 东南大学硕士学位论文 非线性阶段低程度的损伤情况下结构局部的非线性响应和响应特征，并掌握其局部的响应与 整体响应的对应关系，进而通过整体响应反演结构局部的性能的变化，对更好的发挥健康监 测系统的作用将提供了较好的理论支持，特别是对提高结构的整体性能避免灾难性的事故发 生具有着重要的理论和现实意义。 1 2 相关领域的研究现状 从选题背景及研究意义可以看出，本文意在通过有效的实验手段研究含焊接细节钢桁架 结构局部非线性响应的特征，以此给结构安全监测与评估中损伤识别理论提供有效的参考。 其研究领域涉及到结构安全监测与有效评估的损伤识别，结构局部非线性响应特征与缺陷行 为研究，非线性响应测试方法。 1 2 1 结构安全监测与评估中的损伤识别 随着测试手段和分析技术的提高，结构健康监测系统成为国内外研究的热点问题，复杂 的大型土木工程结构的健康监测系统的建立与安装成为国内的比较流行的工程课题。国内外 都开始在一些已建和在建的大型桥梁中设置结构安全监测与评估系统，对结构在正常使用期 内的损伤和安全状态进行在线监测和评估。 损伤识别是结构安全监测和评估系统的核心【3 】。结构损伤识别是：通过对结构的关键性 能指标的测试和分析，判断结构是否受到损伤；如果结构受到损伤，则损伤位置、损伤大小 如何；为判断结构能否继续使用及其剩余寿命估计提供决策依据。损伤识别结果的有效性决 定了对桥梁性态把握的准确性。因此一个灵敏的损伤指标和有效的损伤识别方法，对结构的 损伤检测来讲至关重要。 从结构损伤识别的定义可以看出，桥梁的损伤识别要解决四个层级【4 】的问题：损伤指 示，结构已经出现异常的报警，指示有损伤发生；损伤定位，找出发生损伤的构件部位； 确定损伤程度，进一步量化分析出现的损伤程度，给出确定的指标；对结构剩余寿命进 行评估。目前关于结构损伤识别的第一个层次的研究已经很成熟。而关于损伤定位和损伤定 量是研究的核心和难点问题。 结构损伤识别方法可分为整体法和局部法，一般，整体法和局部法在大型土木结构的损 伤检测中结合使用会到达很好的效果。首先由整体法确定损伤的大致位置，然后由局部法对 该处的各部件进行具体的检测。整体法大多数是基于振动理论的损伤识别研究【孓嘲，其主要 原理是基于工程结构力学系统中动力特性参数( 固有频率、振型、阻尼比) 与结构的物理参 数一一对应的关系。工程结构损伤后，其物理参数发生变化，从而导致其动力参数的变化。 通过动态测试得到的结构静动力参数的变化，推出振动模态参数的变化就能够判断损伤的存 在位置及损伤程度。从研究和应用的角度看，大致可分为动力指纹分析法、模型修正与系统 2 第一章绪论 识别法、神经网络法和遗传算法。局部诊断【1 9 】是依靠无损检测技术对特定构件进行精确的 检测、查找，描绘缺陷的部位，通过判断桥梁结构局部的健康状态，并依据一定的理论对桥 梁的整体情况做出评价。目前桥梁结构局部检测基本是基于声发射法、超声波诊断法、泄露 诊断法、射线诊断法、光学诊断法、涡流诊断法、磁粉诊断法和红外诊断法等。整体法用来 评价整体结构的状态，确定损伤存在的可疑区域，可以在线实时或者离线间断的评价结构的 健康状况，确定损伤是否存在及大体确定损伤程度；而局部法则依靠成熟的无损检测技术对 某个特定的可疑的损伤部位进行精确检测，已达到对损伤程度量化的目的。 由于基于振动理论的损伤检测方法受环境噪声的影响较大，在结构存在微小损伤的情况 下，其测试范围很容易被噪声淹没，在识别结构微小损伤的情况下存在一定的局限性。