细化分析疲劳裂纹萌生寿命下的钢框架连接焊接连接的强烈地震

文摘

本文提出了细化分析评估低循环疲劳裂纹萌生寿命的焊接连接连接钢框架结构在强烈地震荷载作用下。考虑不同长度尺度典型的梁和柱组件之间以及一些关键的连接焊接连接、多尺度有限元(FE)模型有三种不同的长度尺度是制定。模型可以准确地分析钢框架的非弹性地震反应,然后获得详细的焊接区域附近的弹塑性应力和应变场的连接。发现焊接区受到多轴非比例加载期间强地面运动和焊接区域的三维弹塑性应力-应变场。然后,使用的相关Fatemi-Socie (FS)参数与疲劳寿命实验获得的裂纹萌生疲劳数据的钢结构焊件承受多轴载荷,疲劳裂纹萌生寿命的精制评估方法是开发基于等效塑性应变在梁的疲劳关键位置结束接缝的关键焊接连接钢框架时受到强烈地震激发。

1。介绍

传统的脆性断裂连接焊接钢结构的连接是失败的最主要原因之一强烈地震激励下的钢结构。地震破坏北岭和神户地震后的调查表明,疲劳裂纹萌生和扩展达到或接近焊接连接可能会导致严重的地震损伤,从而危及安全的钢架结构,甚至导致钢框架结构的崩溃1,2]。连接焊接连接的典型断裂引起的地震图所示1。

焊缝的疲劳裂纹可能发起连接附近的梁的下翼缘,有时顶部法兰焊接的(3- - - - - -5]。此外,疲劳裂纹可能传播到列法兰或梁网络,最后导致焊接连接连接的断裂(3- - - - - -5]。地震破坏的焊接连接的连接通常被认为是低循环疲劳引起的塑性应变和焊接材料对裂缝的能力不足。因为骨折通常启动或在焊缝附近,探讨疲劳裂纹萌生和扩展的焊接连接,有必要关注当地附近的应力和应变场的模拟焊接连接的连接的详细信息。

当前连接焊接连接的疲劳损伤的研究通常基于全球地震反应的列和梁的钢框架结构,和滞回特性之间的内力和位移的组件是用来评估连接的疲劳寿命。Krawinkler和Zohrei6]描述塑性应变范围之间的关系和数量的周期前骨折用Manson-Coffin方程和地震非弹性响应,然后焊接头的疲劳损伤预测生活基于线性损伤累积法。Bernuzzi et al。7)提出的一个公式- - - - - -裂纹萌生和疲劳寿命曲线的相对侧的连接钢框架的层间位移。加藤和秋山8]介绍了疲劳累积损伤模型作为塑性变形的函数成员的结束。为了模拟连接时刻之间的关系和相对旋转的端板连接,Saranik et al。9)建立了一个疲劳破坏滞回模型,这是一个进化退化滞后模型基于低循环疲劳损伤指数。对于压裂前滞,Kuwamura和高木涉10)提出并实验验证了相似的法律,这说明延性振幅之间的关系和累积延性和断裂之前的周期数。坎贝尔et al。11)转换的地震响应,如梁端转动,相当于一系列加载循环利用rainflow过程,然后评估疲劳损伤钢结构预测失败或剩余的生活基于相似的法律。这些方法是方便实际应用在许多情况下,因为只有强震响应结构的水平,也就是说,滞后之间的循环弯矩和旋转梁结束,需要抗疲劳性能的评估。然而,这些方法的缺点也是显而易见的。一方面,这些方法很难预测裂缝发起和传播当地焊接连接的详细信息。另一方面,这些方法是基于的实现- - - - - -曲线的连接焊接连接。由于尺寸效应,扩大焊接连接的机械性能可能不同于原型的连接。因此,全尺寸焊接连接各种几何图形和表格需要测试来确定修改Manson-Coffin关系,即耗时又昂贵。

尽管一些替代连接,如加强连接通过增加盖板和减少梁部分连接,开发以防止焊缝低循环疲劳裂纹的塑性应变最大的位置转移远离柱法兰。然而,当钢架结构,改善了连接连接受到严重的地面运动,它仍然是必要的调查在梁塑性铰的出现概率结束并进一步疲劳失效风险分析的连接,这意味着全面了解当地的应力和应变场。

