（工程力学专业论文）铸钢节点疲劳性能及抗疲劳优化设计研究.pdf

f a t i g u ep r o p e r t i e sa n do p t i m i z a t i o n d e s i g no f c a s ts t e e ln o d e s ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i c d e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y l ij i n g s u p e r v i s e db y a s s o c i a t ep r o f j i nh u i c o l l e g eo f c i v i le n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s i t y j u n e2 0 1 0 8洲0 6iiii_6叭7，i1y 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。 研究生签名：三查盘导师签名：日期：凶h ；扣 摘要 铸钢节点疲劳性能及抗疲劳优化设计研究 硕士研究生：李菁指导教师：靳慧副教授 摘要 铸钢节点因其形式灵活多样、铸造可变性强、受力性能可靠等优点在大跨空间钢结构中 日趋流行。相比其他节点形式，铸钢节点的最大优势在于对结构疲劳性能的改善，因此，国 外某些承受疲劳载荷的工程结构已开始采用铸钢节点。然而，针对铸钢节点疲劳性能的研究 在国外尚处在起步阶段，国内还没有见到公开文献报道。杭州湾跨海大桥海中平台观光塔在 设计中采用了铸钢节点，波浪疲劳载荷是其主要载荷之一。本文针对此工程的疲劳问题，对 铸钢：肖点进行了疲劳研究及优化设计，主要研究内容和方法如下： 1 、对铸钢节点的疲劳研究国内外现状进行了介绍，针对工程中广泛采用的g s 2 0 m n 5 v 铸钢进行了材料疲劳试验与分析，得到了相关疲劳性能数据，包括完整的洲曲线、疲劳极 限，并对疲劳试样断面进行了分析，为工程实际应用提供了参考依据。 2 、针对承受波浪载荷的铸钢节点，利用统计学的方法，将波浪载荷处理为平稳随机过 程，按修正的皮尔逊一莫斯柯维奇谱建立波浪功率谱密度函数；采用谱分析方法计算应力响 应功率谱，并归纳其概率特性；利用试验研究的成果，得到构件的疲劳极限，进行危险点疲 劳强度的验算。 3 、针对观光塔铸钢节点的环形对接焊缝设计了双边焊、带套筒的单边焊、带垫块的单 边焊和不带垫块的单边焊四种焊缝细节，计算分析了等幅波浪载荷下各种焊缝的疲劳寿命。 1 4 、分析了铸钢：符点的铸造方法和质量检测方法，针对目前的工艺水平，提出了铸钢节 点抗疲劳优化设计步骤；综合运用断裂力学、有限元理论和疲劳强度理论等知识对含有初始 缺陷的铸钢节点进行了疲劳数值计算，并验算了初始缺陷是否合理。 论文研究结果表明，观光塔铸钢节点的疲劳性能是可靠的，检测得到的初始缺陷尺寸是 合理的。 关键词：铸钢节点、材料疲劳试验、疲劳载荷、环形对接焊缝、初始缺陷尺寸 a b s t r a c t f a t i g u ep r o p e r t i e sa n do p t i m i z a t i o nd e s i g no f c a s ts t e e ln o d e s g r a d u a t es t u d e n t ：l ij i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f j i nh u i a b s t r a c t d u et ot h e i rf l e x i b l ef o r m s ，s t r o n gc a s t i n gv a r i a b i l i t ya n dr e l i a b l eb e a r i n gp e r f o r m a n c e ，t h e c a s ts t e e ln o d e sa r ee n j o y i n gi n c r e a s i n gp o p u l a r i t yi nl a r g e s p a ns t e e ls t r u c t u r e c o m p a r e dw i t h o t h e rj o i n t s ，c a s ts t e e ln o d e sh a v et h e i rm o s ta d v a n t a g e