再者 大跨桥梁等大型的土木工程结构，其构造复杂，所处环境恶劣，另加局部检测方法的固有的 一些应用局限性，比如人工现场作业，结构的某些特殊的部位不易深入，现场测试环境噪声 的对测量数据准确度的影响，而且检查和评估的结果往往取决于检查人员的专业知识水平以 及现场检测的经验，检查的结果具有主观性，难以保证结构的安全，不能及时发现间隔期内 的损伤等，制约了整体法与局部法结合的损伤识别方法应用于大型工程实践。 1 2 2 有关结构局部非线性响应特征与缺陷行为研究 在大型土木工程结构中，由于结构局部本身存在的缺陷或裂纹导致结构灾难性的事故不 断发生，因此了解存在初始局部微小损伤的结构在工作载荷作用下结构局部损伤的演化与损 伤区域的扩展，对预防此类灾难性的事故存在重要意义。 对于桥梁等大型复杂的土木结构，其在运行期间受各种因素的影响，从实验研究的角度 来讲在原始结构上进行结构应力分布和局部细节的力学响应特征的研究不切实际，通常情况 下是采用实验室缩尺模型【2 0 , 2 1 】对其进行性能的测试与实验研究。已有的模型试验大多是在结 构弹性响应范围内研究结构局部细节部位的应力分布以及应力集中状况，以此指导结构设计 以及结构在应用过程中的状态评估，对结构局部进入非线性以及结构局部损伤演化的特征的 研究甚少。由于尺度效应的存在和实验的模型材料的限制，缩尺模型也很难真正意义的体现 结构的实际受力情况，特别对于线性与非线性过渡的这个区域，完好与低程度损伤的界限更 是难以精确的反映出来。 有限元软件技术的不断发展，很好的弥补了实验条件的限制，对大型的土木工程结构， 可以建立有限元实体模型，通过子模型技术分析结构细节部位的应力分布状态以及非线性演 化特征。刘腾喜，罗松南陋】采用空间板单元对实际的斜拉桥拉索锚区箱梁段进行了有限元 计算，给出了各应力分量的危险区域，为实际桥梁的设计与监测提供了可靠的依据。王应良 等1 2 3 j 以南京长江第二大桥为工程背景，分析了流线型钢箱梁横隔板的结构受力特点，指出 了横隔板的局部应力分布特点和危险区域。李明【2 4 】通过有限元模拟技术分析了空间铸钢球 节点与框架节点在不同载荷工况下，节点部位应力分布以及进入非线性阶段塑性区的演化和 3 东南大学硕士学位论文 扩展过程。王梅【2 5 1 以t 型方圆管相贯节点为研究对象，通过有限元模拟和实验手段得到了 节点局部应力分布特征以及非线性演化过程。有限元软件虽然很好地解决了工程中一些复杂 的问题，其计算原理基于一些理想性的假定。而且模型中很难反映结构某些部位的随机缺陷， 因此有限元软件在研究结构细节部位非线性响应特征具备一定的局限性。 结构的初始缺陷影响着结构局部性能行为，缺陷在结构运行过程中的性能行为属于断裂 力学的领域，在断裂力学的理论研究中，以裂纹缺陷( 贯穿孔洞可以看作内部贯穿裂纹的特 例) 研究最为流行。弹塑性裂纹体裂纹尖端在载荷作用下塑性区形状、大小及如何演化扩展 的问题成为弹塑性断裂力学研究中的首要问题。 近几十年来，很多学者在这方面做了大量工作，并取得了显著的进展，建立了各种塑性 区模型，并在一定假设的基础上求出了简单应力状态下几种类型的弹塑性裂纹问题的理论 解。在断裂力学发展史上，i r w i n 的圆形等效塑性区模型和d u g d a l e 等人的带状塑性区模型 即d m 模型2 6 1 及修正的d m 模型，以及b i l b y 等人的位错连续分布模型f 2 7 】( b c s 模型) 较 为著名。这些模型在对塑性区的形状进行了简化假设的基础上，以裂纹延长线作为塑性进行 区进行研究，从一定角度研究了裂纹尖端塑性区的扩展情况，但在实际工程中，由于各种影 响因素的存在，这些模型并不能全面的反映塑性区真实的形状与扩展情况，因此具备一定的 局限性。 