矩形截面钢结构单肢损伤模拟研究.pdf

矩形截面钢结构单肢损伤模拟研究 宋世军 郝龙龙 程录波 宋连玉 1山东建筑大学 济南2 5 0 1 0 1 2山东富友慧明监控设备有限公司 济南2 5 0 1 0 1 摘要钢结构损伤研究对于钢结构健康诊断具有重要意义，如何模拟损伤部位的损伤前后的变化是钢结 构损伤建模的基础。文中提出了一种可用于矩形截面钢结构单肢损伤的模拟方法，并对构建的矩形截面钢结构 单肢损伤模拟方法进行了试验验证，矩形截面钢结构单肢损伤模拟方法为钢结构损伤模型的研究打下了基础。 关键词钢结构 ；矩形截面；损伤检测；模拟方法 中图分类号 T H 2 1 3 ． 3 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 3 0 7 0 0 6 5 0 4 Ab s t r a c t R e s e a r c h o n s t e e l s t r u c t u r e p l a y s a n i mp o r t a n t r o l e i n t h e h e a l t h d i a g n o s i s o f t h e s t e e l s t ruc t u r e ． Ho w t o s i mu l a t e t h e c h a n g e s o f d a ma g e p a rt b e f o r e a n d a f t e r t h e d a ma g e i s t h e b a s i s f o r t h e s t e e l - s t ruc t u r e d a ma g e mo d e l i n g ． T h e p a p e r p u t s f o r w a r d a s i m u l a t i o n m e t h o d f o r s i n e l e g d a m a g e o f r e c t a n g u l a r s e c t i o n s t e e l s t ruc t u r e ，a n d t h e e x p e r i m e n t a l v e r i f i c a t i o n f o r s u c h s i mu l a t i o n me t h o d，wh i c h c a n p r o v i d e f o u n d a t i o n f o r r e s e a r c h o n t h e d a ma g e mo d e l o f t h e s t e e l s t 13 1 c t ur e． Ke y wo r d s s t e e l s t ruc t u r e ； r e c t a n g ula r s e c t i o n； d a ma g e d e t e c t i o n； s i mu l a t i o n me t h o d 0 前言 由于钢结 构体积 庞大 ，为利用物 理实验进行 各类验证 ，需要建立 简易模型或将结 构体等 比例 减小 ，而减小后 的结构难 以利用原构件进 行损伤 状况模拟。一般 地 ，如结构 发生损 伤 ，则 损伤部 位承受载荷 的能力会相应减小 ，仿真 时可等效代 替为刚度减小的构件。 国内学 者 曾做 过关 于 刚度 变 化方 面 的研 究 ， 如在地震研究及 冲击 振动分析 中，利用 弹簧实现 刚度变化进行相关研 究 ，杨林 的变刚度 隔震 保护 装置 中所述 的装置 _ 1 是指在 结构底部 与基 础面间 引入附加弹簧作为变 刚度保护装置 ，从而改进 系 统的抗震 性能。阎维 明的主动变 刚度阻尼体 系的 模拟地震振动 台试 验 利用 主动变刚度 阻尼控制 装置 ，通过电磁换 向 阀，通 路可控 的液 压缸 、导 杆 、阻尼器等改变 弹簧长度 ，可满足 不 同强度 的 地震模 拟输入。另 外 ，还有利 用其他 弹性材料 实 现刚度变化进 行 的科学研究 。王焕定 的变 刚度 钢 管混凝土短 柱隔振装 置的试 验研究 以隔振层 与 结构的挠度变化来 模拟地震 等级状况 的输 入。周 文亮的隔振 器冲击 刚度 的试 验研究 中则利用渐 软橡胶进行抗冲击的研究。 