提出了一种精确数值分析疲劳裂纹萌生的连接焊接连接。多尺度有限元(FE)模型对钢结构的非弹性分析,制定的模型包含三个不同长度尺度元素来描述,分别梁柱组件,选择关键连接焊接连接钢框架结构抗震概念设计的基础上和抗震设防标准的弱震下“不伤害”和“没有崩溃在强烈地震,”和焊接接缝连接。是探索疲劳临界点的污点地位至关重要的连接焊缝的三维及其强烈地震激励下多轴非比例加载模式。然后实验应变振幅和循环数之间的关系之前,考虑焊接钢结构试样的裂纹萌生,细化分析的方法提出了焊接连接的疲劳裂纹萌生寿命评估基于等效塑性应变疲劳的临界点。

2。钢框架结构的多尺度有限元建模与连接焊接连接

2.1。钢框架结构多尺度有限元模型

运动方程为多层和高层钢框架结构可以表示为受到强烈的地面运动 在哪里 ,的质量和阻尼矩阵是钢框架和恢复力向量,分别; , ,和加速度、速度和位移向量相对于地面,分别;所有元素的向量等于单位;和是地面加速度。

众所周知,在强烈地震激励下,column-to-beam焊接连接和部分地区附近的梁、柱钢框架的关键连接可能处于弹塑性应力状态,而其余的部分梁、柱仍在线性弹性范围。虽然钢框架的弹塑性分析使用全面的三维有限元模型是准确的,它是低效和钢架结构时耗时大。因此,多尺度有限元建模是一个适当的选择精制的局部弹塑性地震分析焊接连接。

连接被归类为关键的和正常的。会特别注意到精确的弹塑性应力和应变场在关键的连接,这些连接的梁、柱相连。多尺度有限元模型包括弹塑性三维梁和固体元素。毫米尺度的固体元素用于关键连接的焊缝区;厘米尺度的固体元素用于关键焊接连接的板带和梁、柱附近的区域连接,而用米尺梁元素用于仿真其他地区的梁、柱远离其他连接和梁、柱的关键。多尺度有限元模型的元素可以组装在一起分配的元素之间的相互作用的耦合边界。

作为一个例子,一个四层钢框架如图2用于演示制定和分析。钢框架的总高度是19.1米;建筑工地是假定为中国抗震设计规范中指定类别ii iii (12]。埃尔森特罗的地震记录被选中,其加速度振幅调制6.2 m / s²考虑到强烈地震强度9定义的代码(12]。假定框列焊接的连接。出于演示目的,只有一个关键焊接连接被选中。工字梁和箱形柱部分的配置和尺寸表中列出1。

手工电弧焊的焊接方法连接E4301的填充金属。所有焊缝都是单一的V型槽焊缝。梁、柱的建筑材料是假定为Q235B。焊接连接的细节图所示3。

商业铁包有限元分析(13)是用来制定钢框架的多尺度有限元模型。C3D8R有厘米尺度的固体弹塑性元素用于模型关键焊接连接。B31的梁单元与米尺考虑剪切变形的梁和列用于模型。的梁、柱都与关键的连接,该地区接近面板区由C3D8R建模,其余部分由B31建模。

楼板,扮演着重要的角色在一个钢框架有效地抵御外部负载建模通过壳元S31多尺度有限元公式。地震作用是传输通过添加刚性连接板壳元素之间的交互在共同边界和固体元素(或梁元素)。典型的当地的多尺度有限元模型框架如图4。

2.2。梁的焊接残余应力消除结束缝连接连接

进行细化分析,重要的是要澄清是否焊接残余应力在塑性应变扮演重要的角色在焊接连接强地面运动激励下的钢结构。歌[14]表明,焊接应力消除的程度取决于振幅的过载压力。他从理论上证明,如果过载应力超过屈服强度的金属,焊接应力可以完全放心了。Farajian et al。15)发现,焊接残余应力消除发生在焊接残余应力和工作应力的叠加超过金属的屈服强度。