国内外很多学者也曾致力于塑性进行区的实验研究。d i x o n 和v i s s c r i 2 s 3 在1 9 6 3 年曾提 出用光弹贴片法估计塑性区，1 9 7 9 年b a n d y o p a d h y a y 和m u b c c n 2 9 】通过此方法给出了裂纹尖 端塑性区的实验研究结果，随后在1 9 8 1 年b a n d y o p a d h y a y 和s i n g h 、m u l 3 0 经过进一步的 研究，再次发表了类似的研究成果。其研究是以单边裂纹体的三点弯曲试样为对象，试样及 裂纹构造简单，而实际工程中裂纹形状及裂纹位置、大小具备一定的随机性，因此此研究成 果在实际应用中具备一定的局限性。 国内的赖云林【3 l 】在前人工作的基础上，实验研究给出了裂纹尖端塑性区形状与大小与 构件材料，裂纹类型、裂纹位置、裂纹尺寸等因素的关系。此实验研究虽然从影响因素上研 究了裂纹尖端塑性区的形状及大小，但是其研究仍是基于简单拉伸构件的基础上，虽然给实 际工程中此类问题的研究提供了一个很好的理论基础，对复杂结构的局部细节部位的裂纹尖 端的塑性区扩展形态还是基于一个近似的把握。 1 2 3 非线性响应测试的方法及其工程应用研究 非线性响应特征的分析的准确性主要取决于非线性数据信息的获取精度，因此一个有效 的获取的非线性响应信息的测试方法选取非常重要。 国内外很多学者对塑性进行区的实验研究，曾采用过表面粗糙度法、云纹法、散焦线法、 电阻应变片法、声发射技术、光弹贴片法以及其它测试技术。 4 第一攀绪论 云纹法【3 2 ，3 ，是把襁片牢固地粘贴在试件( 模型或构件) 表蕊，当试件受力两变形时， 栅片也随之变形。将不变形的栅板叠加在栅片上，栅板和栅片上的栅线便因几何干涉而产生 条纹，云纹法就是测定这类云纹莠对其进行分析，从露确定试辞的位移场或应交场。 对乎常用的工程材料，包括低弹性模量材料、糕弹性材料、各向异性材料、复合材料等， 郡可用云纹法进行测试。云纹法可用感光或腐蚀的方法，在试件表面制成各种栅线，而不致 弓l 起试馋表面强度的加强或削弱。此法是用光传递栅线变形的信息，所以它的抗干扰性和稳 定性都比较好，也适用于非接触式测量。因此，它能用于测量常温静载，也适用予测量冲击 波传播等爨畦受载以及蠕变和捡弛等长期受载，还可测定定常的或非定常的热应力和挥接避 程的动态应变等。云纹法是根据栅线道叠时的纯几何关系确定应变的，因此，无论在弹性范 豳内的小应交，或者破坏时翡灭应交，都可以测试。它还可用戬测定裂缝附近鼢弹塑性应变 场等。云纹测试由于试件表面容易受温度的影响，而且在应变不够大时灵敏度和准确度还不 够，因此对于结构局部低程度损伤时测量的准确性存在一定的局限性。 散焦线法嘲，是将一束激毙垂直照射在一块透瞬薄板试件上，如果试件承受载荷面萼l 起厚度变化，则从试件的前后表面反射和折射的光线就会相互干涉而形成明亮条纹。如在试 件雏前露或看露一定鼹离处，在和试佟平面平行的位置上放一幅羼幕，鄹可在羼幕上观察裂 条清晰的曲线噍；散线。利用焦散线测量应变( 或应力) 奇异性的方法，称为焦散线法。 1 9 6 4 年，p 马诺吉曾用光学阴影法对含裂纹的有机玻璃拉伸试件进行裂纹尖端塑性区 的实验磷究，认力裂纹阕匿的阴影是豳这些不连续区弓l 起的毙的偏离所造成的。1 9 7 0 年， p s 泰奥卡里斯采用激光光源，获得了裂纹尖端的焦散线图。并提出裂纹应力强度因子的关系 式，使焦散线法发展成为溅量奇异变形的一释方法。 