采用热点应力法进行疲劳评定的研究

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1、钢结构工程研究 采用热点应力法进行疲劳评定的研究 文峰史永言 ( 铁道部科学研究院北京1 0 0 0 8 1 ) 摘蔓钢结构中构造复杂的局部位王固次应力产生的疲劳裂纹现象，难眦用通常的细节等级法进行疲劳谇 定本丈针对这种情况选择了皱路橱板梁竖向加劲肋下端腹板处因出度板平面外的变彤而引起的裂纹这个 典型事例，采用热点应力法进行了疲劳评定的研究 关t 订立劳热点应力法疲劳评定面外变彤 1 前奢 以往，承受循环动荷载铜结构的疲劳评 定均按构造细节类别采用公称应力进行疲劳 评定，即按弹性理论计算被评定细节的公称 应力应小于该细节的疲劳强度长久以来， 采用该方法验算的结构，有效地控制了疲劳 裂纹的发生。

2、然而。钢桥中某些部位因面外 变形在小间隙处受到约束而产生较高的局部 应力，并很快由此形成裂纹。这是难以用上 述方法进行评定的因为难以用弹性理论计 算局部点的应力。但是，可以采用热点应力 法进行疲劳评定，因此，热点应力法是公称 应力法的补充。 采用热点应力法进行疲劳评定最初用于 管结构的管一管焊接的顶点。本文针对铁路 钢板梁竖向加劲助下端与下翼缘间的小间隙 处，因腹扳面外变形而产生较高的局部应 力，用有限元法进行了分析，并用热点应力 法进行了疲劳评定 2 热点应力疲劳评定法 2 1 疲劳评定的通用表选式 疲劳是指结构部件由于承受重复应力而 导致的裂纹产生并缓慢扩展的损伤现象。极 限状态设计方法中

3、，其疲劳验算的通用表达 式为： 以s 仃月y R，( 1 ) 式中：a 唧荷载效应，即按照疲 劳设计荷载谱求得的被评定细节的等效等幅 应力： 嵋= 删= ( 2 ) a _ 疲劳抗力，即被评定细节对 应的疲劳设计曲线上应力循环次数( n j ) 对应的容许疲劳应力幅值；如考虑疲 劳荷载的分项安全系数；考虑疲劳 强度的分项安全系数：m 疲劳曲线的斜 率 2 2 热点应力疲劳评定海 在结构的许多构造细节处，经常产生无 法用公称应力定义的次应力在最容易产生 疲劳裂纹的部位的次应力称为疲劳热点应 力。产生热点应力的原因很复杂，如构件的 面外变形、构件的振动、相邻构件存在变形 羞等。 热点应力难以用通常

4、的弹性理论计算， 但是可以通过有限元分析、经验公式、以及 在实际结构( 或模型) 上实测应力等方法获 得。采用有限元分析时，应注意单元的种类 及单元划分的大小：采用实测应力法时，应 注意应变片尺寸的大小及粘贴位置：如果采 用经验公式进行热点应力的计算，则需要经 过验证并注意适用范围。 用于热点应力评定的疲劳容许应力等级 及疲劳曲线见表l 与图1 1 0 0 等级用于评 定非焊接接头，8 0 等级用于评定焊接接头。 钢结构工程研究 等级 曲线斜率 疲劳应力截止限M P a 常幅应力变幅应力 2 x 1 0 6 次疲劳容 m 许应力M P a 吒( N )吒( N ) t o o3 OS 8 5

5、( 1 0 7 )2 7 【( I 8 03 04 6 8 ( 1 0 7 ) 2 L7 ( 10 1 ) I i I d l l l a l U 。i 争 ” = 裟 L _ 1 扩希寺备寺奋吉_ 齑 图I热点应力法评定用疲劳强度曲线 3 扳粱竖向加劲肋下端座板处因面外变形 产生的热点应力及瘦劳研究 3 1 铁路钢桥板渠的变形及疲劳状况 在运营中，列车车轮对轨道施加有竖 向力和水平力，其中水平力引起钢桥主粱 横向摆动。由于连接系及其它原因的影响， 扳粱腹板各部位的约束情况并不相同，在 横向振动时上下翼缘存在相对位移使得 板梁腹板产生面外变形。 由于竖向加劲肋的抗弯刚度比腹扳的 面外弯曲刚度大

