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原文传递含局部焊接细节的桥梁钢桁架结构静动力响应实验研究

论文题名：	含局部焊接细节的桥梁钢桁架结构静动力响应实验研究
关键词：	钢桁架结构;焊接细节;应变应力;热点应力;应力集中
摘要：	结构的局部损伤和疲劳累积是结构失效的主要原因，因此以状态评估为目标的桥梁结构有限元模拟必须准确分析结构在实际服役载荷下的动力响应和关键焊接细节处的热点应力分布。目前的建模理论尚难以考虑结构中事实上存在的局部缺陷及对损伤的演化过程进行仿真分析。因此，考虑局部焊接细节特性的结构模拟对于结构损伤分析有重要的学术意义。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桥梁钢桁架结构静动力响应规律。实验研究是认识与分析复杂结构体系应力分布规律和动力特性参数的有效手段，实验研究得到的测试信息可以对含局部焊接细节的结构的有限元模拟方法研究提供实验支持。本项研究得到国家自然科学基金项目“大跨结构多尺度损伤模拟与失效行为仿真分析”(项目编号：50278017)和教育部博士点基金(项目编号：20040286031)的资助。实验研究以香港青马大桥纵向加劲桁架标准段的1：5缩尺模型(4.2m×1.32m，共一榀)作为含局部焊接细节的钢桁架结构的代表，进行了多种工况下静动载响应实验研究；重点对焊接区域附近的应变应力分布规律、热点应力分布和应力集中系数进行了探讨和分析。针对实验研究的目的和内容，完成了钢桁架结构缩尺模型研制和实验方案的研究；对试样结构的整体和局部焊接细节处的材料性能参数进行了测试，得到了母材、焊趾附近区域和焊材(焊缝熔堆)三部分的材料性能参数；根据实验方案，在实验室现有设备和部分自行研制设备的基础上完成了含局部焊接细节的钢桁架缩尺模型的静动载实验，得到了实验模型的原始模态参数、节点位移及转角和整体测点及3个局部测区的应变信息；对测试得到的静动载响应信息从整体应力分布、局部应力分布及影响因素等几方面进行了分析，得到了整体和局部的应力分布规律，以及热点区域的应力集中系数随边界约束条件、载荷工况等的变化而变化的趋势。实验研究的结果表明：1)含局部焊接细节试样的材料性能参数必须按三类取值，即母材、焊趾区域和焊材(焊缝熔堆)，由于受局部焊缝的影响三者的材料性能参数发生了变化，不能简单取某个值来相互替代。2)整个桁架试样的受力特性接近于梁型结构，在所施加的边界约束和载荷工况下，试样模型整体以受弯为主要形式，具体到各部位杆件表现为：桁架结构上下弦杆较其它杆件受力均匀，主要以轴向应力为主；中部腹杆除两端的斜杆外受力较小，也以轴向应力为主，两端的斜杆为结构模型的应力幅值最大的部位，应力水平最高。3)随着约束的加强，整个桁架结构的应力分布相对地更加趋于平缓，整体应力水平也会降低。4)局部测区的应力分布与热点区域的应力集中现象不仅与周围的焊缝细节有关，还与模型结构所受到的载荷形式、载荷施加位置等载荷工况有关，从实验结果来看，相同条件下均布载荷比集中载荷引起的应力集中要小，随着载荷的增大应力集中系数增加的速度变慢；由于实验结构的明暗焊缝形式复杂，纵横交错，应力集中系数呈非线性变化规律。5)静载和动载引起的结构中应力分布规律基本上是一致的，幅值出现的位置也基本一致，但不同测点对静载或动载的相对敏感性不同，这主要与测点所在位置和载荷工况有关。由于动应变测试得到的时程曲线是一个随时间而变化的结果，边界误差和加载系统的稳定性对动应变测试结果的影响要比对静应变测试结果的影响大的多。6)实验桁架试样具有一般桁架结构的受力和工作特性，本实验得到的含局部复杂焊缝的结构整体与局部热点应力分布规律对于类似结构有一定的参考价值。最后，论文中利用ANSYS软件建立了实验桁架结构的有限元模型，进行了结构模态和应力响应的初步计算分析，并和实验结果进行了对比，结果表明实验测试信息可以满足含局部焊连接细节的结构有限元模拟方法研究的需要。
作者：	殷爱国
专业：	固体力学
导师：	李兆霞;黄跃平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文