CN103134701B - 一种焊接钢桁架结构疲劳失效过程的同步监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊接钢桁架结构疲劳失效过程的同步监测方法，步骤如下：第一步，通过建立焊接钢结构的有限元模型并进行静力分析确定结构材料层次下的易损部位；第二部，确定各结构层次下易损部位特征响应参数并制定相应测试方案；第三步，确定各结构层次下传感器布置项目和位置，并完成安装、调试以及设置降噪和放干扰措施；第四步，对结构施加疲劳荷载，同时以多种测试技术手段同步监测焊接钢桁架材料、构件和结构层次下的失效过程、特征响应及其随疲劳周期的演变过程。该方法比传统与常用结构失效评估方法更全面的反应结构的整个失效过程和各个层次下的特征响应，有益于实现对结构失效过程和失效机理的认识与研究。

Description

一种焊接钢桁架结构疲劳失效过程的同步监测方法

技术领域

本发明属于工程结构失效分析领域，是一种针对焊接钢结构的失效过程和失效机理分析的多尺度同步测试方法，试图以材料、构件和结构层次下失效行为及其特征响应的综合分析实现对结构失效过程的描述、预测与控制。

背景技术

工程结构的设计功能在结构整体建成并使用之后不再改变，然而在几十年甚至上百年的服役期内，工程结构都将面临复杂甚至可能不断变化的环境条件和运行条件，在结构本身材料老化、外界环境侵蚀、荷载的疲劳效应、突发事故过载效应等因素的长期、综合作用下将导致结构系统中的损伤累积、演化和抗力衰减，从而使结构的服役功能下降，极端条件下会引发结构失效等灾难性事故。重大工程结构服役过程中的潜在安全隐患引起人们对结构失效分析和安全运行状态评估的关注。

工程结构的耐久性主要受损伤累积诱致灾变破坏的因素影响，其损伤演化过程具有明显的多尺度特征：工程结构通常结构构型复杂、体型巨大，结构的损伤总是起源于材料的微损伤（如孤立的微孔洞、微裂纹等）这一最底层，材料损伤在结构易损部位（如构件焊连接区域、构形骤变引起应力集中的区域等）累积并在服役荷载与环境因素作用下持续演化，最终导致结构的劣化、失效。

在结构失效过程中，失效起始于材料层次，终结于结构整体层次，材料损伤的累积、演化是结构失效的内在动力与微观机制，构件与结构整体力学性能的退化与响应信息的演变是结构失效的外在表现与宏观特征。结构失效过程中损伤的演化跨越了材料、构件和结构多个层次，对应于每个层次的损伤演化特征存在较大差异，为了掌握结构的失效机理与控制失效过程，有必要针对各层次的失效过程分别开展研究。

长期以来，为了杜绝工程结构失效造成的各种危害，人们针对结构失效过程和失效机理展开了大量的研究与探寻工作。

传统的失效分析技术多针对材料和简单试样，从中得出的各种经验公式多不适用于复杂结构；且以各类断口形貌、性质分析为手段的分析方式属于事后分析，无法应用于正在运行或者处于失效过程中的工程结构。

近年来逐步发展起来的结构健康监测及安全评估系统是人们应对结构失效问题的又一尝试，此类系统的基本监测功能是通过传感器系统来实现的。对于一些大型土木工程结构而言，组成健康监测系统的传感器数量是有限的，而现有传感器对于较低程度损伤的识别能力通常较差；与此同时，在长期的监测过程中，各类传感器获得的测试数据又是一个海量信息，因此，如何依靠现有技术手段从海量数据中提取真正有效反应结构运行与损伤状态的信息是阻碍该系统发展和应用的难题。针对这一难题，目前国内外学者的解决方式可概况为两种，一是传感器优化技术，试图以最经济的传感器数量收获最佳的识别效果；二是各种数据处理分析技术，试图以各类数据处理手段探究各种信息内的规律。

本发明针对的焊接桁架结构是某大跨桥梁纵向加劲桁架的缩尺模型，桁架的上、下弦杆为焊接方钢管，腹杆为焊接工字钢，上、下弦杆与腹杆以钢板焊接、拼装组合而成。桁架结构内含有大量对接焊缝和角焊缝，并且由典型材料和典型构件组成，是一个含有初始焊接缺陷的典型多尺度模型。

