范 勤,程 俊,劉 京,魏國前

(1.武漢科技大學機械自動化學院，湖北 武漢，430081；2.武漢鋼鐵股份有限公司工程管理部，湖北 武漢，430080)

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支座加勁肋對正弦波紋腹板梁疲勞性能的影響

范 勤,程 俊,劉 京,魏國前

(1.武漢科技大學機械自動化學院，湖北 武漢，430081；2.武漢鋼鐵股份有限公司工程管理部，湖北 武漢，430080)

利用有限元軟件HyperMesh，采用等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法研究支座加勁肋寬度及其位置對正弦波紋腹板梁疲勞性能的影響。結(jié)果表明，當支座加勁肋寬度增加至加勁肋與腹板接觸時，并且加勁肋位于正弦波紋腹板的波峰處時，正弦波紋腹板梁的疲勞性能最佳。

波紋腹板；焊接；加勁肋；疲勞性能；等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法

隨著自動焊接技術(shù)的日益成熟，正弦波紋腹板梁的應(yīng)用得到了快速的發(fā)展。作為承受動力荷載的構(gòu)件，正弦波紋腹板梁的疲勞性能是其結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要考慮的主要因素，因此其疲勞試驗不可缺少。在采用三點或者四點彎曲加載方式的疲勞試驗中，為了提高波紋腹板梁試件在支座和加載處的局部穩(wěn)定性，常常需要設(shè)置加勁肋。但加勁肋同時也增加了其所在部位焊縫構(gòu)造和局部受力狀況的復(fù)雜性，極有可能導致該處率先失效，從而影響波紋腹板梁的疲勞性能，因此，關(guān)于加勁肋的研究備受關(guān)注。譚蓮飛等[1]在波紋腹板梁疲勞試驗中發(fā)現(xiàn)加載加勁肋位置與上翼緣焊縫連接處出現(xiàn)裂紋，并導致上翼緣斷裂，同時在腹板與加勁肋焊接處發(fā)現(xiàn)多條裂紋。郭彥林等[2]通過對兩根在跨中腹板兩側(cè)設(shè)置加勁肋的波浪腹板梁試件的疲勞試驗中發(fā)現(xiàn)兩個試件的破壞位置均在跨中下翼緣波峰與波谷之間。李國強等[3]選取4根波紋對稱性不同且左右支座處設(shè)置10 mm厚加勁肋的梯形腹板梁進行疲勞試驗，其中3根梁的破壞均是由跨中腹板波紋轉(zhuǎn)折處下翼緣板開裂導致，剩下1根則在梁邊緣腹板波紋轉(zhuǎn)折處附近下翼緣板開裂。上述研究的著重點均在于設(shè)置加勁肋后波紋腹板梁疲勞破壞的位置，而未對加勁肋參數(shù)進行研究。為此，本文采用仿真分析的方法，研究支座加勁肋參數(shù)對波紋腹板梁疲勞性能的影響規(guī)律，以期為相關(guān)結(jié)構(gòu)的力學試驗和實際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。

1 仿真

1.1 試件構(gòu)造及尺寸

為探究支座加勁肋參數(shù)對正弦波紋腹板梁力學性能的影響，按照《CECS 290—2011波浪腹板鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》推薦的波紋參數(shù)，設(shè)定正弦波紋腹板梁試件模型中正弦波紋腹板的長度為1080 mm，波長λ為150 mm，波幅為22 mm，高度為334 mm，厚度為3 mm。由于此梁在疲勞試驗中采用三點彎曲加載方式，為防止支座處的局部壓應(yīng)力，在兩端支座處腹板兩側(cè)設(shè)置支座加勁肋，支座加勁肋同時與上、下翼緣板雙面角焊縫連接，加勁肋的寬度d和距離梁中心的距離L為變量，前后為對稱結(jié)構(gòu)。為防止跨中區(qū)域集中載荷造成上翼緣的局部屈曲，在跨中處腹板兩側(cè)上部設(shè)置加載加勁肋，加載加勁肋的高度超過腹板高度的1/2，同時與上翼緣和腹板雙面角焊縫連接，在靠近上翼緣和腹板連接部位處開R15的圓弧缺口。此外，在上翼緣受載上表面區(qū)域貼焊一塊補強板。試件整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.2 有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分