焊件标本的贱金属的年级Q345钢结构屈服强度425 MPa,与纵向焊缝中跨,与恒幅循环加载疲劳试验机和残余应力分布沿横向截面的标本测量,如图5。应该注意,残余应力分布是策划根据应力状态在5点右边的形心轴的横截面标本,以及应力分布左边给出基于对称。可以看出,当施加的工作应力诱导周期载荷小于基材的屈服强度,焊接残余应力是部分松了一口气,虽然工作应力超过屈服强度时,残余应力可以完全缓解和残余应力在零附近波动。也发现,救援结束发生在第一个循环加载和保存成功几乎稳定在循环荷载(16]。

当钢架结构遭受强烈地震运动,焊接连接可能的行为可塑性和压力焊接区可能超过贱金属的屈服强度。因此,焊接残余应力可以完全放心根据残余应力救济法律,然后焊接残余应力是不考虑在塑料精制地震响应分析在目前的研究中。

2.3。界定弹性束带和塑料焊接连接之间的区域

帧时受到强烈地震激励,局部区域的应力相关的梁、柱连接可以进入弹塑性范围虽然平衡可能保持在弹性状态。确保精制固体元素C3D8R可以反映连接的弹塑性行为和梁元素B31可以模型的弹性行为充分梁、柱,梁元素之间的耦合边界和固体的应该是正确的决定。

如果一个弹性梁组件承受弯矩,其变形遵循欧拉-伯努利假设。因此,梁单元之间的接口和固体元素可以分为两个部分。首先,细化建模区域制定包含梁和柱组件有足够的长度,以确保的弹性响应耦合约束部分;例如,在附近的梁和柱的季度长度可以作为耦合部分的连接。运动学耦合技术是用于建立耦合相互作用的固体元素C3D8R B31连接区域和梁元素。其次,部分:弹性区和塑性变形区域的划分细化焊接连接建模的最大响应时间作为耦合部分重建一个多尺度有限元模型。

四层钢框架如图2多尺度有限元模型,包括精制中的四分之一的梁和柱组件建模区域采用分析的第一步。图6显示塑性应变的大小(PEMAG)的焊接连接在一楼 年代。

图中可以看到6压力在Q1的节的一部分方向是塑料,而部分Q2和Q3的变形是弹性的。焊接连接的最大塑性变形发生在焊接脚趾。的塑性应变分布梁凸缘部分沿着焊趾的耦合方向如图7。一节可以看出,Q2可近似视为弹性和弹塑性区域之间的界定部分,可以用作固体和梁元素之间的耦合位置在随后的数值分析。因此,该地区的梁截面Q1的部分是由固体建模元素和梁是网状的其余地区梁元素。

3所示。三维塑料焊接头的疲劳分析的关键位置

3.1。地震塑料响应疲劳的关键位置

一个典型的焊接工字梁的连接和箱形柱图所示8。连接的焊缝位于末端的梁。

假设沿纵向焊缝的发生大变形梁的方向。在这种情况下,焊缝的横向变形由于泊松比应该限制列法兰,然后当地的焊接区域的应力、应变状态是三维的,不能治疗的一维经典梁理论。因此,多尺度有限元模型采用三维非弹性分析。

基于实验结果的分析,使用弹塑性本构模型来模拟Q235B钢的机械性能,如图9。

钢框架时受到的地震强度9,图10显示了大小的塑料的梁的下翼缘与关键焊接连接在一楼方向。最大塑性应变2.61×10⁻²发生在焊趾的底部法兰 年代。因此,焊趾可以被看作是疲劳的关键位置焊接连接。

焊趾的六个应力时间历程,即疲劳关键位置,如图所示11。显然,焊趾的应力状态是三维的。它也可以发现,三个正常压力的最大值大于Q235B钢的屈服强度。

正常的应力分布 年代沿梁轴向方向从柱法兰图所示12。可以看出,三维应力状态只存在于一个非常狭窄的频段附近的列法兰。这是指出,正常的压力和在和方向从最大值迅速下降到零约0.4米的距离内,分别和正常压力在方向减少到177.6 MPa在节0.6米的距离离焊缝脚趾,这是兼容的理论解决方案在相应部分基于经典梁理论。因此,可以得出结论,三维应力状态仅仅是当地的焊趾有限。这是因为列限制对光束的影响减少增加焊缝距离的脚趾。

