基于健康监测的平板网架结构疲劳动态可靠性分析与疲劳寿命评估

As the traditional type of space frame structure, the plate-type grid structure has been widely used in industrial building with hoisting crane..On the basis of integrating and rethinking domestic achievements studied for thirty-six years, four key questions remain to futher study.(1) By adopting auto-manufactured newly fatigue sensor, three projects will be health monitored for three years and ten projects will be measured about its fatigue load-spectrum.(2) By using AMSLER and MTS fatigue machine, three hundred forty-five specimens pertaining to seven kinds of connection details under constant and variation amplitude tests will be performed. The curve of S-N will be established , and its crack spreading rate will be measured. The metallographic analysis of its fatigue mechanism will be done.(3) According to statistics about load effect on hoisting crane and fatigue resistance, the modal of fatigue dynamic reliability will be optimized; Fatigue limit-state designing method as the parameter of hot-spot stress amplitude pertaining to ten kinds of connection details is being established.(4) By combining theory of cumulating damage and the results of variation amplitude tests, the method of its fatigue crack initiation life will be established. by combining mechanics of fracture and its crack spreading rates; the method of its fatigue crack spreading life will be established. Some relative design rules in《code for design of steel structures》and《technical specification for space frame structures》will be supplemented. The expected outcomes will greatly promote the application of plate-type grid structure in industrial buildings.

平板网架结构作为空间网格结构传统典范，在设置悬挂吊车工业建筑中占有垄断地位。本项目在集成和反思国内36年研究成果的基础上，针对遗留的4个关键问题进行攻坚和补缺研究：（1）借助自行研制的新型疲劳传感器对3个工程实施3年的健康监测，对10个工程进行疲劳载荷谱的现场实测；（2）借助AMSLER和MTS疲劳试验机针对6类构造细节300个试件进行常幅和变幅疲劳试验，建立S—N曲线，测定其裂纹扩展速率，开展疲劳机理的金相分析。（3）通过对悬挂吊车荷载效应和疲劳抗力的统计，优化疲劳动态可靠性模型，建立以热点应力幅为参量的9类构造细节的疲劳极限状态设计法。（4）将累计损伤理论与变幅疲劳试验结果相结合，建立其疲劳裂纹起始寿命的评估方法；将断裂力学与疲劳裂纹扩展速率等试验结果相结合，建立其疲劳裂纹扩展寿命评估方法。本项目预期成果将使《钢结构设计规范》和《空间网格结构技术规程》中疲劳条文空白的填补成为现实。

在悬挂吊车作用下，网架结构疲劳损伤的关键是节点连接的疲劳。本项目以网架结构整体和节点连接为研究对象，采用试验研究、理论分析和数值模拟等研究手段，重点探讨了网架结构悬挂吊点的应力集中、疲劳性能、疲劳破坏机理、疲劳寿命估算及疲劳载荷谱实测与编制等。主要成果如下：1）采用有限元分析软件ABAQUS和ANSYS，针对焊接空心球两种不同连接型式节点的应力集中进行了大量的理论分析，探讨了各类焊接缺陷，不同构造参数对焊接空心球节点应力集中的影响，建立了相应的SCF公式。对螺栓球节点连接在轴拉力作用下的应力分布进行了研究，为揭示该类节点疲劳断裂位置提供了参考；2）采用盲孔法对焊接空心球节点四种规格（共8个试件）的管-球、板-球对接角焊缝焊趾处的焊接残余应力大小、分布进行了详细研究，得到焊接残余应力曲线及球面应力分布规律；3）利用MTS疲劳试验机和AMSLER疲劳试验机，累计完成两种不同焊接节点连接型式（38个“管—球”节点试件和8个“十字板—球”节点试件）和四种不同规格高强度螺栓（M24-24个试件、M30-66个试件、M39-39个试件、M60-35个试件）的静力、常幅及变幅疲劳试验，回归分析得出相应的S-N曲线；4）在钢管-焊接空心球节点疲劳试验中，利用高灵敏红外热像仪对疲劳初始裂纹的萌生以及扩展过程进行监测，通过分析试件表面温度的变化，对疲劳破坏发生的位置进行了预估；5）针对不同锈蚀环境下的Q235B结构钢的常幅疲劳性能开展了试验研究，得到了相应疲劳破坏形式及S-N曲线；6）利用扫描电镜对焊接空心球节点和高强度螺栓的疲劳断口开展了微观机理研究，进一步揭示其疲劳破坏机理；7）针对螺栓球节点中高强度螺栓的40Cr材料开展了疲劳裂纹扩展速率试验研究，得到了相应的裂纹扩展参数。并基于断裂力学理论对高强度螺栓及焊接空心球节点的疲劳寿命进行估算；8）针对某在役焊接空心球节点网架开展了载荷谱实测工作，得到了不同吊车工况下控制吊点处关键杆件的应变-时程曲线，对今后开展疲劳载荷谱编制，建立网架结构疲劳可靠度模型提供了数据支持。本项目的研究成果将为我国空间网架结构疲劳设计的相关规范条文修订提供重要依据，并为建立基于可靠度理论的平板网架结构疲劳极限状态设计法提供参考。