因此，通过有限元模拟分析预估桁架结构的失效起点，并针对各结构层次下的易损部位及其承力特征，采用不同的测试技术监测对应层次下的特征响应及其演化过程，并建立不同层次下特征响应的关联和耦合作用，对于认识和描述结构的失效过程和机理具有重要意义。

发明内容

技术问题：本发明提供综合使用多种测试技术，有针对性的同步监测桁架结构失效过程不同结构层次下的失效过程和特征响应，用于结构失效过程和失效机理分析的焊接钢桁架结构疲劳失效过程的同步监测方法。

技术方案：本发明的焊接钢桁架结构疲劳失效过程的同步监测方法，包括以下步骤：

步骤一，根据焊接钢桁架结构，采用通用有限元程序建立焊接钢桁架有限元模型，对所述焊接钢桁架有限元模型进行静态分析，确定所述焊接钢桁架结构的易损部位，即焊接钢桁架结构中因结构构型骤变或者焊连接导致的应力集中区域和应力响应最大值区域；

步骤二，根据焊接钢桁架结构构型和所述步骤一中确定的易损部位，确定焊接钢桁架在材料、构件和结构整体不同层次下的监测区域及相应承力特征，确定各层次下 的失效过程的特征响应参数并制定相应测试方案；

步骤三，根据步骤二中制定的测试方案，确定所需测试技术以及焊接钢桁架各承力层次上传感器布置项目和位置，安装各测试传感器并集成测试系统，设置降噪及防干扰措施；

步骤四，对桁架结构施加疲劳荷载，监测疲劳损伤演化过程，同步、连续观测若干疲劳周期下材料、构件和结构整体层次下的特征响应及其演化过程，直至结构失去承载能力，完成对焊接钢桁架结构疲劳失效过程的多尺度同步监测。

本发明的步骤一中的通用有限元程序采用ANSYS软件，所述的建立焊接钢桁架有限元模型是采用四节点弹塑性壳单元shell181模拟，并进行局部网格几何细化。

本发明的步骤一中的易损部位是结构失效的起源，在材料层次下，所述易损部位处于含有初始缺陷并在典型外荷载作用下出现应力集中区域或者应力响应最大值区域。

本发明的步骤一中的易损部位隐含多尺度特征，材料、构件和结构整体通常包含对应层次下的易损部位，并且各层次下的易损部位具有跨尺度的对应关系。

本发明的步骤二中的各层次下的失效过程的特征响应参数包括材料层次下的应力、应变响应，构件层次下的动态参数和疲劳裂纹长度，以及结构整体层次下的刚度系数。

本发明的步骤三中的测试技术包括应变电测技术、光测技术、动态测试技术和动挠度测试技术，其中所述应变电测技术用于测试易损材料处应变分布及演变规律，同时监测材料内部疲劳裂纹的萌生过程；所述光测技术用于监测表面疲劳裂纹萌生和演化过程；所述动态测试技术用于评估易损构件动力特征并反推其损伤状态；所述动挠度测试技术用于测试桁架整体刚度系数。

本发明的步骤三中的传感器布置项目和位置包括在易损材料处布置梯度应变片和架设CCD传感器，在易损构件1/4、2/4和3/4跨度处分别安装加速度传感器，在桁架结构跨中处安装动态挠度计。

本发明的步骤四中的结构失去承载能力，包括结构达到承载能力极限状态和达到正常使用极限状态两种情况。

本发明的步骤四中的焊接钢桁架结构疲劳失效过程的多尺度监测包括对材料层次下应变分布及其演化规律、材料内部疲劳裂纹萌生过程、表面疲劳裂纹演化规律、构件动力特征参数和结构刚度系数的多尺度、同步测试与分析，使用多个特征尺度下 的特征响应参数描述桁架结构的失效过程。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：

（1）本方法通过有限元模拟分析，有效把握焊接钢桁架结构各结构层次下的承力特征和失效形式，据此确定各结构层次下的易损部位，并有针对性的制定测试方案，提高了测试精度和效率，有助于准确描述和分析结构的失效过程和特征。

（2）本方法针对材料、构件和结构整体不同层次，选择同步监测焊接钢桁架失效过程中材料层次下的应力应变响应、疲劳裂纹萌生与演化过程、构件层次下的动力响应和结构层次下的动挠度响应，以多个结构层次下的失效特征响应统一描述结构整个失效过程，有助于对结构失效过程和机理的分析。