6、得多，所以腹板的面外变形集中发生在加劲肋端部与受拉翼缘之间的小间隙 处，傻之产生了小变形大应变。实桥调查时发现疲劳裂纹通常都是从腹板的加劲肋端部焊趾 处产生。并基本沿水平方向扩展。如图2 所示： 鹿板 图2典型的板粱竖向加劲肋图3 腹扳的面外变形图 瑚部瞧板疲劳裂纹 对于这类疲劳问题。只能采用热点应力法进行疲劳评定。首先采用有限元计算方法研究 上下翼缘存在相对运动时腹板面外弯曲产生的次应力的分布规律。图3 中，为加劲肋端 部到受拉翼缘之间的间隙，0 为腹板厚度。 3 2 有限元分析( F I b M ) 模型的建立。 根据不同的工f ，0 比值建立四组计算模型进行计算分析应力的规律性，如表2

7、所示： 模型组号 一，m r ， ，r ， 第一组 5 41 2 4 j 第二组8 01 26 ? 第三组 1 2 01 2 1 00 第四组 1 8 0l ： 1 5 0 饲结构工程研究 有限元计算使用A L G O R 结构计算程序，设定腹板的面外变形位移值，计算应力情况。 对于不同比值对应的每一组计算模型，均设定4 个级别的面外变形位移值进行计算。面 外位移的取值见表3 所示： 表3 面外位移取值表 jj 第一经 f 第二级 I 第三级 f 第四级 J 3 3 有限元计算结果分析 将腹板置于j ，- r 平面，平面原点设定为加劲肋端部焊趾处( 该处为疲劳裂纹最常见的 产生部位) 。以下三

8、幅图形代表了典型的应力场曲线，分别为第二组模型( 。= 8 0 m m ) 在面 外变形位移= 0 1 m 时，J 方向应力o ；、y 方向应力o ，和主应力o 。的应力场 二兰L u 上u 立二o _ _ 三_ = 掣= = o ：_ 三一。上二址工土_ ：_ 二：- ( a ) 3 3 1 加劲肋端部附近腹板应力场规律的研究 研究加劲肋端郝附近的腹板应力场具有很 大的理论和实际意义。对于这种结构形式来说， 面外变形导致的腹板最大热点应力产生在加劲 肋端部的焊趾处，而该点无法直接贴应交片进 行应力测量。如果要实际测量，通常会采用外 推法，即在周围一定范围内布置必要数目的应 变片测量应力，由所

9、测各点的应力根据变化趋 势推测出所耍得到的加劲肋端部焊趾处的腹板 热点应力。如果能够比较精确地得到腹板应力 场的分布规律，就可以为外推法提供可靠的推 算依据。 经有限元计算得知，在较小面外位移 情况下相同尺寸模型的应力大小a 同面 外位移值之间存在线性关系： 塑；I ，为常数 ( 3 ) 每组模型均有类似图4 的应力场。图5 图8 表示面外位移值A = 0 1 咖时，各组模型应 力场沿J 轴和，轴的分布规律。 豢一盛 竺苎苎三璺童垄 、+ 、 l 、I 、I jk t 、 f 、 t I ll - ll ：巨 l l 、 i p = 、I l 4 产dl l 、b l l ，Ii I d -

10、鼍 圈5壤型一的应力场沿工y 轴的分布规律 _ I、51l - Il、Il |fI ；电l 1 - H ! j1 一ll 1 4 。! 掌 ”“。5 。? 髫6模型二豹应力塥沿羔r 轴的分布规律 。3 8 。警一t 。3 ”。? 拳，一 翻8模型四豹应力墙沿瓜r 轴的分布撬律 亩戳上菩囤可船： ( 1 ) X 轴方向，腹扳在加劲肋端部焊趾 处发生应力最大值，应力沿X 辖迅速减小 并且随着距离的增大应力的减弱速度逐渐减 小，应力睦线趋向于平缓。 ( 2 ) Y 轴方向，腹板在加劲肋端部焊趾 处发生应力最太埴，由于抽劲肋及焊缝有一 定宽度( 本模型加劲肋宽l O m m ，焊辫 8 m m ) ，