3.2。非比例加载条件下的疲劳关键位置

为了选择一个合适的方法对疲劳裂纹萌生的分析连接焊接连接,主要任务是评估三维应变状态的临界点,这可能是通过比例加载或非比例加载。基于多轴疲劳理论和实验研究17- - - - - -20.),如果三维地震应变状态是由比例加载,等效应变的方法可以给满意的疲劳寿命预测,虽然临界平面方法适用于分析非比例加载产生的应变状态时。

由于钢结构的疲劳裂纹萌生机制满足金属晶体滑移理论,疲劳裂纹萌生与最大剪切应变发生在飞机上,它可以被定义为临界平面根据多轴疲劳理论(21,22]。如果应变状态成正比,临界平面的角度是恒定的,而如果非比例应变状态,临界平面的角随时间的变化有所不同。因此,焊接区应变的状态可以通过时变平面角度评估的最大剪切应变。

材料的应变张量可以写成

斜面上的一点可以选择的原点轴系统平面和轴是正常的和在飞机上,如图13。的变换方程三个应变组件在斜面上的两个角度和可以表示为(17] 在哪里

因此临界面最大剪切应变点的焊接区可以找到一双角度和如图13。比例加载条件下,飞机的最大地震时剪切应变保持不变,这意味着角度和是常量,而非比例条件下,临界平面上各不相同,所以角吗和也有所不同。

有限元结果时间历史的角度和最大剪切应变的疲劳在地震激励下临界点在图所示(14日)地震设防烈度为6和图14 (b)地震设防烈度9度。从图可以看出(14日)飞机角几乎在一条直线,这意味着飞机的最大剪切应变几乎不变,所以加载状态成正比。然而,图14 (b)显示,9点散射强度,这意味着临界点的应变状态是由非比例加载引起的。因此,应变状态相同的临界点地震强度有关。主要原因是疲劳的关键位置的应变下的焊接连接在弹性范围内的地震强度6;应变分量与地震荷载按比例增加或减少。随后,飞机的最大剪切应变保持不变和应变状态成正比。然而,在9日的地震强度的压力疲劳临界点成为弹塑性,因此三个方向的应变率不同步的临界点。因此,飞机的最大剪切应变变化与地震载荷和应变疲劳临界点非比例。因此,焊接连接的疲劳裂纹萌生寿命强烈地震激励下应该预测临界平面法。

4所示。Q235B钢焊件疲劳寿命预测

4.1。标本和加载路径

实现精确分析疲劳裂纹萌生寿命的焊接连接钢框架在强烈地震激励下,实验确定单轴和多轴加载条件下的疲劳寿命进行了Q235B钢焊件。

焊件的管状几何的内外直径18毫米和14毫米,分别。计部分的壁厚是2毫米。焊件的总长度是185毫米,和一个18毫米长焊接区在标距长度的中心。焊件的几何形状是显示在图15。焊接试样是由手动有限公司₂气体保护焊接过程。MG70S-6的焊丝直径2毫米。焊接金属的生产样品是紧随其后的是23,24]。一个设计良好的切口是第一个加工中心的贱金属酒吧,然后满是焊缝金属和切口。最后,焊接金属试样加工的形状而设计的。

多轴疲劳试验正在进行MTS809吸伺服液压控制的测试系统使用吸应变伸长计轴应变载荷作用下,这是安装在中心之外的标本测量应变计部分反应。单轴、同步和90°不同相的加载是正弦波在恒定的振幅和三个测试应变路径显示在图16。水平轴的轴向应变 ,纵轴是剪切应变的术语 。

4.2。多轴循环力学性能

金属材料的循环力学性能由Ramberg-Osgood模型可以表示如下(25]: 在哪里是循环硬化系数,是循环硬化指数,/ 2和/ 2弹性应变振幅和塑性应变振幅,分别。然后,循环应力-应变曲线拟合的Q235B焊件在不同加载路径如图17。