焦散线法已用于测量裂纹尖端的塑性区和应力强度因予，测量角隅区( 如锐角、直角或 钝角部位) 的威力奇异性，测蠹两物体间的接触应力，研究复合材料物体结合区的虚力强度， 采用离速摄影机研究动态裂纹的扩展粒动态应力强度因子等。由于焦散线法对透明材料的模 型试验效果比较明显，对非透明材料的实验可行性尚在探索之中，而且由于其测试方法需要 一令观察羼，霞此限制了其工程应用。 表丽粗糙度法1 3 5 , 3 6 ，基于以下原理：试件在发生塑性变形之后其表亟租糙度会发生变化， 照明光的反射特性也会发生明姓的变化。当金属处于单向拉伸实验的弹性阶段时，由于并无 塑性变形的出现，其表露粗糙度并无明显的变化。露嵩金属受到静力或疲劳载荷两发生塑性 变形时，微观爵粒滑移会导致表面粗糙化。金属表面粗糙化时，其镜面反射能力会减弱，相 应麓教射能力增强。在宏疆上簧| j 表现为灰度值高的点的数量会显著增多，两灰度燕较低斡点 的数量会相应的减少以此为依据定义了参数来考察金属塑性变形的测量。囡内外很多学者通 过这种方法测量金属的塑性交形。这种方法是基于材料的塑性微鼹行为达鲻一定的程度的基 础上产生的宏观性能的测试，此方法由于在应变较低的情况下，结构表面粗糙度无明显变化， 丽且处理测试产生的图像数据的准确性很大程度上取决于灰度阙值的选择。由于其图像数据 s 东南大学硕士学位论文 的灰度处理的方法加大了对实验过程中环境的恒亮度要求。因此其应用性受到一定的限制。 电阻应变片法 3 7 1 ，它所依据的原理是将应变片组成桥式结构来感应被测体应变的变化， 并转换为与应变片的电阻变化之间的关系成需要的电量，以利用应变变化为应变率进行检 测，也被称为应变检测技术。电阻应变片法无论在实验室还是工程上都应用广泛。电阻应变 片法主要是电阻丝尺寸的限制，反映的是一个区域内的平均值。不能准确反映对应点的真实 应变。由于电阻应变片测点有限，只能捕捉点应变，应变峰值点易被遗漏。因此对于结构局 部非线性响应的大小及区域很难准确把握。 声发射技术【3 针，是利用声脉在缺陷处发生特性变化的原理来进行检测。超声波能够以 一定的速度在某种材料中传播，直至遇到不连续点或抵达测试物的边界时才反射回来，通过 信号的强度可以获知伤的程度，而将信号发生的时间和超声波在材料中的传播速度联系起 来，则可以获知损伤的位置。 大多数结构材料在受力后出现如塑性变形、裂纹开裂、裂纹开展等微结构损伤时，就以 声波的形式释放能量，它可以对处于荷载作用状态下的桥梁结构的内部材料和结构变化进行 稳定的监视，并给出早期报警。声发射技术已经成为结构健康监测领域损伤评估的一个重要 的无损检测手段。由于声发射技术以裂纹产生与扩展、裂纹尖端塑性带的变化为声发射源， 并是通过声波的形式来传递能量，其很容易受到环境噪声的影响，对结构损伤位置和损伤程 度的确定存在一定的不确定成分。 光弹性贴片方法啼们，是通过紧密粘结在被测结构物的表面贴片，在偏振光作用下产生 的双折射效应来实现的。当被测结构物受荷载作用，结构表面的应变通过两者的界面( 胶粘 剂) 剪切传递传给双折射贴片，使被测结构物表面的应力反映在贴片的光学效应中。是把透 射模型光弹性法扩展到测量不透明结构表面应变场分布的一种方法，既可直接观察结构表面 的应力分布情况，又可定量地测出结构表面应力的大小，不但可以测取结构表面的弹性应变， 而且还可以测取结构表面塑性应变。此方法能大面积给出被测部位的应交分布场，被测区域 的应力分布能直观、形象的表现出来，是确定最大应力值和应力集中系数及其位置最有效的 方法。由于光弹贴片可直接用于原型零件和结构，对结构或零件进行实验应力分析时，不但 省工而且节时，又不需要做烦琐价昂的模型。 