附图说明

图1为焊接钢桁架结构示意图。

图中有：材料易损处细观测区1、易损构件2、结构层次试验及测试区域3、疲劳荷载加载点4。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例中的焊接钢桁架模型为某大型桥梁钢箱梁纵向加劲桁架的缩尺模型，采用桥梁钢板焊接组装而成，其结构构型、焊接方式和加工工艺均与原结构一致。

本实施例包括如下具体步骤：

采用通用有限元程序ANSYS建立焊接钢桁架的有限元模型，并针对分析目标进行局部网格几何细化，如图1所示，模型使用四节点弹塑性壳单元shell181模拟，共包括45624个单元，材料弹性模量为206GPa，密度7850kg/m3，泊松比为0.2588；模型完整的反应了桁架结构的几何特征，与此同时，针对该桁架存在较多焊缝的特点，模型在上、下弦杆与腹杆的连接处进行了网格细化，以求真实模拟结构的力学特征。

针对焊接钢桁架的有限元模型，在施加位移约束条件后，在疲劳荷载加载点4施加集中载荷约束条件并求解，由此得到桁架有限元模型在所施加约束条件下的应力分布，其应力最大值点位于桁架斜腹杆与上、下弦杆的连接处，如图1材料易损处细观测区1所示；结合实际结构的构造特点，应力最大值处恰好存在一条对接焊缝，考虑可能存在的焊接缺陷等因素的影响，确定此处即为易损材料处，对 应的斜腹杆即为易损构件并由此确定试验及测试区域，如图1所示。

根据材料力学和结构力学理论，承载能力是关于力-材料或力-结构关系的一个概念，对应于材料强度、材料或构件刚度、结构或构件稳定性的相应结构负荷统称为构件的承载能力。对应于本发明中的焊接钢桁架，材料易损处的材料强度、易损构件的刚度和结构整体的稳定性特征可反映不同结构层次下的承力特征，对应的，本发明选择材料的应变响应、构件的动力响应和结构的动挠度响应作为桁架失效的特征响应，并可分别使用现有并且成熟的测试手段：应变电测技术、动态测试技术和动挠度测试技术实现。此外，为了准确监测疲劳裂纹在材料内部萌生并逐渐扩展的过程，本发明附加使用光测设备，并与上述测试方法及其设备共同组成一个多层次、多目标同步测试系统，相应的详细测试方案如下：

针对图1中已确定的试验及测试区域，为聚焦研究目的并加快桁架结构失效过程，本发明根据实际情况确定在材料易损处预制一条I型裂纹。为研究疲劳裂纹萌生及初步扩展等材料失效行为，本发明在预制裂纹尖端布置一片高精度应变片（栅丝尺寸0.5×0.5mm）；与此同时，为研究疲劳裂纹对邻近材料力学性能的影响，本发明沿着裂纹方向布置梯度应变片，并与配合的使用动态应变仪、数据采集器和相关记录设备共同组成应变测试系统。

为研究构件失效过程，本发明在图1材料易损处细观测区1处布置一个光测系统，包括固定于桁架上并随桁架结构一起运动的CCD图像传感器，再配合显微镜头和图像采集、处理设备，可实现在疲劳试验正常进行的条件下实时观测疲劳裂纹扩展情况。与此同时，本发明在易损构件1/4、2/4和3/4截面处安装加速度传感器，结合动态数据采集与分析系统，同步测试易损构件的动力参数，间接反映斜腹杆损伤程度。

为实现对桁架疲劳失效过程中结构整体承载性能的评估，本发明在桁架测试范围1/2跨中处安装一个动态挠度计，配合动态应变仪、数据采集器和相关记录设备，共同用于同步测试桁架的动挠度响应，作为桁架整体力学性能的评价参数。

在确定试验方案并对上述各测试系统安装、调试完成之后，使用Instron8802液压伺服疲劳试验机对桁架结构施加疲劳荷载，同时以应变电测技术、光测技术、动态测试技术和动挠度测试技术分别监测桁架材料、构件和结构整体层次下的疲劳失效过程和特征响应，包括材料层次下应变分布及其演化规律、材料内部疲劳裂纹萌生过程、表面疲劳裂纹演化规律、构件动力特征参数和结构刚度系数的演变规律，直至疲劳裂纹在易损构件截面内持续扩展并导致桁架整体产生较大面外位移而不再能够承载为 止。

