*焊接空心球节点钢管焊趾处应力集中试验研究与有限元分析

2019-03-05张建丽雷宏刚

太原理工大学学报 2019年1期

张建丽，雷宏刚

(太原理工大学建筑与土木工程学院，太原 030024)

带悬挂吊车焊接空心球节点网架结构广泛应用于工业建筑中，如图1，2所示。悬挂吊车网架结构的疲劳问题是学术界和工程界关注和研究的热点[1]。徐国彬等[2]建议对吊车直接作用的节点和与该节点直接相关的杆件进行认真的疲劳验算。《空间网格结构技术规程》[3]规定对于直接承受工作级别为A3及以上悬挂吊车荷载的网架结构，当应力变化的循环次数大于或等于5×104时，应进行疲劳计算，其容许应力幅及构造应经过专门的试验确定。但目前现行的标准或规范[4]均没有可供焊接空心球连接节点参考的疲劳设计方法，严重阻碍了网架结构在带悬挂吊车工业厂房中的应用。焊接空心球网架结构的疲劳关键是连接节点的疲劳，对于节点的疲劳研究具有重要的意义。

图1 带悬挂吊车焊接空心球网架结构Fig.1 Grid structures with welded hollow spherical joints with suspension cranes

图2 焊接空心球网架结构悬挂吊点Fig.2 Hanging point in the grid structures with welded hollow spherical joints

已有学者们对焊接空心球连接节点开展了疲劳研究。雷宏刚[5]对4种规格15个焊接空心球-钢管节点试件进行了疲劳试验，得到了球面S-N曲线，并借助薄壳分析得到球面焊趾处热点应力集中系数计算公式。徐国彬等[6]对焊接空心球节点网架进行了整体模型的疲劳试验，提出相关网架疲劳寿命的估算方法。闫亚杰[7]开展了29个足尺焊接空心球节点试件的疲劳试验，得到了球面S-N曲线，建立了球面焊趾处以名义应力幅和热点应力幅为参量的疲劳实用设计公式。秦冬祺[8]运用SAP6对50余种几何尺寸不同的焊接空心球节点进行了有限元分析，为建立相关空心球节点计算公式提供了理论依据。王飞[9]利用有限元软件对焊接过程进行了仿真模拟，分析了表观缺陷及残余应力对焊接球节点疲劳强度的影响。王雪颖[10]基于断裂力学对焊接空心球节点球面破坏进行了寿命估算。

综上所述，关于焊接空心球节点球面疲劳破坏的研究较为系统，但对于钢管焊趾处的疲劳研究至今尚为空白。本文以焊接空心球连接节点为研究对象，采用试验和有限元方法研究此节点钢管焊趾处的应力集中特性，为建立此节点钢管焊趾处的热点应力幅疲劳设计方法奠定基础。

1 试验研究

1.1 试件

本次试验采用的焊接空心球节点试件尺寸如图3所示，钢管的规格为φ48×3.5(钢管外径48 mm，壁厚3.5 mm)，空心球的规格为D200×8(空心球外径200 mm，壁厚8 mm)，两者之间采用手工电弧焊焊接，质量满足JGJ 7-2010的要求。

图3 试件尺寸(mm)Fig.3 Size of specimen(mm)

钢管与空心球材质均为Q235B，空心球母材的屈服强度为267 MPa，极限强度为395 MPa.钢管的屈服强度为284 MPa，极限强度为424 MPa.

1.2 加载装置

试验在拉力试验机上进行，见图4.钢管端部施加单向轴拉力，整个加载过程控制在线弹性范围内，最大轴轴力为20 kN.加载过程中分级加载，每级持荷3分，到达最大载荷后，采用应变仪记录应变。

图4 加载装置Fig.4 Loading equipment

1.3 测试方案

为了得到焊接空心球连接节点表面的应力分布规律，分别在钢管和球表面布置应变片。P1到P8布置在管面，S1到S8布置在球面，应变片布置方案见图5，具体位置见表1.焊接空心球连接节点焊趾处的应力处于多轴应力状态，钢管焊趾处的P1，P8和球面焊趾处S1，S2均采用双向应变片，一个应变片垂直于焊缝，测量垂直应变ε⊥，一个应变片平行于焊缝，测量平行应变ε∥.其它位置粘贴单向应变片，测量垂直焊缝应变。

