铸钢节点环形对接焊缝的疲劳性能试验研究及其热点应力分析

铸钢节点可改善节点处的受力性能，尤其是疲劳性能，因而在桥梁工程、大跨结构和海洋平台结构中得到广泛应用。铸钢节点环形对接焊缝的疲劳问题是整个节点疲劳问题的关键。目前，该疲劳问题的数据缺乏、计算方法欠缺。本项目拟对此进行相应的试验研究和理论分析。本项目拟针对铸钢节点环形对接焊缝进行疲劳强度试验，确定各种焊接细节的S-N曲线，为实际工程提供可参考的依据；并对不同的焊接细节进行比较，以提高节点设计的合理性。同时，采用国际通用的热点应力法对铸钢节点的抗疲劳性能进行理论研究，得出节点精细有限元划分的建议，确定不同焊接细节相应的热点应力位置；针对不同参数关于热点位置应力集中系数的影响规律进行研究，得出可供实际工程参考的各种焊接细节的热点应力集中系数的计算方法，并给出相应的热点应力幅-寿命曲线。

由于铸钢节点由于形状自由度大、能分散密集的焊缝、优化节点区构件传力性能等优点，已被广泛的运用于海洋平台结构、桥梁结构、高耸结构和大跨度空间结构中，在往复荷载作用下，这些结构可能会产生疲劳问题。铸钢钢管与热轧钢管连接的环形对接焊缝为铸钢节点疲劳的薄弱部位。目前，关于铸钢节点环形对接焊缝的研究较少。本文以铸钢节点环形对接焊缝为研究对象，采用试验与数值模拟相结合的方法，对其疲劳性能进行研究。主要研究结论有：.1)通过对铸钢G20Mn5QT标准试件在应变比为-1下的疲劳试验，得到该铸钢材料的ε-N曲线及其疲劳失效机理。.2)通过对铸钢G20Mn5QT试件在应变比0.1下的疲劳试验，得到其ε-N曲线，并将其与应变比为-1下的试验进行对比。分析得出该铸钢材料关于不同应变比的S-N曲线修正方法和疲劳极限计算方法。.3)通过铸钢G20Mn5QT与热轧钢Q345B焊接标准试件的疲劳试验得到其ε-N曲线，发现其疲劳性能与铸钢G20Mn5QT相比略有降低，并且远差于Q345钢。焊接标准试件基本都疲劳失效于铸钢侧的热影响区，其疲劳源仍为铸造类气孔缺陷，并非焊接缺陷。同时，分析了焊接试件的金相组织、不同区域的硬度分布及原因。.4)提出了一种适用于铸钢节点环形对接焊缝的接头形式，通过疲劳试验得到其S-N曲线，验证了其较好的疲劳性能。结合铸钢与热轧钢焊接标准试件的疲劳试验，得到了铸钢节点环形对接焊缝疲劳失效的机理。.5)通过有限元方法对环形对接焊缝的残余应力进行分析，并与实测值进行对比，发现对于此类焊接接头，内生热率热源模型比双椭球热源模型更为精确，并且通过参数化分析得到焊接残余应力的分布规律。.6)通过数值模拟结合试验数据，对比分析了各种疲劳强度分析方法，发现基于焊接材料的局部应变法分析结果精度较高，能较好的预测其疲劳寿命。.7)采用基于焊接材料的局部应变法参数化分析构造尺寸对疲劳性能的影响，在此基础上提出了改进的局部应变法。通过改进的局部应变法能较简单的获得不同参数下的疲劳寿命，并且验证了该方法的可行性。.8)通过对几种焊接构造进行轴力和弯矩作用下的热点应力分析，发现其热点应力集中系数受主体构件壁厚t变化的影响很小，但会随着构件径厚比d/t的增大而增大，并且随着铸钢节点与主体构件壁厚比T/t的增大而减小。而且，I型和U型焊缝的疲劳性能要略优于Y型焊缝。