為探究支座加勁肋的寬度d和支座加勁肋離梁中心距離L的變化對正弦波紋腹板梁疲勞性能的影響，須對腹板下側(cè)焊縫的應(yīng)力分布狀況進行分析。采用有限元軟件HyperMesh按照1∶1的比例建立試件的有限元模型，上翼緣、下翼緣、焊縫和波紋腹板均采用shell單元，在靠近焊縫的地方網(wǎng)格單元尺寸均按照實際焊縫尺寸設(shè)定為3 mm，遠離焊縫的地方網(wǎng)格單元尺寸設(shè)定為6 mm，所有模型的邊界約束條件均采用簡支梁方式。試件的有限元模型網(wǎng)格圖如圖2所示。

(a)試件整體

(b)支座加勁肋 (c)加載加勁肋 (d)補強板

圖1 試件整體結(jié)構(gòu)示意圖

Fig.1 Schematic diagram of integral structure of the specimen

1.3 加載

試件材料為Q345鋼，屈服強度為345 MPa，采用三點彎曲加載方式，載荷大小為100 kN，跨中處的集中載荷P施加在圖1所示位置，應(yīng)力比R為0.1。

1.4 疲勞性能評定方法

等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法[4]是一種新興的疲勞性能評定方法，采用網(wǎng)格不敏感的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和1條主S-N曲線進行焊接結(jié)構(gòu)的疲勞評定，從根本上解決了復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的焊接接頭形式難于判斷的問題，并且具有較高的預(yù)測精度。武奇等[5]通過對各類焊接接頭的疲勞強度試驗數(shù)據(jù)進行分析，證實了等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法具有網(wǎng)格劃分不敏感性；董亞飛等[6]針對梯形波紋腹板焊接梁結(jié)構(gòu)，分別基于名義應(yīng)力法、熱點應(yīng)力法、等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法建立梁結(jié)構(gòu)的有限元模型，研究焊縫處各表征應(yīng)力的分布規(guī)律，分析裂紋產(chǎn)生的位置，計算疲勞壽命，通過比較不同表征應(yīng)力的評定效果，表明等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法可較好地預(yù)測裂紋產(chǎn)生位置并較準確地估算疲勞壽命。為此，本文采用等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力法來評定設(shè)置加勁肋的正弦波紋腹板梁的疲勞性能。

采用Radioss求解器進行計算，根據(jù)等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力的構(gòu)造方法，提取焊趾處的節(jié)點力和節(jié)點力矩，將焊趾處的節(jié)點力和節(jié)點力矩轉(zhuǎn)化為單元邊界上的線載荷和線力矩，計算得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力；然后考慮板厚和加載方式的影響，將結(jié)構(gòu)應(yīng)力進行修正，即可獲得等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

2 結(jié)果與分析

2.1 支座加勁肋寬度的影響

L為3.5λ，支座加勁肋位置如圖1所示，d分別為30、42、54、66、78、90 mm時腹板下邊緣的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖3所示，相應(yīng)的最大應(yīng)力值如圖4所示。由圖3中可見，d取不同值時，試件的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力曲線均隨腹板波形呈現(xiàn)明顯的周期性波動；等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在波紋腹板靠近支座的波峰與支座加勁肋之間的中間位置處。由此可見，應(yīng)力集中現(xiàn)象率先在支座加勁肋附近產(chǎn)生。由圖4中可見，隨著加勁肋寬度逐漸增大，相應(yīng)的應(yīng)力最大值逐漸減小?？梢姼淖冎ё觿爬呓孛鎸挾瘸叽绮粫淖兏拱逑逻吘墤?yīng)力的分布規(guī)律，但改變了應(yīng)力集中處的最大應(yīng)力值，繼而影響到腹板的疲勞壽命。

由圖4中還可看出，當加勁肋加寬到與腹板相接觸時(d=90 mm)，其對應(yīng)的最大應(yīng)力值下降劇烈。工程實踐中，將加勁肋與腹板焊接在一起，固然會增加焊縫的數(shù)量，某些情況下，由于腹板太薄也會導致焊接缺陷，但同時也會極大地減小加勁肋附近區(qū)域的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力，因此在設(shè)計中，上述因素必須予以綜合考慮。

圖3 不同加勁肋寬度下腹板下邊緣的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖

Fig.3 Equivalent structural stress distribution at the lower edge of the web under different stiffener rib widths