目前，国内已有许多学者对光弹贴片测试技术的应用进行了大量研究，大连理工大学的 王喜闻、云大真h o 等在海洋平台管节点的的力学性能方面的研究比较突出，天津大学的严 承霭 4 h 也对光弹贴片测试技术的工程应用进行了相关研究并取得了大量的研究成果，在研 究成果的基础上于2 0 0 3 年出版了 泣 ( 2 ) 泊松比匹配的影响 聚碳酸蘸黏片材瓣豹泊松院段一般比被测构件竣者结构的泊松比鹃大，泊松院的羞别 能使位移场襄应变场沿贴片厚度产生畸变，特别是对边界处的影响尤为欢显。因此在实验中 保证匹配和不匹配时实验数据处理分析中的修正对测试结果的精度极为重要。但是研究表 臻，对金属材料来讲，贴片材料帮金属材辩翡滚松毯：不匹配产生的效应嚣常夺，常常爵以葱 略。 ( 3 ) 应变梯度的影响 东南大学硕士学位论文 对于厚度较大的贴片来讲，被测结构物表面的应变在其交界面处的通过剪切传递反映在 贴片应力分布并不是均匀的，而是存在一定的梯度。在分析平面应力结构时，平面内的应变 梯度并不影响贴片的精度，但在贴片的边缘这种现象十分明显，因此在实验时对选用的贴片 的大小应远远大于关心的被测区域，这样对应变梯度在边界上产生的不均匀现象造成的误差 可以消除。 2 2 实验设备和实验材料 进行光弹贴片实验最重要的仪器设备是光弹图像数据的采集设备一反射式光弹仪。由于 实验室资源条件的有限，本课题组也是对光弹贴片实验的初次尝试，实验室没有反射式光弹 仪等精密仪器。因此结合实验室自有资源，自制了反射系统。如前一章图2 - 2 ( 6 ) 中矿型光 路布置共用起偏镜和检偏镜的系统，结合其光路布置图，课题组实验中，利用光源、偏振片、 三角架和蚴设计了矿型光路的布置。 实验需要的其他仪器和材料还包括用于采集结构表面在载荷作用下响应信息具有光弹 效应的双折射贴片、应变计、用于采集应变计信息的应变仪、用于双折射贴片和应变计粘贴 的胶粘剂等。 1 ) 贴片材料的选择 为保证实验信息的有效获取，聚碳酸酯贴片选择是一个很关键的步骤。用于光弹贴片法 的双折射贴片要求：应变一光学灵敏度高，光学蠕变小、有利于提高测量灵敏度和精度； 较高的应力应变比例极限和应变一光学比例极限，扩大检测量程：弹性模量低，以减 少贴片的加强效应；有良好的粘结性能和加工性能，固化应力低；光学应力条纹和力学 性能的温度效应弱。 从上述理想贴片材料的要求和2 1 3 小节分析的影响测试结果精度的因素可以看出，贴 片厚度的平均应变并不等于界面处的应交，沿着贴片厚度存在应力梯度，贴片也具有增强试 件的能力，因此为了获取较高的精度，尽量使用较薄的贴片进行实验；而贴片太薄，会导致 贴片干涉条纹级数低，造成应变一光学灵敏度低。所以在可行性分析实验进行之前，对本文 研究所涉及的应变测试范围，结合实验室具备的几种厚度的贴片进行了一组实验，选定了厚 度为1 1 2 r a m 的贴片用于后续实验研究。限于论文内容的主次，在此就不详细说明贴片选择 性的实验。 ， 2 ) 胶粘剂的选择 要保证在弹塑性应变范围内，光弹贴片与原型材料的位移始终相等，必须根据贴片材料 1 4 第2 章光弹贴片法基本原理及用于结构非线性响应测试的可行性研究 及原型材料选择不同的粘贴剂和采用不同的粘接工艺。本课题研究选择的光弹贴片为聚碳酸 酯材料，被测结构物的材料为q 2 3 5 钢 在光弹性贴片法试验中，光贴片与被测物体表面的粘接质量是试验成功与否的关键，它 直接影响试验精度，所用胶粘剂的选择及粘接工艺取决于贴片材料、被测物体材料，受力状 态和试验条件等。