一种焊接钢结构三维简化节点结构应力法制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A Three-Dimensional Simplified Joint Stress Method for Welded Steel Structures

【技术实现步骤摘要】
一种焊接钢结构三维简化节点结构应力法
本专利技术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。
技术介绍
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
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采取的技术方案为：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。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述步骤S1包括：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Fki等效为厚度中线上的合力Fk与合力矩Mk，如公式(1)所示：式中，Fki,i＝1,2,3,...为某节点k处沿厚度方向共线的一组节点力，Fk,Mk分别为节点力Fki相对于截面中线的合力和合力矩，yi为力Fki到中线的距离。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述步骤S2包括：当沿焊缝方向焊缝中线上的节点总数n≥3时，对于任意一个中间节点k(1＜k＜n)处的结构热点应力σsk仅由本节点及相邻两节点的节点力和单元长度来表示，如公式(2)所示：式中，σsk为节点k处的结构热点应力，t为板厚，lk为节点k处沿焊缝方向的单元长度。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述步骤S3包括：考察垂直于焊缝长度方向的横向应力σx沿焊缝长度方向变化情况，若某节点k处的应力变化不超过0.01％，如公式(3)所示，则称该节点k处横向应力变化不明显：式中，σx,k-1,σx,k,σx,k+1分别为节点(k-1),k,(k+1)处的横向应力。作为本专利技术进一步改进的技术方案，所述步骤S4包括：若某节点k处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k处的节点力及单元长度来表示，如式(4)所示：与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术的方法给出了焊接钢结构三维简化节点结构应力计算方法，能够准确计算出焊接钢结构焊缝细节的结构热点应力，适用范围广；(2)本方法简捷方便，不需要精细的网格划分，实施起来具有很好的可操作性，方法所包含的各个公式均为显性表达公式，不需要进行复杂的数学运算，实施起来更加简捷方便，可得到广泛推广与应用。附图说明所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：图1为本实施例提供的一种焊接钢结构三维简化节点结构应力计算流程图。图2为本实施例中的顶板纵肋有限元模型。图3为本实施例中三维实体单元焊趾截面厚度中线上力的合成。图4为横向应力σx沿焊缝长度方向变化。图5为结构热点应力随网格尺寸变化。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都应当属于本申请保护的范围。下面根据图1至图5对本专利技术的具体实施方式作出进一步说明：一种焊接钢结构三维简化节点结构应力法，如图1所示，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。其中步骤S1具体为：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Fki等效为厚度中线上的合力Fk与合力矩Mk，如公式(1)所示：式中，Fki,i＝1,2,3,...为某节点k处沿厚度方向共线的一组节点力，Fk,Mk分别为节点力Fki相对于截面中线的合力和合力矩，yi为力Fki到中线的距离。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可仅由本节点及相邻两节点的节点力(矩)和单元长度来表示。其中步骤S2具体为：当沿焊缝方向焊缝中线上的节点总数n≥3时，对于任意一个中间节点k(1＜k＜n)处的结构热点应力σsk可仅由本节点及相邻两节点的节点力(矩)和单元长度来表示，如公式(2)所示：式中，σsk为节点k处的结构热点应力，t为板厚，lk为节点k处沿焊缝方向的单元长度。S3：考察垂直于焊缝长度方向的横向应力沿焊缝长度方向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种焊接钢结构三维简化节点结构应力法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种焊接钢结构三维简化节点结构应力法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的焊接钢结构三维简化节点结构应力法，其特征在于，所述步骤S1包括：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Fki等效为厚度中线上的合力Fk与合力矩Mk，如公式(1)所示：式中，Fki,i＝1,2,3,...为某节点k处沿厚度方向共线的一组节点力，Fk,Mk分别为节点力Fki相...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹宝雅，
申请(专利权)人：南京毕慕智能建筑科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32