本文提 出并验证 了一种利用 多个弹簧 长度调 起重运输机械 2 0 1 3 7 整模拟矩形截面钢结构单肢损伤部位的模 拟方法 ， 其与理想弹性体误差在 5 ％以内，可 以用于各种钢 结构损伤的物理模拟试验。 1 矩形截面钢结构 由于工程结构 的复 杂和庞大 以及较 大 的事故 危害性 ，决定 了损伤模拟是研究钢结构 损伤 的主 要研究形 式。如 图 1所示 ，以塔式起重机 以下 简称塔机 为例 ，在进行有 限元分析 时，为 了模 拟连接部位的松动，一般通过改变某一连接单元 的弹性模量 E和 ， 值来达到改变连接位置 的刚度 的 目的。 图 1 塔机塔身连接有限元分析图 钢结构损伤程度模 拟的实验验证对 于钢结构 健康诊断具有重要 意义。工程结构 的复杂和庞大 一 6 5 以及较大的事故危害性致使难以利用实际工程结 构进行验证。因此 ，为验证软件模 拟状况下钢结 构损伤程度模拟 的有效性 ，需要构建相应 的钢结 构损伤程度实验模拟方法 。 2 钢 结构损伤部位模拟方法及分析 如图 2所示 ，下 弹簧用于模拟结构 的支 撑浮 动作用 ，上弹簧用于模拟上下连板 间的压缩作用 。 设上连板 为理想 刚体 ，以上连板为隔离 体，不考 虑重力作用 ，沿螺栓轴线方 向建立力的平衡关系 1 △ Z l 一△ Z F 1 2 △ f 2 △ Z 1 由式 1 可知上连板沿螺栓的轴向位移 △ f 一 ． △ 2 ， 2 1 十 2 1 十 2 A l 1 L一 1 3 A l 2 L一 2 4 式中 为连板 1承受 的载荷 ，L为 自由长 度 ，此处假设上下弹簧 自由状态长度相 同， 为 下弹簧预压缩量 ，△ Z 为上弹簧预压缩量 ，△ Z 为上 连板沿螺栓的轴向位移， 为下弹簧的弹性系数 ， 为上弹簧的弹性系数。 由式 2 可知 ，当载荷 、上下弹簧的弹性系 数 和 ，以及下弹簧压缩量不变 的情况下 ，随 着上弹簧预压缩量 △ Z 的增大 ，上连板沿螺栓的轴 向位移 △ z 值变小，刚度变大；反之，当△ z 减小， 则上连板沿螺栓的轴向位移 △ Z 值变大，刚度变小。 在弹性范围内，压缩量 △ f 与上连板沿螺栓 的轴 向 位移量 △ Z 成线性关系。图2 a为矩形截面钢结构损 伤部位物理模型示意图，图 2 b为钢结构损伤部位 载荷及位移 图 、 分别为连板 3不承受载荷 时 ，下弹簧与上弹簧的长度 ；A 1 为连板 3承受载 荷后沿螺栓轴 向的位移量 。 3 矩形截面钢结构单肢损伤分析 塔机塔身为典 型的矩形截 面钢结 构，当进行 塔身标准节高强螺栓连接松动或 高强螺栓 预紧力 达不到设计要 求的实验研 究时 ，可利用损伤程度 模拟装置进行实验研究。 本文设计 了图3所示结构 ，图中上连板 3和下 连板 5代表塔身标准节 ，4个螺栓 和相应弹簧、螺 母组成的连接点代表标准节主肢连接处 ，螺栓的 松动程度 由螺栓上的弹簧压缩量模拟。图 3 b中 A 一 6 6 1 ．连接螺栓2 ．上弹簧3 ．上连板 4 ．下弹簧5 ．下连板 图2 损伤程度模拟方法示意图 ／ ／ ， 、 ＼ ＼ 、 饕 菩 I I l I l l a b 1 ．连接螺栓2 ．上弹簧3 ． 上连板 4 ． 下 弹簧5 ．下连板 a 矩形截面钢结构螺栓预紧力模拟装置 b 矩形截面钢结构模拟装置俯视图 图3 矩形截面钢结构连接松动状况模拟实验装置 代表高强螺栓 预紧力未达到设计要求 时的塔身标 准节单肢连接位置 ，B代表高强螺栓连接达到设计 要求时的塔身标准节单肢连接位置。 不考虑质量和重力作用因素，设上连板为理 想刚体 ，当克服螺栓 预紧力时才会在载荷作用下 产生沿螺栓轴向的位移 ，以上连板为隔离体 ，则 ∑ 0 5 以图 3中 CC为轴 ，根据 图4 b所示关系，有 M F 1 一 F 3 1 一 F 3 2 f 6 即 [ 3 △ f 1 一△ f 一 3 △ f 2 △ z 一 3 △ f l △ f ] 2 0 7 其中 3 1 2 设图3中上下弹簧弹性系数相同，z 为力臂， △ f 为载荷作用下连板 3沿 A、 处螺栓轴向的位移 量 ，式 7 可转换为 △ f 一 8 3 K 3 j 由式 8 可知 ，若试验 中需要进行螺栓预紧 起重运输机械 2 0 1 3 7 挚营 b a 螺栓松动位置变化示意图 b 上连接板受力简图 图4 矩形截面钢结构连接松动时受力状况示意图 力变化引起的损伤状况的模拟时，可利用此装置 来完成调整矩形截面钢结构连接位置 的预紧程度 ， 具体方 法是通 过调 节上 弹簧 的预 紧程度来 完 成 ， 且矩形截 面钢结构连接位置 预紧程度模拟装 置的 上弹簧预紧程度 △ z 与载荷作用下的上连板沿螺栓 轴向的位移量 △ 2 呈线性关系。 