11、所以应力在小范围内减弱缓慢，随 即应力益线出现拐点，呈现出与x 轴方向相 同的变化情况先迅速减弱，随后曲线趋向 平缓 3 3 2 加劲肋端部与翼缘之阐小间隙长度， 与腹掘厚度亡之比对威力的影璃 塞塞 钢结构工程碍究 在面外变形相同( = 0 I m m ) 的情况 下f ，的值对腹板的应力有很大的影响， 以加劲肋端部腹扳焊趾处的最大应力为侧 图9 表示了两者之间的关系。 在面外变形量固定的情况下腹板的应 力水平随着加劲肋与翼缘之间的小间隙 的与腹板厚度0 的比值增大而迅速减弱，当 z 0 大于l O 之后，应力减弱速度开始趋于 缓和。所以，在板粱构造设计时保证加劲 肋端部与受拉翼缘之间的闻隙大

12、于1 0 倍腹 板厚度，是减小腹板次应力水平的有效方 法 3 4 疲劳评定算例 在算例中，假定上承式板粱的腹板厚度 为铲1 2 r a m ，竖向加劲肋与受拉翼缘的问隙 为L 产8 0 m m 根据测得的一昼夜中列车引起 的腹板面外变形量，计算加劲肋端部焊趾处 腹板的热点应力进行疲劳评定。 图9 V f ，的值与腹板应力的关系 将测得的一昼夜中所有列车通过时于该 位置产生的面外变形量分级为，用有限 元方法计算疲劳热点应力幅值a ；，得到 疲劳热点应力谱见下表4 ：( 热点疲劳应力 的截止限为2 1 7 M P a ) 裹4一昼班疲劳热点应力谱 ，m0 0 1 8 o 0 2 0 0 0 2 5

13、0 0 3 00 0 3 50 0 4 0 o 却B 2 0 7 72 3 2 8 8 5 3 4 6 24 0 3 94 6 1 6 循环次数m 1 9 5 0 9 0 05 5 02 0 0l o o5 0 A mo 0 4 5 0 0 5 0 0 0 5 50 0 6 00 0 6 50 0 7 0 ho l M p a 5 L9 35 7 7 06 3 4 76 9 2 47 5 0 l8 0 7 8 循环次敛m5 0 4 0 3 03 02 02 0 , m o 0 7 5o 0O 0 8 5O 0 9 00 0 9 5 0 1 0 0 口, a P a 8 6 5 59 2 3 2

14、9 8 0 91 0 3 8 61 0 9 6 31 1 5 4 0 循环次数口， 2 0 1 5 1 0645 ( 1 ) 等效等幅应力幅值的计算 应力谱是变幅疲劳荷载，可以根据M i n e r 线性累积损伤法则把变幅应力转化为等效等 幅应力。根据式( 2 ) ，式中m = 3 0 ，应力 谱( 口：，嘶) 见表4 ，计算出等效等幅应 力为： o 。2 3 4 6 7 M P a ( 2 ) 疲劳寿命的估算 根据等效等幅应力可在热点应力疲劳强 度曲线上求得疲劳循环寿命心，如图1 0 所 一 不。 该接头为焊接故取8 0 等级的疲劳强 度曲线，其方程表达式为： l g N = 1 2 0 1

15、 0 3 3 0 1 9 A o - ( 5 ) 将Ao 。= 3 4 6 7 M P a 代入式( 5 ) ，得到疲 劳寿命次数为： N 。- - 2 4 6 1 0 6 由疲劳应力谱表4 可知，一昼夜中疲劳 循环次数为： l 。 m = 4 0 0 0 求得寿命年数为： N 。r N 。( 4 0 0 0 x 3 6 5 ) = 1 6 8 即疲劳寿命约1 6 8 年。 ( 3 ) 为了对比说明r ，对疲劳寿命的影 响，假定以上算倒中小间隙L 。增大为1 2 0 m ， 腹板厚度r ，不变 ，变为1 2 0 1 2 = l O 0 ， 对此情况进行疲劳寿命评估。 腹扳面外变形量与上一算例相同，经 过类似计算过程求得加劲肋端部焊趾处的等 效等幅应力为： O 。= 2 1 0 6 M P a 由热点应力疲劳强度曲线求得其疲劳寿 命次数为： 饵结构工程研究 k = 1 0 9 6 X 1 0 6 疲劳年数为： N y e r = N 。( 4 0 0 0X 3 6 5 ) = 7 5 1 即疲劳寿命约7 5 1 年。 由对比可知，增加0 可以有效地改