从图可以看出17合适的循环应力-应变曲线的同步加载下焊件类似获得单轴加载,而90°的循环应力-应变曲线拟合不同相的装载条件高于相关单轴加载情况下,这意味着一个重要的额外发生循环硬化效应在不同相的加载条件下焊件。

4.3。多轴低循环疲劳性能参数

在单轴疲劳分析,Manson-Coffin方程的等效应变参数是广泛应用于疲劳寿命估算。 在哪里是疲劳裂纹萌生寿命,通过疲劳试验获得。因为它几乎抓住了即时出现裂缝时,通常假定周期的数量下降了30%的最大值发生在拉伸或剪切应力(23]。 , , ,和疲劳强度系数,疲劳延性系数,疲劳强度指数,分别和疲劳延性指数。疲劳性能参数(6)表中列出2对不同加载路径下的焊件。

图18显示了等效应变参数与疲劳寿命的关系进行加载条件下的焊接金属的标本。图中的虚线18拟合Manson-Coffin曲线基于等效应变振幅。可以看出,曼森——棺材方程可以保守评估疲劳寿命同相比例加载路径下,高估了90°时不同相的加载条件。因此,Manson-Coffin不是一个适合非比例加载路径的估计。

4.4。FS的多轴疲劳寿命预测模型

法特米和Socie18)提出了一个被广泛接受的临界平面概念使用的最大正应力,从而反映了非比例循环附加强化对多轴疲劳损伤的影响。Fatemi-Socie (FS)模型对大多数金属材料可以给适当的估计。 在哪里/ 2是最大剪切应变振幅作用于临界平面上,最大正应力作用于关键的飞机,是材料屈服强度,是一个实验系数。的参数在FS模型可以从单轴疲劳疲劳数据拟合数据。然而,根据Shamsaei研究和法特米(26和吴et al。27),预测的疲劳并不是确切的高度敏感简单的生活的价值在该地区。因此他们建议在FS值参数模型可以近似认为 (17,26,27]。图19给出了疲劳寿命预测的比较FS参数和测试之间的关系。

从图可以看出19FS参数和实验对Q235B好相关疲劳寿命预测对所有加载条件和焊件疲劳分为3的误差范围。因此,FS参数适用于多轴疲劳损伤评估的疲劳临界点焊接连接。

5。疲劳裂纹萌生寿命预测的临界点焊接连接

5.1。确定关键的飞机

从图14它可以发现的最大剪切应变平面钢架时疲劳临界点不同受到强烈地震激发。加权平均法是一种合理的选择来确定临界平面的位置。

的加权平均值最大破坏的临界面疲劳敏感的点被定义为 在哪里最大剪切应变平面上的每一个瞬间,是加权函数,的总和 , 和是最小和最大剪应变在整个期间,分别和是时间的最大剪应变在每一个瞬间。在这个例子中,临界平面的加权平均角 ,然后正常的应变和剪切应变计算时间的历史关键平面,如图20.。

5.2。疲劳裂纹萌生寿命预测临界点

基于循环rainflow计数算法,循环盘点数量为剪切应变范围和正常应变得到根据正应变和剪切应变时间的历史关键平面,如图21。

替代剪切应变的循环rainflow计数结果范围和正应变在地震激励时间20秒的FS参数,疲劳寿命每个应变循环下单独计算。然后总疲劳损伤可以由矿工线性疲劳损伤累积理论

6。结论

提出了一种改进的分析的弹塑性行为连接焊接连接钢框架在强烈地震的使用多尺度有限元建模技术。列出了主要的研究结果如下:

评估发生和渐进破坏过程连接焊接连接的钢结构在强震下,所需的多尺度有限元建模技术是准确地分析当地的弹塑性行为后续焊接连接的疲劳分析。

数值结果表明,应力和应变场的连接焊接连接在强烈地震是三维的。三个正常菌株都在塑料或plastic-hardening阶段,所以疲劳加载路径的临界点是多轴非比例。

自从地震应变疲劳临界点条件连接焊接连接非比例大的强烈地震设防烈度下,FS参数临界平面法可以用来准确预测疲劳裂纹萌生寿命分析得到吸双轴试验钢结构焊件。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢金融支持中国国家自然科学基金的资助下不。51438002也没有。51378409。

引用

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