一般说来，应满足以下几点要求：要有足够的粘接强度以满足受力 条件下的传力，加载试验过程贴片与被测物不脱开；胶粘剂的刚性与贴片材料的刚性基本 一致以满足应力应变的传递；粘接后，贴片无粘接应力或有较小的粘接应力：胶层无气 泡，反光性好：胶粘剂室温固化，操作方便，工艺简单。 经实验探索比较，改性丙烯酸酯类适用于弹性应力分析中光贴片法。此种胶是国外7 0 年代研制成功的一种优质粘接剂，其特点是：对4 5 号钢、不锈钢、铝合金与聚碳酸醋的粘 接强度高；固化速度快，3 0 分钟至l 小时即可使用。而环氧树脂类固化需2 4 小时以上，韧 性好，可传递大变形，完全满足了塑性试验的需要，对被粘接表面处理要求不严格，粘接质 量稳定且粘接初应力小，使用温度范围广，可在6 0 至1 2 0 c 环境条件下使用等优点，但 其耐性差，无法满足长时间的工作，比如结构的疲劳试验。 本实验选用的是改性环氧树脂一聚酰胺体系双组份专用胶粘剂，其么组份中是以双酚 彳型环氧树脂作为树脂的主基料，再组合采用7 l l 、6 3 6 0 、咒晚刀m 等环氧树脂，这些树脂 既可做活性稀释剂，其本身又能与胺类固化剂起快速反应，同时又可增加产物韧性，它们的 粘度都较低，与主体树脂的混溶性好，有利固化反应完全等等。艿组份以聚酰胺树脂为主 基料，再加人混合胺体系作为固化反应的促进剂，它能进一步提高在室温时的粘接强度，使 用时按一定的比例即可。 3 ) 聚碳酸酯贴片的粘接工艺 先将金属表面用三氯乙烯清除油污，再经5 0 0 号砂布打磨后用干净毛刷拂去灰尘，最后 用无水乙醇清洗凉干。将聚碳酸酯板材的粘接表面用甲醇清洗即可。如果条件许可，对金属 表面进行化学法处理效果更佳。 将胶粘剂彳、曰两组份混合均匀，先涂一层于被粘物表面，再涂于被粘物表面，最后 贴合加压，赶出气泡并使胶层均匀。在此过程中应防止配胶不足造成缺胶现象，以加压后 胶液剐被挤出为佳：加压要适当，过大会使胶层过薄而造成胶层不连续，这样会降低强度而 使干涉条纹不连续；加压过小会造成胶层太厚也使强度下降。 因此此种胶粘剂使用期短，涂胶速度要快。胶层不能太厚，也不能太薄，胶层太厚容易 产生内部缺陷而影响强度，胶层过薄会造成胶膜不连续而影响粘接强度。胶粘剂适宜厚度约 0 0 5 o 1 5 r a m 。在有些情况下贴片位置要与结构边界对齐，在贴片边缘挤出适量的胶液， 1 5 东南大学硕士学位论文 使贴片与结构表面圆滑过渡，避免应力集中。粘接好贴片的效果图如图3 2 所示。 图2 3 贴片边缘与结构表面过渡处粘接效果图 应变片的选择与粘贴工艺 应变片规格的选择 根据被测部位的受力情况以及需要得到的信息，选择相应的类型和规格的应变片。 应变片的粘结工艺 将被测点用砂纸打磨去掉氧化层，然后用浸有酒精的脱脂棉球擦拭贴片处，带表面干洁 后，在应变片上涂抹有5 0 2 胶，然后将应变片贴在已经处理好的被测部位，压实即可。 2 3 所选贴片用于结构非线性响应测试的可行性分析 所选贴片的测试精度，对钢桁架试样局部非线性的响应应变场变量的测试数据的准确性 影响不可忽略。本节将上述理论分析的基础上通过简单构件的四点弯曲实验进一步讨论所选 贴片用于非线性响应测试的可行性。 图2 4 四点弯曲梁模型及尺寸图 5 r a m ，b = 9 1 m m ，t c = 2 m m 图2 _ 4 给出了加载示意图及贴片高度y 、贴片厚度t 。在试样中贴片一侧的背面贴片边 缘对应位置处( a 、b 线对应的位置) 贴有两个应变片。测试所用的仪器是济南试验机厂生 产的6 t 的液压伺服试验机，采集仪器为像素7 0 0 万的尼康相机。试验光路采用v 型光路， 对应2 1 2 小节中图2 - 2 ( b ) 。 