4 矩形截面钢结构单肢损伤实验验证及误 差分析 4 ． 1 矩形截面钢结构单肢损伤实验验证 如图 3 a 所对应 的试验 ，下弹簧与上弹簧 的弹 性系数为 k ，设试验分 组进行 第 i 组 ，上弹簧 压缩量 为 A l i 1 ；第 1组 ，上 弹簧压 缩量为 A l i 1 。在载荷 F作用下 ，上连板在螺栓轴 向上 的位移分别为 A l 2 i 、A l i 1 ，则 令 则有 A1 i _ f A Z 2 一 △ 芝 Ⅳf 9 1 0 1 1 其中，n 相邻 2次实 验上弹簧 压缩量 差 ，Ⅳ 为相邻 2次实验上连板在 螺栓轴 向位 移差。实验 中进行了 6组测量，取得的数据见表 1 。 表 1 实验数据表 m m 序号 1 2 3 4 5 6 △f 2 1 0 8 6 4 2 0 厶 7 O ． 7 O 7 1 ． 4 0 7 2 ． 0 4 7 2 ． 6 O 7 3 ． 2 O 7 3 ． 7 6 起重运输机械 2 0 1 3 7 A L 2 L L 2 ，L 3 L △ Z ，为上连板在螺栓轴 向的位移。 表 2 实验差值表 m m 序号 1 2 3 4 5 6 △Z 2 1 0 8 6 4 2 0 7 0． 7 0 71 ． 4 0 72 ． 04 7 2． 6 O 73 ． 20 7 3． 7 6 其中，n 为上弹簧压缩量差值，Ⅳ l 为连板 1 在螺栓轴 向位移差 。 4 ． 2误差分析 实验中测量量 有 2项 ，分别为上 弹簧 压缩后 的长度 和上下连板在载荷作用下的距离 ，测量 工具为精度为 0 ． 0 2 m m的游标卡尺。 由表 2知 ，上连板在螺栓轴 向位移差 Ⅳ的平 均值为 5 ∑ N 0 ． 6 1 2 ml n 1 2 5 ∑n Ⅳ 0牛 0 ． 6 3 3 m m 1 3 I Ⅳ n 一 Ⅳl 0 ． 0 2 1 m m 1 4 考虑到测量游标卡尺精度为 0 ． 0 2 mm，则理论 值 为 0 ． 6 3 3 ，测 量 均 值 与 理 论 均 值 差 值 为 0 ． 0 2 1 m m，接近理论值下限。其均值误差为 Ⅳ 0 一Ⅳ ／ N o 3 ． 3 2 ％ 1 5 可知 ，测量均 值与理想 弹性体误 差在 5 ％ 以 内，且在理论精 度范 围内。除 了仪 器误差外 ，测 量过程 中还存在人为误差 。 由实验可知 ，可通过 上弹簧预压 缩量 的大小 模拟矩形截面梁损伤部位 的损 伤程 度 ，如果 以一 定载荷下的结构位移作为该结构 的刚度衡量指标 ， 那么 ，本文所述模拟方法 可实现上弹簧预压缩 量 与结构位移的对应 ，模拟误差在 5 ％之内。 5 结论 本文介绍了矩形 截面钢结构损 伤的物理模拟 方法及装置 。当矩形截面钢结构连 接处 发生损伤 高强螺栓连接预紧力达不到设计要求甚至松动 时，损伤部位 的承受载荷 的能力下 降，等效为结 构 刚度减小 。以此为据建立 了可 以模拟损 伤 的实 验装置 ，并得到了矩形截面钢结构损伤的模拟关系 一 6 7 门式起重机带缺陷柔性支腿的静力学分析 刘敬知殷晨波李东博 南京工业大学机械与动力工程 学院 南京2 1 1 8 1 6 摘要以在用的 3 0 0 t 4 3 m A型门式起重机的柔性支腿为研究对象，建立了柔性支腿的 3种裂纹缺陷模 型。运用有限元软件，分析了其在不同位置及开口方向裂纹的影响下的应力和应变状况，得出支腿交叉处以及 平行于加强环方向的裂纹对支腿的危害最大 ，为门式起重机现场检测和安全评估提供了新的方法和理论依据。 关键词门式起重机；柔性支腿；静力学；检测；有限元 中图分 类号 T H 2 1 3 ． 5 文献标识 码 A 文章编 号 1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 3 0 7 0 0 6 8 0 4 Ab s t r a c t Wi t h t h e c u r r e n t fl e x i b l e l e g o f 3 0 0 t 4 3 mA g a n t r y c r a n e a s a s t u d y o b j e c t ．