圆管—方管焊接节点疲劳性能和设计方法研究

摘要

钢管结构早期的大批量应用是在海洋结构领域，因其出色的外观和结构性能其应用领域已经从海洋结构扩展到了建筑、桥梁、机械等各个结构领域。支管、主管均为圆管的相贯节点和支管、主管均为方管的相贯节点是应用最多的两类节点。而支管为圆管、主管为方管的圆管—方管相贯节点，由于其加工较纯圆管节点简单，应力集中程度较纯方管节点低，且外形美观，因此也在建筑、桥梁、交通、机械等领域有广泛的应用。本文针对圆管—方管节点的疲劳性能及其计算方法展开深入研究。这一研究内容是国家自然科学基金课题的一部分。 本文介绍了相贯钢管节点和金属疲劳的基本概念，由此引出钢管相贯节点常用的两种疲劳性能评估方法：基于名义应力的分类法和热点应力法，并比较了这两种方法各自的优缺点。由于热点应力法精度高，且对不同类型的节点可以采用相同的S—N缺陷，因此热点应力法已成为相贯管节点疲劳计算的趋势。因此本文也采用这一方法研究圆管—方管节点的疲劳性能。热点应力计算方法和基于热点应力的S—N曲线是热点应力法的两大主要内容。为研究圆管—方管节点热点应力的分布和影响参数，本文从最基本的T型节点入手，对8个不同几何无量纲参数的T型圆管—方管节点进行了热点应力试验研究。试验测试了节点在承受支管轴向拉力、支管轴向压力和支管平面内弯矩三种荷载下的热点应力和热点应变集中系数。并利用试验数据深入探讨了几何无量纲参数对热点应力的影响、热点应力外推方法和热点应力最大值可能出现的位置等问题。 本研究利用有限元方法计算了大量不同无量纲参数节点的热点应力。基于有限元计算的结果以及实际节点焊缝构造和尺寸，本文认为焊脚尺寸也是影响节点热点应力的重要因素，在工程应用中应考虑不同焊脚尺寸对节点疲劳性能的影响。本文还对几何无量纲参数和焊脚尺寸对热点应力的影响进行了细致的参数分析，在此基础上构造了SCF计算公式的形式，并最终回归得到了SCF的计算公式。为进一步拓展这组公式的应用范围，对一定数量的X型、Y型圆管—方管节点进行了热点应力的有限元分析，并将计算结果与T型节点进行了对比研究。结果显示，T型节点的SCF计算公式可以直接用于X型节点，而Y型节点的SCF计算公式则可以通过对T型节点SCF计算公式进行修正得到。本文还利用已有的试验数据和有限元计算结果研究了壁厚小于4mm的薄壁T型圆管—方管节点的热点应力，研究表明：薄壁节点的SCF计算方法与壁厚不小于4mm的普通壁厚节点相同，两者可以利用相同的计算公式。为得到圆管—方管节点的S—N曲线，整理分析了国外已有的这类节点的疲劳试验数据，回归得到了分别适用于普通壁厚和薄壁圆管—方管节点的S—N曲线。本文通过一个工程实例更加清楚的解释了这一计算方法的使用过程。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

声明

第一章绪论

1.1钢管结构及相贯节点概述

1.2相贯管节点疲劳

1.3本文研究工作

第二章T型圆管-方管节点热点应力试验研究

2.1试验目的

2.2试验方案

2.3试验结果及分析

2.4本章小结

第三章T型圆管-方管节点热点应力有限元分析

3.1有限元分析目的

3.2试验节点的有限元计算

3.3影响参数

3.4有限元计算结果分析

3.5本章小结

第四章T型圆管-方管节点SCF参数分析及公式回归

4.1本章目的

4.2单参数分析

4.3公式回归

4.4本章小结

第五章X型、Y型圆管-方管节点热点应力研究

5.1研究目的

5.2 X型节点的SCF计算方法

5.3 Y型节点的SCF计算方法

5.4本章小结

第六章圆管-方管节点的S-N曲线及疲劳计算方法

6.1研究目的

6.2基于热点应力的S-N曲线

6.3圆管-方管节点基于热点应力的疲劳计算方法

6.4本章小结

第七章结语

7.1结论

7.2展望

致谢

参考文献

附录

个人情况简介