在测试过程中，从4 k n 开始测试，在塑性阶段按每增加1 k n 载荷记录一次载荷及条纹 图像。直至贴片脱落或强化阶段结束。 1 6 + 乞 囝川 1 1 第2 章光弹贴片法基本原理及用十结构非线性响戍测试的可行性研究 图2 是实验测试的条纹图像效果图测试图像对照表2 - 1 得到条纹级数，聚碳酸醋材 料麻变条纹值”i 】为3 4 6 0 m 一条纹，按公式( 21 6 ) ( 21 1 ) 计算贴片边缘的主应变著的太小。 对贴片边缘的主应变差取平均值，并对两侧应变片的数据取平均值，表2 - 2 给山了贴片边缘 某点的主应变与应变片输出的结果数据表。 图2 - 5 9 k n 载荷作用下纯弯段光弹条纹图像 表2 - 1 暗视场白光产生的条纹彩色序列例 表2 - 2 四点弯曲实验光弹贴片祛与戍变片法测试结果 10 6 l2 2 13 8 l6 2 l8 i 2 1 6 5 25 8 5 锄琊 謇| 瑚 似 m m 蛐 嗍 | 量 姗 至| 蚴 4 5 6 7 8 9 东南 学埘l ：学位论史 从表2 - 2 可以看出光弹贴片法和电阻脚变片法所得的结果基本上是致的，由丁测试 构件处于单向受力状态其某点土麻变蒹值即反映r 结构 ：应变的太小。为了更好的对光弹 贴片法和电阻应变片法的对比，对表2 - 2 中按载t “一土麻变分别绘制光弹贴片测试结果和戍 变片测试结果的直方嘲如图2 - 6 所示。 4 0 0 0 3 6 0 0 3 2 0 0 。2 8 0 0 副2 4 0 0 崔 2 0 0 0 1 6 0 0 载荷k n 图2 - 6 光弹测试结果与麻变片测试结果对比图 从应变片与光弹片测试结果比较来看，光弹贴片的测试数据的精度很高测试酎像直观 的反映出结构表面应变场的情况，可以为非线性响应应变场的测量提供一个直观有效的测试 结果。光弹贴片的掼i 试数据稍高丁席变片法测试的数据，主要是因为光弹贴片测试数据是反 映的结构表面的应变真实数据的反映，其贴片边缘显示的是此部位在结构载荷作用下的最大 应变，电阻应变片法主要是电阻丝尺寸的限制反映的是个区域内的平均值。 出现误筹的原因还包括光弹贴片测试设辑是自行用构造设备设计的，其相对丁光弹测试 设备难免有不足之处；其次是条纹级数的提取主要是参照通过条纹彩色序列表，其提取存在 一定的氓差；另外i | 占片牯接的质量也是误差出现的原田之。 2 4 本章小结 本章完成的主耍r 作是从光弹贴片法的基本原理以及贴片实验的影响冈景的角度出发 阐述了光弹贴片法用于结构非线性响应场变昔的适定性，并通过简单的四点弯曲梁实验验证 了光弹贴片法用于1 r 线性响应应变场变量测试的可行性。 研究结果表明： 1 、光弹贴片法可以全场、直现地反映山结构被女9 表面在载荷作片f 的麻变响应场韭鬣 第2 章光弹贴片法基本原理及用于结构非线性响应测试的可行性研究 以及在加载过程中应变场变化趋势，光弹贴片法具备全面反映应变场分布的优越性； 2 、传统的电阻应变片法，由于电阻应变片测点有限，只能捕捉点应变。应变峰值也很 容易遗漏，对于非线性响应应交场变量的测试来说具有定的局限性； 3 、通过所选光弹贴片测试的结果与电阻应变测试结果比较，光弹贴片法测试结果的误 差很小，可以反映结构表面在载荷作用下的真实的应变响应情况，具有较高的精度， 此贴片材料可以在后续的结构局部非线性响应测试中进行应用。 1 9 第3 章含焊接细节的钢桁架结构非线性响应测试的实验方案研究 第3 章含焊接细节的钢桁架结构非线性响应测试 的实验方案研究 第2 章通过简单构件实验验证了光弹贴片法用于非线性响应应变场变量测试可行性