本发明综合考虑了焊接钢结构材料、构件和结构整体层次下的构成和力学特征，并针对这一特征，综合运用应变电测技术、光测技术、动态测试技术和动挠度测试技术同步监测结构的疲劳失效过程，有益于对结构失效过程和失效机理的认识与研究。

Claims (8)

1.一种焊接钢桁架结构疲劳失效过程的同步监测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤一，根据焊接钢桁架结构，采用通用有限元程序建立焊接钢桁架有限元模型，对所述焊接钢桁架有限元模型进行静态分析，确定所述焊接钢桁架结构的易损部位，即焊接钢桁架结构中因结构构型骤变或者焊连接导致的应力集中区域和应力响应最大值区域，所述易损部位隐含多尺度特征，材料、构件和结构整体包含对应层次下的易损部位，并且各层次下的易损部位具有跨尺度的对应关系；

步骤二，根据焊接钢桁架结构构型和所述步骤一中确定的易损部位，确定焊接钢桁架在材料、构件和结构整体不同层次下的监测区域及相应承力特征，确定各层次下的失效过程的特征响应参数并制定相应测试方案；

步骤三，根据步骤二中制定的测试方案，确定所需测试技术以及焊接钢桁架各承力层次上传感器布置项目和位置，安装各测试传感器并集成测试系统，设置降噪及防干扰措施；

步骤四，对桁架结构施加疲劳荷载，监测疲劳损伤演化过程，同步、连续观测若干疲劳周期下材料、构件和结构整体层次下的特征响应及其演化过程，直至结构失去承载能力，完成对焊接钢桁架结构疲劳失效过程的多尺度同步监测。

2.根据权利要求1所述的一种焊接钢桁架结构疲劳失效过程的同步监测方法，其特征在于，所述步骤一中的通用有限元程序采用ANSYS软件，所述的建立焊接钢桁架有限元模型是采用四节点弹塑性壳单元shell181模拟，并进行局部网格几何细化。

3.根据权利要求1所述的一种焊接钢桁架结构疲劳失效过程的同步监测方法，其特征在于，所述步骤一中的易损部位是结构失效的起源，在材料层次下，所述易损部位处于含有初始缺陷并在典型外荷载作用下出现应力集中区域或者应力响应最大值区域。

4.根据权利要求1所述的一种焊接钢桁架结构疲劳失效过程的同步监测方法，其特征在于，所述步骤二中的各层次下的失效过程的特征响应参数包括材料层次下的应力、应变响应，构件层次下的动态参数和疲劳裂纹长度，以及结构整体层次下的刚度系数。

5.根据权利要求1所述的一种焊接钢桁架结构疲劳失效过程的同步监测方法，其特征在于，所述步骤三中的测试技术包括应变电测技术、光测技术、动态测试技术和动挠度测试技术，其中所述应变电测技术用于测试易损材料处应变分布及演变规律，同时监测材料内部疲劳裂纹的萌生过程；所述光测技术用于监测表面疲劳裂纹萌生和演化过程；所述动态测试技术用于评估易损构件动力特征并反推其损伤状态；所述动挠度测试技术用于测试桁架整体刚度系数。

6.根据权利要求1所述的一种焊接钢桁架结构疲劳失效过程的同步监测方法，其特征在于，所述步骤三中的传感器布置项目和位置包括在易损材料处布置梯度应变片和架设CCD传感器，在易损构件1/4、2/4和3/4跨度处分别安装加速度传感器，在桁架结构跨中处安装动态挠度计。

7.根据权利要求1所述的一种焊接钢桁架结构疲劳失效过程的同步监测方法，其特征在于，所述步骤四中的结构失去承载能力，包括结构达到承载能力极限状态和达到正常使用极限状态两种情况。

8.根据权利要求1所述的一种焊接钢桁架结构疲劳失效过程的同步监测方法，其特征在于，所述步骤四中的焊接钢桁架结构疲劳失效过程的多尺度监测包括对材料层次下应变分布及其演化规律、材料内部疲劳裂纹萌生过程、表面疲劳裂纹演化规律、构件动力特征参数和结构刚度系数的多尺度、同步测试与分析，使用多个特征尺度下的特征响应参数描述桁架结构的失效过程。