si ni m p r o v i n gt h ef a t i g u ep r o p e r t i e so f s t r u c t u r e s t h e r e f o r e ，t h ec a s ts t e e ln o d e sa r ep o p u l a r l ya p p l i e dt o c i v i ls t r u c t u r e sw h i c ha r e u n d e r t a k i n gf a t i g u el o a d si nf o r e i g nc o u n t r i e s h o w e v e r , i n v e s t i g a t i o no nt h ef a t i g u ep r o p e r t i e so f c a s ts t e e ln o d e si ss t i l la tt h es t a r t i n gs t a g eo v e r s e a sa n dt h er e l e v a n tr e s e a r c h e sh a v en o tb e e n r e p o r t e di np u b l i cl i t e r a t u r ei nc h i n a t h ec a s ts t e e ln o d e sa l ea d o p t e di nt h et o u rt o w e rs t e e l s t r u c t u r eo nt h ep l a t f o r mo fh a n g z h o ub a yb r i d g ew h i c hi sm a i n l yu n d e rw a v el o a d i n g i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，s t u d ya n do p t i m i z a t i o nd e s i g no nt h ef a t i g u e p r o p e r t i e so fc a s ts t e e ln o d e sa l e c o n d u c t e d , a n dt h em a i nc o n t e n t sa n dm e t h o d so ft h es t u d ya l el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ef a t i g u es t u d ys t a t u so fc a s ts t e e ln o d e si nd o m e s t i ca n do v e r s e a sa r ei n t r o d u c e df i r s t l y am a t e r i a lf a t i g u ef i e l dt e s ti sc a r d e do u tf o rc a s ts t e e lm a t e r i a lo fg s - 2 0 m n 5 vw h i c hi su s e di n t h et o u rt o w e rs t r u c t u r e t h ef a t i g u ep r o p e r t i e sd a t aw h i c hc o n c l u d e st h ec o m p l e t es - nc u r v ea n d f a t i g u el i m i ta l eo b t a i n e di nt h i st e s t t h ea n a l y s i so ff a t i g u ef r a c t u r ei n t e r f a c ei sp e r f o r m e da tl a s t t h er e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gd e s i g n 2 s e c o n d l y , t h es t a t i s t i c a lm e t h o di sa p p l i e dt oa n a l y z et h ec a s ts t e e ln o d e su n d e rw a v e l o a d i n gw h i c hi sp r o c e s s