圖4 最大應(yīng)力值隨加勁肋寬度的變化曲線

Fig.4 Variation of maximum stress value with stiffener rib width

2.2 支座加勁肋位置的影響

由于正弦波在一個波長內(nèi)具有對稱關(guān)系，故只在靠近支座的半個波長內(nèi)對加勁肋位置變化進行研究。為避免超過試件的屈服強度和增加焊縫數(shù)量，故保持試件腹板兩側(cè)的支座加勁肋與腹板間的距離為12 mm不變，僅改變支座加勁肋與梁中心的距離L，取L為49λ/14 、 48λ/14、47λ/14、46λ/14、45λ/14、44λ/14、43λ/14、42λ/14，分別對應(yīng)1#～8#支座加勁肋，其中5#位置處于腹板的波峰處，如圖5所示。

圖5 支座加勁肋位置示意圖

支座加勁肋在不同位置時腹板下側(cè)焊縫的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖6所示，相應(yīng)的最大應(yīng)力值的變化如圖7所示。由圖6、圖7中可見，最大應(yīng)力所在位置隨著支座加勁肋位置的改變而改變，加勁肋越靠近腹板的波峰(即5#位置)，最大應(yīng)力值越小，加勁肋越遠離波峰，最大應(yīng)力值越大；加勁肋在波峰兩側(cè)相同距離處時，最大應(yīng)力值基本相等?？梢娫谕葪l件下，支座加勁肋設(shè)置在波紋腹板的波峰處時，腹板焊縫的應(yīng)力集中程度最小，試件疲勞性能最佳。

圖6 不同加勁肋位置下試件的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

Fig.6 Equivalent structural stress distribution of the specimen under different stiffener rib positions

圖7 最大應(yīng)力值隨加勁肋位置的變化曲線

Fig.7 Variation of maximum stress value with stiffener rib positions

3 結(jié)論

(1)在波紋腹板梁上設(shè)置加勁肋后，腹板焊縫處的等效結(jié)構(gòu)應(yīng)力隨著支座加勁肋寬度的增大而減小，當加勁肋寬度d增大到加勁肋與腹板接觸時，應(yīng)力集中程度最小，波紋腹板梁的疲勞性能最佳。

(2)腹板焊縫處的應(yīng)力集中分布隨著加勁肋位置的變化而改變，在同等條件下，支座加勁肋設(shè)置在正弦波紋腹板靠近支座的波峰處時，腹板焊縫的應(yīng)力集中程度最小，波紋腹板梁的疲勞性能最佳。

[1] 譚蓮飛,王清遠,王志宇,等.波紋鋼腹板梁疲勞性能的試驗研究[J].四川建筑科學研究,2012,38(5)：5-8，11.

[2] 郭彥林,張旭喬,鄧靜芝.波浪腹板工形構(gòu)件疲勞性能試驗研究及設(shè)計建議[J].土木工程學報,2015,48(10)：48-56.

[3] 李國強,羅小豐,孫飛飛,等.波紋腹板焊接H形鋼疲勞性能試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報,2012,33(1)：96-103.

[4] Dong P. A structural stress definition and numerical implementation for fatigue analysis of welded joints[J]. International Journal of Fatigue,2001,23:865-876.

[5] 武奇,邱惠清,王偉生.基于結(jié)構(gòu)應(yīng)力的焊接接頭疲勞分析[J].焊接學報，2009,30(3):101-105.

[6] 董亞飛,魏國前,岳旭東,等.梯形波紋腹板焊接梁疲勞壽命分析[J].焊接學報,2015(2):79-82.

[責任編輯 鄭淑芳]

Effect of support stiffening rib on the fatigue performanceof the sinusoidal corrugated web beam

FanQin1,ChengJun1,LiuJing2,WeiGuoqian1

(1.College of Machinery and Automation,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430081, China;2. Engineering Management Department, Wuhan Iron and Steel Co., Ltd., Wuhan 430080, China)

Using the finite element software HyperMesh and equivalent structural stress method, the effects of stiffening rib width and position on the fatigue performance of sinusoidal corrugated web beam were studied. The results show that when the width of the stiffening rib is increased so much that the stiffening rib touches the web and the stiffening rib is located in the peak (or valley) of the sinusoidal web beam, the fatigue performance of the beam is the best.

corrugated web; welding; stiffening rib; fatigue proformance; equivalent structural stress method

2016-07-31

國家自然科學基金資助項目(51575408)；化工裝備強化與本質(zhì)安全湖北省重點實驗室開放研究基金資助項目(2016KA02).

范 勤(1960-),男，武漢科技大學教授.E-mail:877271593@qq.com

TU317

A

1674-3644(2016)06-0446-04