[发明专利]一种焊接钢结构三维简化节点结构应力法

说明书

本发明公开一种焊接钢结构三维简化节点结构应力法：对于三维实体单元，若满足沿板厚方向多于2个节点且沿板厚方向的节点共线，将沿厚度方向的一组节点力等效为厚度中线上的合力与合力矩；当沿焊缝方向焊缝中线上的节点总数不低于3个时，对于任意中间节点处的结构热点应力由本节点及相邻两节点的节点力和单元长度来表示；考察垂直于焊缝长度方向的横向应力沿焊缝长度方向变化情况，若某节点的应力变化不超过0.01％，则称该节点横向应力变化不明显；若某节点横向应力变化不明显且沿焊缝长度方向网格均匀划分，则该节点处的结构热点应力为由该节点处的节点力及单元长度来表示。本发明能够简便准确的计算出焊接钢结构焊缝细节的结构热点应力。

技术领域

本发明属于疲劳应力计算方法，涉及钢结构疲劳应力计算方法，特别涉及一种焊接钢结构三维简化节点结构应力法。

背景技术

钢结构由于其高强、轻质特性而广泛应用于基础设施工程。在实际工程中，钢结构桥梁在远低于设计基准期就已经发生疲劳开裂，建设较早的虎门大桥(建成时间1997年)、江阴长江大桥(建成时间1999年)和南京长江二桥(建成时间2001年)陆续发现疲劳裂纹，距建成通车仅为10年左右。因而急需提出一种能够准确简便的计算焊接钢结构疲劳应力的方法。目前评估钢桥焊接节点疲劳寿命最常用的三种方法是：名义应力法，缺口应力法和结构热点应力法。名义应力法是被应用于主要桥梁设计规范的方法，但它对于不同的焊接节点类型要采用不同的S-N曲线进行疲劳评估，且复杂结构名义应力点的位置难以准确确定。缺口应力法和结构热点应力法对多种类型焊接节点均只需采用一条统一的S-N曲线。但缺口应力法对缺口处的网格划分要求严格，建模复杂，计算量大。结构热点应力法包括表面外推法和等效结构应力法。表面外推法是根据离焊趾一定距离的两点或三点的表面应力值，来外推焊趾处的热点应力值。表面外推法对网格敏感，需要划分精细的网格才能得到较为准确的结果，并且不同焊趾类型难以建立统一的热点外推公式。等效结构应力法是由董平沙等提出的。结构应力计算是根据有限元计算结果中平衡的内部节点力和弯矩。等效结构应力法有两大优点：(1)结构应力计算有良好的网格不敏感性；(2)对于不同的焊接节点类型，可采用统一的基于等效结构应力的主S-N曲线进行疲劳评估。该主S-N曲线是基于不同节点类型、加载方式、板厚等1000多个焊件疲劳试验的统计特征提出的，合理可靠且偏于保守。因此，给出一种简便准确的焊接钢结构疲劳应力计算方法对评估焊接钢结构疲劳寿命具有重要意义。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足提供一种焊接钢结构三维简化节点结构应力法，本焊接钢结构三维简化节点结构应力法能够简便准确的计算出焊接钢结构焊接节点处的结构热点应力。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种焊接钢结构三维简化节点结构应力法，包括以下步骤：

S1：对于三维实体单元，若满足沿板厚方向多于2个节点且沿板厚方向的节点共线，则将沿厚度方向的一组节点力等效为厚度中线上的合力与合力矩；

S2：当沿焊缝方向焊缝中线上的节点总数不低于3个时，对于任意一个中间节点处的结构热点应力仅由本节点及相邻两节点的节点力和单元长度来表示；

S3：考察垂直于焊缝长度方向的横向应力沿焊缝长度方向变化情况，若某节点处的应力变化不超过0.01％，则称该节点处横向应力变化不明显；

S4：若某节点处的横向应力变化不明显且沿焊缝长度方向网格均匀划分，则该节点处的结构热点应力简化为仅由该节点处的节点力及单元长度来表示。