e da ss t a t i o n a r ys t o c h a s t i cp r o c e s s e s a c c o r d i n gt or e v i s e d p i e r s o n m o s k w i t zs p e c t r a , t h ew a v ep o w e rs p e c t r ad e n s i t yf u n c t i o nw a sf o r m e d t h e n , t h e s p e c t r a la n a l y s i sm e t h o dw a su s e dt oc o m p u t et h es t r e s sr e s p o n s ep o w e rs p e c t r a , a n dt h es t a t i s t i c s c h a r a c t e r so ft h es t r e s sr e s p o n s ew e r ec a r r i e do u t a tl a s t t h er e s u l t so ff a t i g u et e s ta r eu s e dt o c a l c u l a t et h ef a t i g u el i m i to f c o m p o n e n t s ，a n dt h ef a t i g u es t r e n g t ho fc r i t i c a lp o i n tw a sc h e c k e d 3 t h i r d l y ，b a s e do nt h ec a s ts t e e ln o d e so ft o u rt o w e ro nt h ep l a t f o r mo fh a n g z h o ub a y b r i d g e ，g i r t hb u t tw e l dd e t a i l sa r ed e s i g n e d ，s u c ha sd o u b l e - s i d e dw e l d ，s i n g l e s i d e dw e l dw i t ha n o s e ，s i n g l e s i d e dw e l dw i t hb l o c ka n ds i n g l e s i d e dw e l dw i t h o u tb l o c k f a t i g u el i f eo fa l lk i n d so f w e l d s u n d e rc o n s t a n ta m p l i t u d ew a v el o a d i n ga l et h e nc a l c u l a t e da n da n a l y z e d 4 f i n a l l y ，t h ec a s t i n gm e t h o da n dq u a l i t yd e t e c t i o no fc a s ts t e e ln o d e sa l ea n a l y z e d b a s e d o nt h ec u r r e n tc a s t i n gp r o c e s s ，t h ep r o c e d u r eo fa n t i - f a t i g u eo p t i m i z a t i o nd e s i g ni sp r e s e n t e d c o m p r e h e n s i v ea p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n tt h e o r y , f r a c t u r em e c h a n i c sa n dt h ef a t i g u es t r e n g t h t h e o r y , t h ef a t i g u en u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fc a s ts t e e ln o d e sc o n t a i n i n gi n i t i a la l l o w a b l ed e f e c t sa l e c a r r i e do u ta n da l s oc h e c k i n gt h er a t i o n a l i t yo