图5 应变片布置图Fig.5 Positions of strain gauges

部位测点编号测点位置钢管P1,P2钢管中部P3,P4距离焊趾30 mmP5,P6距离焊趾15 mmP7,P8焊趾处球体S1,S2焊趾处S3,S4外露圆弧1/4处S5,S6外露圆弧1/2处S7,S8半球处

1.4 试验结果

1.4.1 应力计算方法

焊接空心球连接节点钢管焊趾处和球面焊趾处的应力处于多轴应力状态，应变转换成应力采用广义胡克定律式(1)来计算，其它位置的应变转换成应力，采用σ=Eε计算。公式(1)中σ⊥为垂直焊缝方向的应力，σ∥为平行焊缝方向的应力，E为弹性模量，取2.06×105MPa，υ为泊松比，取0.3，ε⊥为垂直焊缝方向应变，ε∥为平行焊缝方向应变。

(1)

1.4.2 实测应力

表2为采用1.4.1的应力计算方法得到的各测点应力。从表中看到，管面的应力最大值位于钢管焊趾处，该处两方向的应力均为拉应力，平行焊缝应力约为垂直焊缝应力的1/2。钢管中部的表面接近单轴应力状态，其垂直应力为44.08 MPa和42.64 MPa，与钢管的名义正应力40.87 MPa(端部轴力20 kN除以钢管面积)接近。从钢管中部到焊趾处，垂直应力随表面应力状态的变化发生变化，先出现下降、后在邻近焊趾区域又快速升高。

从表2可知球面的应力最大值也位于球面焊趾处，该处的垂直焊缝应力和平行焊缝应力均为拉应力，垂直焊缝应力约为平行焊缝应力的两倍。偏离焊趾，球面上垂直焊缝应力快速跌落，当到达外露圆弧1/4处时，垂直焊缝应力约为钢管中部垂直焊缝应力的1/10，说明对于焊接空心球节点，相邻杆件的影响有限，采用单向受力试件研究空心球节点的性能可行。这与文献[11]中焊接空心球节点球表面应力分析的规律一致。

表2 实测应力Table 2 Stress of mesuring positions

2 有限元分析

2.1 建模

利用对称性，采用ANSYS软件建立二分之一管球节点模型，如图6所示。半球端部采用对称边界条件，钢管端部施加与静载相对应的拉伸荷载，采用的单元为SOLID45。建模过程中考虑焊缝形状，见图7.为简化计算，将焊缝、钢管、空心球按同一材质考虑，采用的弹性模量取2.06×105MPa，泊松比取0.3，焊脚尺寸l取5 mm.

图6 有限元模型图7 焊脚尺寸Fig.6 Finite element model Fig.7 Size of fillet weld

2.2 有限元分析结果

图8和图9分别为焊接空心球节点的第一主应力和等效主应力分布云图。从图中看到，两种应力分布规律一致，焊趾区域为节点的截面变化区域，应力较大，离开焊接区域，应力减小。整个节点的应力区域位于焊接空心球节点钢管焊趾处。

图8 节点的第一主应力分布Fig.8 S1 distribution of the joint

图9 节点的等效应力分布Fig.9 Seqv distribution of the joint

以钢管轴线为Z方向轴线建立柱面坐标系，如图10所示，钢管的径向应力、环向应力和垂直应力采用FX，FY，FZ表达。图11-13为柱坐标系下钢管应力分布云图。三种应力的最大值均位于焊接空心球节点钢管焊趾处且均为拉应力。其中垂直应力FZ最大，环向应力约为垂直应力的1/2，径向应力约为垂直应力的1/10.从钢管中部到焊趾处，径向应力变化较小，仅在焊趾处增大；环向应力在邻近焊趾区域快速增大；垂直应力先下降后又快速增大。