鑄鋼節(jié)點的抗疲勞優(yōu)化設計.pdf

1、現代工程結構跨度大、造型復雜、形式多樣，對連接節(jié)點要求更加嚴格。相比于傳統(tǒng)的節(jié)點連接方式，鑄鋼節(jié)點憑借著良好的力學性能、造型靈活、施工方便等優(yōu)點，逐漸廣泛的應用于國內外的建筑工程中。近年來，工程設計人員以及相關學者認識到鑄鋼節(jié)點的最大優(yōu)點在于對結構抗疲勞性能的改善，并越來越多的應用于疲勞問題突出的結構。已有研究表明:鑄鋼節(jié)點的疲勞性能分為鑄鋼材料的疲勞性能和環(huán)形對接焊縫的疲勞性能兩部分，鑄鋼材料的疲勞性能優(yōu)于焊縫的疲勞性能，環(huán)形對接焊縫

2、的疲勞性能在節(jié)點整體疲勞性能中起控制作用。
　　相比于傳統(tǒng)的節(jié)點連接方式，鑄鋼節(jié)點雖有眾多優(yōu)點，但鑄鋼材料不可避免的會產生缺陷，由于對其帶缺陷疲勞性能研究不足，和相關環(huán)形對接焊縫的疲勞性能數據缺乏，工程設計中多采用放大安全系數的設計方法。因而，現有鑄鋼節(jié)點的設計方法比較保守，其疲勞性能，尤其是鑄鋼材料部分的疲勞性能存在著較大的冗余，造成節(jié)點自重大，浪費材料，增加建造成本。
　　針對以上問題，本文對鑄鋼節(jié)點環(huán)形對接焊縫的疲勞性

3、能進行試驗研究;通過有限元方法對帶缺陷鑄鋼材料的疲勞性能進行分析;依據鑄鋼節(jié)點疲勞性能研究成果，結合工程優(yōu)化技術，對鑄鋼節(jié)點進行抗疲勞優(yōu)化設計，首先對節(jié)點鑄鋼部分幾何尺寸進行優(yōu)化，得到節(jié)點輕量化最優(yōu)尺寸，而后驗算焊縫強度，修正局部尺寸，完成優(yōu)化目標。本文主要研究內容如下:
　　1.調研了國內鑄鋼節(jié)點環(huán)形對接焊縫使用現狀，本文設計了兩種常用焊接細節(jié)的鑄鋼節(jié)點弧形板小試件，進行了疲勞試驗，對試驗試件進行斷面分析，對實驗數據進行處理，采

4、用數理統(tǒng)計方法，擬合了兩種焊縫細節(jié)的均值S-N曲線與p-S-N曲線，并與相似的焊接細節(jié)疲勞數據進行了對比分析。將本項目四種焊縫細節(jié)視為一類焊縫的大樣本，并采用數理統(tǒng)計方法擬合其p-S-N曲線，選取擬合下限S-N曲線作為鑄鋼節(jié)點環(huán)形對接焊縫統(tǒng)一S-N曲線，并推薦工程設計參考。
　　2.建立了鑄造初始缺陷的疲勞損傷累積計算方法。介紹了參數化設計方法，詳述了鑄鋼節(jié)點參數化模型的建立過程，本文使用三維建模軟件Pro/Engineering

5、對杭州灣跨海大橋海中平臺觀光塔下節(jié)點建立了參數化模型;然后，依據疲勞損傷理論，使用ANSYS軟件，詳述了帶缺陷的鑄鋼節(jié)點疲勞損傷累積計算方法。
　　3.依據本文環(huán)形對接焊縫的疲勞試驗研究成果，并結合東南大學陳達對鑄鋼節(jié)點環(huán)形對接焊縫的熱點應力數值研究成果，給出了國內常用焊縫細節(jié)的熱點應力壽命曲線（Shs-N曲線），為鑄鋼節(jié)點抗疲勞優(yōu)化設計中焊縫壽命計算提供依據。
　　4.針對鑄鋼節(jié)點的疲勞性能特點，基于已有的關于鑄鋼節(jié)點疲勞

6、性能研究成果，本文提出基于疲勞性能的鑄鋼節(jié)點優(yōu)化設計方法:1）建立節(jié)點參數化模型;2）通過靈敏度分析優(yōu)化篩選設計變量;3）以節(jié)點質量最小為優(yōu)化目標，以節(jié)點鑄鋼材料缺陷位置處疲勞損傷限值為約束條件，采用最優(yōu)拉丁超立方全局抽樣與梯度算法局部尋優(yōu)的組合優(yōu)化策略，對節(jié)點鑄鋼部分幾何尺寸進行優(yōu)化;4）采用熱點應力法驗算節(jié)點環(huán)形對接焊縫的疲勞壽命，對不滿足疲勞壽命要求的焊縫局部參數進行修正，最終完成優(yōu)化目標。本文以杭州灣跨海大橋海洋平臺觀光塔下節(jié)點