ft h es i z eo fi n i t i a la l l o w a b l ed e f e c t s o nt h eb a s i so fa f o r e m e n t i o n e ds t u d y , i ti sf o u n do u tt h a tt h ef a t i g u ep r o p e r t i e so fc a s ts t e e l n o d e so f t o u rt o w e ri sr e l i a b l ea n dt h es i z eo f i n i t i a la l l o w a b l ed e f e c t si sr e a s o n a b l e k e y w o r d s ：c a s ts t e e ln o d e s ；m a t e r i a lf a t i g u et e s t ；f a t i g u el o a d i n g ；g i r t hb u t tw e l d ；i n i t i a ld e f e c t s i z e i i i i v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录一v 第l 章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 铸钢节点的优点l 1 1 2 铸钢节点的形式2 1 2 铸钢节点的研究发展5 1 2 1 研究内容5 1 2 2 研究现状5 1 3 本文研究的目的、内容和意义6 1 3 1 研究目的6 1 3 2 研究内容7 1 3 3 研究意义8 1 4 论文结构8 第2 章铸钢材料的疲劳试验研究。9 2 1 疲劳试验方法9 2 1 1 曲线一9 2 1 2 疲劳极限。l3 2 1 3 疲劳断口1 5 2 2 疲劳试验仪器1 6 2 3 疲劳试验过程1 7 2 3 1 试样设计与制备1 7 2 3 2 仪器标定1 8 2 3 4 加载方案19 2 4 试验分析2 0 2 4 1 静强度测试一2 0 2 4 2 绘制d 曲线2 l 2 4 3 计算疲劳极限。2 3 2 4 4 疲劳断口分析2 5 2 5 本章小结2 7 第3 章波浪载荷下节点铸钢部分的疲劳强度估算2 9 3 1 波浪载荷下铸钢节点疲劳数值计算方法2 9 3 1 1 波浪载荷的统计处理2 9 3 1 2 谱分析法计算应力响应3 0 3 2 疲劳极限的确定。3 2 3 3 观光塔铸钢节点疲劳数值计算3 2 3 3 1 杭州湾海中平台观光塔工程简介3 2 3 3 2 波浪载荷的计算3 3 3 3 3 铸钢上节点疲劳强度计算。3 5 3 3 4 铸钢下节点疲劳强度计算3 8 3 4 本章小结4 2 v 目录 第4 章铸钢节点环形对接焊缝的疲劳寿命估算4 3 4 1 环形对接焊缝的疲劳寿命估算方法4 3 4 1 1 根据应力集中系数计算热点应力幅度4 3 4 1 2 用有限元计算热点应力幅度4 4 4 2 焊缝孓曲线的选取4 5 4 2 1d n v 中对接焊缝的孓曲线4 5 4 2 2 e u r o c o d e 3 中对接焊缝的曲线4 7 4 3 对接焊缝的细节设计4 8 4 4 算例4 8 4 4 1 计算模型4 8 4 4 2 波浪载荷的选取4 9 4 4 3 焊缝细节的选取5 0 4 4 4 计算结果分析5 0 4 5 本章小结5 l 第5 章铸钢节点抗疲劳优化设计5 3 5 1 铸钢节点的铸造方法及质量检测5 3 5 1 1 铸钢：牾点的铸造5 3 5 1 2 铸钢节点的质量检测5 5 5 1 3 铸钢节点的缺陷分析5 7 5 2 铸钢节点的疲劳优化方案5 9 5 3 损伤容限设计内容6 1 5 3 1 应力强度因子6 1 5 3 2 疲劳裂纹扩展速率。6 l 5 3 3 剩余寿命估算6 2 5 4 模型初始缺陷预置方法6 4 5 4 1 断裂力学相关理论。6 4 5 4 2a n s y s 三维裂纹的实体建模方法6 5 5 4 3 模犁初始缺陷的设置6 5 5 5 应力强度因子的计算6 9 5 5 1 载荷的确定6 9 5 5 2 缺陷应力强度因子的计算7 0 5 5 3 缺陷应力强度因子的计算7 3 5 6 初始裂纹尺寸的分析7 6 5 6 1 计算步骤7 6 5 6 2 计算过程及结论7 8 5 7 本章小结8 1 第6 章结论及展望。