t h e m o d e l s o f t h r e e c r a c k i n g d e f e c t s o n t h e fle x i b l e l e g a r e b u i h ． B y fi n i t e e l e me n t s o f t w a r e ， t h e s t r e s s a n d s t r a i n c o n d i t i o n s a ff e c t e d b y c r a c k s i n d i f f e r - e n t p o s i t i o n s a n d d i ff e r e n t o p e n i n g d i r e c t i o n s a r e a n a l y z e d i n t h e p a p e r ，wh i c h s h o ws t h a t t h e c r a c k a t t h e l e g i n t e r s e c t i o n a n d p a r a l l e l t o t h e d i r e c t i o n o f r e i n f o r c i n g r i n g i s t h e mo s t h a r mf u l t o t h e l e g ，w h i c h p r o v i d e s n e w me t h o d a n d t h e o r e t i c b a s i s f o r s i t e d e t e c t i o n a n d s a f e t y e v alu a t i o n o f t h e g a n t ry c r a n e ． Ke y wo r d s g a n t r y c r a n e ； f l e x i b l e l e g ； s t a t i c ； d e t e c t i o n； fi n i t e e l e me n t 0 引言 门式起重机 以下简称 门机 的主体为钢结 构。由于长期频繁使用 ，起 重机 的结构件 和零 部 件在某些薄弱部位或 主要 承载部分 可能会产生腐 蚀 、磨损 、裂纹及变形等缺 陷 I 2 J 。近年来 门机 由 于自 身结构损坏、变形、失稳等因素造成人身伤 亡和财产损失事故显著增多 ，严重影 响正常生产 工作。其 中裂 纹缺 陷 的主要失效 形式 为开 裂 ] ， 对起重机械 的危害也较大。 本文运用三维造 型软 件 P r o ／ E及有 限元 软件 H y p e r me s h和 A B A Q U S ，主要研究柔性支腿的裂纹 缺陷模型 ，通过模拟计算研究 不同裂纹位置对起 重机结构安全 的影 响，为现场实测和安全评价提 供参考依据 。 1 建立缺陷模型 按照裂纹在柔性支腿 的位置变化 以及裂 纹的 开 口方向变化 ，分别建 立 3种不 同缺 陷情 况的模 型 。缺陷情况一是在柔性支腿左右支腿 中间分 别设置一个 2 5 mm X 2 0 0 l l l m的水平裂纹 ，裂纹开 口方 向与柔性腿加劲环平行 ，见图 1 a ；缺陷情况 起重机械虚拟试验验证与安全评估技术研究 2 0 1 0 1 0 0 6 0 、废 旧起重机械再 制造关键技术研究 2 0 1 1 Q K1 2 9 调整方法。在此基 础上建 立实验对此结构损伤模 拟刚度方法进行验证说 明及 实验误差 分析。矩形 截面钢结构损伤物理模拟方法及模型对大 型机械 钢结构损伤实验 的结构损伤实验模拟有重要作用。 [ 3 ]王焕定 ，赵桂峰．变刚度钢管混凝土短柱隔振装置的 试验研究[ J ] ． 噪声与振动控制，2 0 0 3 6 ． [ 4 ]周文亮 ，王强，石理碧 ．隔振器冲击刚度的试验研究 [ J ] ． 噪声与振动控制，2 0 0 3 6 ． ⋯⋯ ⋯一⋯⋯ 搜 发 区 凤 鸣 路 山 东 建 筑 大 学 E 1 宝 强 变 刚 度 要 保 装 置 试 验 研 究 [ J ] ． 华 ～ ～ 。 机LLIZ电J工 l程o r学13．i院llJ ⋯ 一 一 ’ 一 科 2 0 0 8 , 一 2 6 ． ‘ ． ⋯ 。～ 邮 编 2 ～ 50 。 1 0 1 [ 2 篓 。 焉 ．_ 尼 体 系 警 拟 稿 日 2 0 1 2 1 0 2 9 地 震 振 动 台 试 验[ J ] 北 京 工 业 大 学 学 报 ，2 0 0 1 1 ． ⋯ ⋯ ⋯” 一 一 6 8一 起重运输机械 2 0 1 3 7