8 3 6 1 本文主要工作及研究成果8 3 6 2 今后工作的展望8 4 参考文献8 5 致谢8 9 攻读硕士学位期间撰写与发表的论文9 1 v i 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 从1 8 世纪下叶开始，铸造材料作为建筑材料开始在工程中得到应用，世界上第一座铸铁 桥梁建在英国的c o a l b r o o k d a l e 市( 1 7 7 7 1 7 7 9 ) ，因铸铁的高抗压性能，与石料相比，减少了大 量材料用割。在纽约，至今仍保留着一些1 9 世纪的建筑，其中采用了铸铁构件作为支撑 构件。但因为铸造材料的脆性特点，使其只能作为受压构件，所以后来随着钢产业技术的发 展，铸造材料在结构中的重要性逐渐减弱。近些年来，随着铸造工艺的发展，新型的低合金 低碳钢铸钢材料与传统的脆性、疏松、焊接性能差的铸铁材料相比，具备了满足结构要求的 力学性能，如强度、塑性、韧性、可焊性、抗腐蚀性等。如果在钢中加入某些合金元素，还 可获得某些特殊性能，如耐磨、不锈、耐热、无磁等，这些都是铸铁所不及的，因此铸造材 料在工程中的应用呈回升趋势。 如今，铸钢作为铸造材料在工业上的应用极为广泛，如轧钢、锻压、运输、发电、矿山、 石油、化工等设备中，许多零件的毛坯都是铸钢件。2 0 世纪9 0 年代全世界铸钢件的年产量 稳定在6 0 0 万吨，占全世界铸件总产量的5 1 0 。合金铸钢件的用量很大，中国合金钢铸 件占全部铸钢件的比例为3 0 ，而工业发达国家已达到4 2 5 0 。1 9 9 6 年的统计数据表明， 美国低合金钢、不锈钢、钢和抗磨钢等合金钢铸件的比例已达到6 0 。由于钢铸件是铸造 成形工艺和钢材料冶金的结果，既可具有其他成形工艺难以得到的复杂形状，又能保持钢所 特有的各种性质，从而确立了铸钢在工程结构材料中的重要地位1 2 】。 1 1 。l 铸钢节点的优点 铸钢构件外形美观，过渡光滑，适应各种复杂形状，可铸造成多个支管从任意方向交汇 的复杂形状，材料力学性能不再受应力方向的影响，无残余应力，所以特别适用于土木工程 钢结构中三维应力状态下的节点，尤其是在钢管结构中显示了优良的力学性能【3 j 。在钢管结 构中，焊接节点和铸钢节点是两种常见的节点形式。焊接节点将支管切割加工成相贯面后， 直接与主管焊接，如图l l 所示。铸钢节点在工厂内整体浇注而成，可免去相贯线切割和重 叠焊缝焊接的过程，如图1 2 所示。 图1 1 焊接节点图1 2 铸钢节点 东南大学硕士学位论文 铸钢节点与焊接节点相比具有如下优点： 1 ) 铸钢节点取消了复杂的相贯线焊缝，采用的环形对接焊缝形式简单，与钢管轴线垂 直，大大减小了焊接次应力； 2 ) 环形对接焊缝布置在离节点核心较远、应力较小的钢管上，减小了焊缝的受力； 3 ) 在管管相交处都进行倒角过渡，减小了应力集中： 4 ) 铸钢节点具有良好的适应性，可按实际需要制造成各种复杂形状，按受力状况优化 截面形状，改善节点应力分布。 以上这些特点使得铸钢节点相比其他形式节点的力学性能得到很大改善。铸钢节点在建 筑工程中的应用已呈流行趋势。 1 1 2 铸钢节点的形式 随着铸钢：书点在建筑工程中的广泛应用，产生了各种形式不同的铸钢节点。一般包括： 铸钢相贯管节点、铸钢空心球：常点、铸钢板式节点、铸钢铰接节点以及铸钢组合节点等。如 图1 3 。1 - 7 所示。铸钢：肖点与钢结构构件的连接方式可采用焊缝连接、螺纹连接和销轴连 接。 图1 - 3 铸钢相贯管节点图1 - 4 铸钢空心球节点 图1 5 铸钢板式节点 2 第1 章绪论 图1 - 6 铸钢铰接节点 1 1 3 铸钢节点的工程应用 图1 7 铸钢组合节点 铸钢节点形式灵活多样，可塑性强，越来越受到工程界的关注。近年来在大跨空间钢结 构中，对受力大、构造复杂的节点纷纷采用了铸钢节点，取得了良好的技术经济效益。 在国外，特别是日本、欧盟等国家，铸钢节点在实际工程中已得到了广泛应用1 4 | 。如日 本名古屋体育馆的单层球面网壳，其节点形式采用了加劲肋的圆柱状铸钢节点；德国斯图加 特机场航站楼的树状结构采用了铸钢相贯节点；加拿大c d p 首都中心的钢管树结构中采用 了铸钢节点。我国在近期的一些重大工程中也都采用了铸钢节点，如国家体育场( 鸟巢) 内 柱的多面体铸钢节点p j ，上海新国际博览中心树状钢结构的连接节点【6 】，深圳文化中心黄金 树节点【7 】，广州国际会展中心张弦梁端部铸钢节点【8 】，南京奥林匹克中心体育场钢屋盖主拱 铸钢节点【9 1 ，上海浦东国际机场二期工程航站楼钢屋盖结构【1 0 l ，重庆江北国际机场新航站楼 大跨钢桁架【1 1 1 中多处采用了铸钢节点设计等等。如图1 - 8 所示。以上工程实例表明铸钢节点 具有良好的适用性，正逐渐应用大跨空间钢结构。铸钢节点作为新型的节点形式，对其力学 性能的研究已经成为我国大跨空间及钢结构的科学前沿【1 2 1 。同济大学、清华大学、天津大 学、东南大学、西南交通大学、重庆大学、中国建筑设计研究院等单位都针对重要工程中的 铸钢节点进行了试验和研究，同济大学和清华大学等单位共同主编了我国第一本建筑类建 筑铸钢节点应用技术规程 1 3 j 。 3 东南大学硕士学位论文 a ) 南京奥体中心b 1 拱上铸钢节点 c ) 桁架铸钢节点d ) ”v ”支座上、下端铸钢节点 图1 8 南京奥体中心铸钢节点的应用 由于上述工程结构自身的特点，疲劳问题并不突出。其实，与焊接节点相比，铸钢节点 最大的优点在于对结构疲劳性能的改善。正是基于这个原因，许多承受疲劳载荷的工程结构 中开始采用铸钢节点，如海洋工程结构、桥梁结构和高耸结构，它们分别承受波浪疲劳载荷、 交通疲劳载荷和风振疲劳载荷，对于这些结构中的铸钢节点，疲劳载荷是主要的载荷形式， 疲劳破坏是主要的破坏形式。铸钢节点于1 9 8 4 年首次应用在c v o n o c ov i k i n g 海洋平台结构 中，之后的二十余年间，海洋工程领域关于铸钢节点的疲劳进行了大量研究，取得的数据和 成果都表明铸钢节点比焊接节点疲劳性能得到很大改善，因此各国海岸钢结构平台的设计和 建设中大量采用了铸钢节剧1 4 j 。如图1 - 9 所示。 图1 - 9 铸钢节点在海洋平台中的应用 4 ， v。讲。豇 第1 章绪论 近年来，欧洲的桥梁工程中铸钢节点开始推广应用，在许多人行桥、公路桥、铁路桥结 构中都应用了铸钢节点。如德国柏林的h u m b o l d th a r b o r 铁路桥、斯图加特的n e s e n b a c h t a l v i a d u c t 公路桥和s i n d e l f i n g e n 市的人行桥，采用钢管与混凝土桥面组合结构，其钢管的支点、 节点以及混凝土桥面的连接均采用铸钢节点15 1 ，如图1 1 0 所示。 a ) h u m b o l d th a r b o r 铁路桥b ) n e s e n b a c h t a lv i a d u c t 公路桥c ) s i n d e l f i n g e n 人行桥 图1 1 0 铸钢节点在桥梁中的应用 1 2 铸钢节点的研究发展 1 2 1 研究内容 在大跨空间钢结构中，节点的设计一直都是一个至关重要的研究课题，因为节点的破坏 往往会导致与之相连的若干杆件的失效，从而导致整个结构破坏。由于铸钢节点的广泛应用， 许多学者对其受力性能进行了研究，提出了许多有价值的研究方法，这些方法可以归纳为试 验研究和理论分析两大类。 试验研究的方法是较直接可靠的研究方法。一般大型工程中的铸钢节点，设计时都会进 行试验分析来研究其受力性能。在早期的研究中，模型试验是证明连接设计可靠与否的唯一 可行的方法，模型一般取得较大。近年来试验应力分析有了长足的进步，微应变片和光弹性 应力冻结技术已开始被采用，为工程试验提供了测量应力、应变的先进手段。 然而，试验研究也受到成本、工期、试验条件等因素的影响。因此，理论分析是对试验 研究的有效补充。理论分析的方法很多，包括试验统计法、薄壳理论法、简化分析法、有限 元法及半解析数值法等i l6 1 。 对铸钢节点的研究，从受力性能上还可以分为静强度研究与疲劳性能研究。静强度的研 究主要包括铸钢节点在承受静载荷时的受力性能以及其与连接件的连接性能。疲劳性能的研 究主要是指铸钢节点在承受疲劳载荷时的受力性能以及其连接性。 1 2 2 研究现状 铸钢节点最早应用于海洋平台结构。尽管在海洋工程领域取得了一些成果，但与之相比， 土木工程中的铸钢节点在结构形式、几何尺寸、焊接细节、制造工艺等方面均有较大差别， 5 东南大学硕士学位论文 因此海洋工程领域铸钢节点的研究成果和数据不能直接应用。目前国内外关于铸钢节点力学 性能及施工焊接方面的研究很多，文献 1 7 2 7 分别通过不同工程实例针对铸钢节点进行 了试验或数值方面的研究，取得了一些成果，积累了一些经验，但是这些研究主要集中在静 力分析或施工设计方面。东南大学靳慧副教授等人通过科技查新发现1 2 剐：目前关于铸钢节 点的抗疲劳设计方法，疲劳性能试验方法和疲劳数据还很缺乏，并且我国的铸钢节点应用 技术规程还没有涉及到铸钢节点的疲劳问题。 由于铸钢节点在土木工程的应用范围越来越广，其疲劳性能的研究已引起重视，欧洲近 年来开始了对铸钢节点疲劳性能的初步研究。欧洲的研究范围主要针对桥梁工程中典型的k 型铸钢节点形式，如瑞士i c o m 实验室2 0 0 1 2 0 0 5 年的研究项目桥梁结构铸钢节点的缺 陷容限( 瑞士e p f l i c o m ，p r o j e c ti c 4 3 8 ，2 0 0 1 2 0 0 5 ) ，该项目对包含铸钢节点的大比 例钢管桁架进行了疲劳试验，研究了铸钢节点在钢管桁架中的整体疲劳性能，铸造缺陷对节 点疲劳性能的影响，对比了焊接节点和铸钢节点的疲劳性能差别【2 3 i 。德国k a r l s r u h e 大学 2 0 0 6 年开始进行的对接焊缝的疲劳( c i d e c t , p r o j e c t 7 w ，2 0 0 6 ) 和公路、铁路桥梁中 钢管截面结构的经济性应用( f o s t a ，p r o j e c tp 5 9 1 ，2 0 0 6 ) 项目，选取实际桥梁工程中三 种尺寸的钢管与铸钢：钙点，对其环形对接焊缝进行了疲劳试验，该试验中焊缝设计为单边焊 缝，并分为有焊接垫板、无焊接垫板、不同的坡口形式等六种焊接细节，比较了不同焊接细 节的焊缝的疲劳强度1 3 4 1 。 在国内，东南火学靳慧负责的杭州湾跨海大桥工程海中平台改造项目观光塔铸钢节点 试验研究与疲劳数值分析一疲劳数值分析项目，对铸钢节点进行了疲劳数值分析研列 j ， 并依托此项目，进行了铸钢节点和焊缝的疲劳寿命估算方面的研究【3 6 3 9 j 。 目前可参考的规范和设计手册，如英国钢结构规范b s 7 6 0 8 ，挪威船级社规范d n v l 4 ， 欧洲钢结构规范e u r o c o d e 3 【4 1 1 ，国际焊接协会i i w 相关规范、国际空心钢管结构委员会 c i d e c t 相关手册，我国钢结构规范中，都没有土木工程中常用的铸钢材料的疲劳极限或寿 命曲线数据，关于环形对接焊缝的疲劳数据和计算方法的内容也非常少，没有环形焊缝细节 设计的相关内容，也没有铸钢节点优化设计方面的内容。瑞士i c o m 实验室和德国k a r l s r u h e 大学正在进行的关于铸钢节点疲劳性能研究的项目也只是针对桥梁结构中典型的k 型节点 形式，疲劳试验属于个例试验，数据不具普遍性，可见铸钢节点的疲劳性能研究在国外尚处 在起步阶段。 实际： 程结构中的铸钢节点具有形式灵活，呈异性和大型化趋势，几何尺寸范围较广， 铸件与钢管件厚度差别较大等特点。进行铸钢节点的抗疲劳设计和计算，首先需要的是铸钢 节点的各种疲劳数据，所以进行铸钢材料和构件疲劳试验是当前急需解决的基本问题。在疲 劳试验的基础上，结合优化设计方法对铸钢节点进行平衡优化设计，才能充分发挥铸钢节点 的抗疲劳性能，这已经成为铸钢节点研究领域的发展趋势。 1 3 本文研究的目的、内容和意义 1 3 1 研究目的 6 第1 章绪论 近年来，铸钢节点由于其性能特点，正逐渐应用于承受疲劳载荷的结构中。目前国内外 土木工程中使用最广泛的铸钢材料为符合德国的d i n 标准的g s 2 0 m n 5 v ，但是关于 g s 一2 0 m n 5 v 材料的疲劳数据还没有。目前欧洲桥梁结构中此铸钢节点的抗疲劳设计是采用 近似材料铸钢g s l 3 m n n i 6 4 的疲劳数据来代替，我国杭州湾观光塔铸钢节点的疲劳计算是 采用近似方法，根据材料的强度极限近似计算出疲劳极限。要想真正精确地进行疲劳分析， 必须要得到材料的疲劳数据，因此，当务之急是要对材料进行疲劳试验，得到其疲劳性能数 据以满足工程需要。 铸钢节点的疲劳问题分为两部分：节点铸钢部分的疲劳，节点与管件连接的环形对接焊 缝的疲劳。虽然与传统的相贯焊接的方法相比，铸钢节点的环形对接焊缝解决了焊缝较长， 残余应力较大的问题，使得节点疲劳性能得到了很大改善，但也呈现一些新的问题： ( 1 ) 节点铸造而成，工艺复杂，铸造质量不稳定使得材料力学性能不稳定，生产中需 对铸造质量严格控制； ( 2 ) 国外关于铸钢节点的疲劳试验结果都显示，节点疲劳破坏位置是在环形对接焊缝 处，焊缝对节点的疲劳行为起控制作用，是整个节点疲劳问题的关键，但关于环形对接焊缝 的细节设计、疲劳数据、疲劳寿命估算方法都还非常缺乏； ( 3 ) 节点铸钢与焊缝两部分之间的疲劳强度差异很大，铸钢部分的疲劳强度高于焊缝 的疲劳强度，高等级的铸造质量可提高铸钢部分的疲劳强度，但增加了成本，并且整个节点 的疲劳寿命是由焊缝控制的，所以需要在这两个部分之间进行平衡优化设计，使铸钢节点更 合理、更经济。 由上可以看出，铸造工艺对铸钢节点的疲劳性能有着非常大的影响。铸造缺陷是铸造工 艺造成的，以现在的铸造水平来看，几乎不可能控制到完全消除铸造缺陷。高质鼍的铸造工 艺可以改善结构的疲劳性能，但是相对成本高。平衡铸造成本和铸造质量是具有重大实用价 值的。 在我国，杭州湾跨海大桥海中平台观光塔采用了铸钢节点，铸钢节点承受着海面上的波 浪疲劳载荷，其疲劳性能是整个观光塔结构的关键点，是工程中迫切需要解决的基本问题。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 试验研究 进行g s 2 0 m n 5 v 材料的疲劳试验技术研究，得到其基本疲劳性能数据。( 包括材料的 静强度试验、测定洲曲线的试验、测定疲劳极限的试验以及疲劳断口分析) ( 2 ) 数值分析 利用测得的疲劳数据，对杭州湾观光塔结构铸钢节点进行疲劳强度研究分析；针对杭 州湾观光塔结构铸钢节点进行各种典型的环形对接焊缝细节的数值研究，得到其各种 焊缝寿命；根据铸钢测得的焊缝寿命，推算出结构中允许存在的初始缺陷的上限值， 给出节点的铸造优化建议。 7 东南人学硕j ：学位论文 1 3 3 研究意义 欧洲的些桥梁开始使用铸钢节点，对其疲劳性能的研究也刚刚起步。可以预测，随着 铸造水平的不断提高，未来这种形式的桥梁在我国将会有着，“阔的发展空间。因此，目前对 其疲劳性能的研究既显得必要，又具有远见意识。 我国建筑铸钢节点应用技术规程中还没有涉及到疲劳问题。研究结果将为我国铸钢 节点疲劳性能的研究提供新的增补内容及方法，疲劳试验的研究数据对日益增多的铸钢节点 的疲劳设计提供可靠依据，具有重大意义。 开展铸钢节点的疲劳性能试验和抗疲劳优化技术研究，与国际研究前沿接轨，将对这一 新型节点形式在我国土木工程钢结构中的应用推广，改善钢结构节点的疲劳性能，具有重要 的理论和现实意义。 1 4 论文结构 本论文分为六部分，具体内容和研究思路如下： 1 ) 绪论简单介绍铸钢节点的优点、形式、工程应用以及本文研究的背景、目的、内容 和意义。 2 ) 对工程中常用的铸钢材料进行疲劳试验研究，试验内容包括：材料的静强度、s n 曲线、疲劳极限以及疲劳端口分析。 3 ) 对杭州湾跨海大桥海中平台观光塔的铸钢：铃点的铸钢部分进行疲劳强度验算。内容 包括：波浪载荷的处理、应力响应的谱分析方法、疲劳强度验算。 4 ) 对杭州湾跨海大桥海中平台观光塔的铸钢节点的焊缝疲劳性能进行了研究。对焊缝 细节设计进行了研究，计算比较了各种细。锚的焊缝的疲劳寿命。 5 ) 通过对铸钢节点的铸造方法进行研究，分析了铸造探伤方法应用以及铸造缺陷的类 型及产生原因；综合运用断裂力学、有限元等多方面知识，提出了铸钢节点抗疲劳 优化设计分析步骤。 6 ) 本文的结论和对今后工作的展望。 8 第2 章铸钢材料的疲劳试验研究 第2 章铸钢材料的疲劳试验研究 构件抗疲劳设计的基础依据是构件的疲劳极限和寿命曲线等疲劳性能数据。目前国内外 土木工程中使用最广泛的铸钢材料为符合德国d i n 标准的g s 2 0 m n 5 v 材料，可是关于 g s 2 0 m n s v 铸钢材料的疲劳性能数据还没有。目前欧洲桥梁结构中铸钢节点的抗疲劳设计 采用的是近似材料g s l 3 m n n i 6 4 的疲劳数据，国内杭州湾工程观光塔铸钢节点的疲劳计算 采用的是近似估算方法，根据材料的抗拉强度近似计算出材料的疲劳极限。所以，对此常用 铸钢材料进行疲劳试验，得出材料疲劳数据，是精确进行铸钢节点抗疲劳设计的关键，是目 前工程中急需解决的基本问题。 本章将首先介绍国内外常用的材料疲劳试验方法，然后依据疲劳试验规范标准针对工程 中常用的g s 一2 0 m n 5 v 铸钢材料进行疲劳试验研究，获得其疲劳极限和寿命曲线等疲劳性能 数据，并对其进行疲劳断口分析。 2 1 疲劳试验方法 疲劳强度是建立在实验基础上的一门学科。只有模拟真实的载荷及环境，对被研制的结 构或构件进行实物试验，才能正确评价它们的真实疲劳特性，验证疲劳设计的预期效果。但 是，对于结构或构件的疲劳试验，要消耗大量的构件试样，对于不同的设计方案，又要制作 不同结构的试样，很不方便。所以，一般多用结构简单、造价低廉的标准试样进行材料疲劳 试验，得到材料疲劳性能数据。娶曲线和疲劳极限是两个重要的疲劳性能指标。 2 1 1 跗v 曲线 l 、鲫曲线的概念 疲劳失效以前所经历的应力或应变循环次数称为疲劳寿命，一般用表示。试样的疲 劳寿命取决于材料的力学性能和施加的应力水平。一般说来，材料强度极限越高，外加的应 力水平越低，试样的疲劳寿命就越长；反之，疲劳寿命就越短。表示这种外加应力水平和标 准试样疲劳寿命之间关系的曲线称为材料洲曲线。因为这种曲线通常都是表示中值疲劳寿