在悬挂吊车作用下空间网格结构疲劳问题的深入研究

空间网格结构在悬挂吊车作用下的疲劳问题至今仍是困扰学术界和工程界的一大难题。本项目重点开展五项关键问题研究：（1）选择6个悬挂吊车网架结构，进行大量的现场实测和理论分析，以建立悬挂吊车标准疲劳载荷谱。（2）在国内已有试验数据的基础上，再进行两类节点五种构造286个试件的常幅和变幅疲劳试验,以建立公认的疲劳曲线；重点开展2个6mx6m的网架模型疲劳试验（焊接球节点及螺栓球节点各一个），探索结构整体的疲劳性能；借助金相分析、疲劳裂纹扩展速率及残余应力的测定等，揭示疲劳破坏机理及影响因素。（3）建立基于概率论和可靠度理论的空间网格结构疲劳极限状态设计法。（4）建立基于累积损伤理论和断裂力学理论的空间网格结构疲劳寿命估算方法。本项目的研究成果将成为我国《钢结构设计规范》和《空间网格结构技术规程》补充修订的重要依据。

悬挂吊车作用下网架结构的疲劳关键是节点连接的疲劳。本项目以网架结构整体和节点连接为研究对象，采用试验研究、有限元模拟和理论分析等研究手段，重点探讨了网架结构悬挂吊点的疲劳载荷谱编制、静力及疲劳性能、疲劳破坏机理和疲劳寿命估算等。主要结果为：1）基于自制的加荷装置和AMSLER疲劳试验机，累计完成两种不同节点连接型式（29个“管—球”节点试件和39个“十字板—球”节点试件）和五种不同规格高强度螺栓（M22—9个试件、M27—8个试件、M30—11个试件、M36—8个试件、M39—3个试件）的静力、常幅及变幅疲劳试验，回归分析得出相应的S-N曲线；2）采用有限元分析软件ABAQUS和ANSYS，针对某在役螺栓球和焊接空心球节点网架进行整体静力和动力分析，并就不同型式的热点应力及各种初始缺陷等因素进行了大量的理论分析，定量地分析了各种缺陷对其影响程度及建立了相应的SCF公式，如：十字形板—焊接空心球节点，其SCF取值区间为3.176～5.365；管—球节点，其SCF取值区间为2.055～4.860；高强度螺栓缺口有效应力集中系数为5.8～6.9；3）首次针对螺栓球节点网架和焊接空心球节点网架的控制悬挂吊点进行疲劳载荷谱编制，并就网架结构中易发生疲劳破坏的杆件区域进行了探讨；4）模拟分析了不同型式悬挂吊点连接各种因素对其疲劳强度的影响，并探讨了高强度螺栓疲劳强度的各种影响因素；5）采用金相分析揭示了各种类型的疲劳试件对应的疲劳破坏机理，并提出了相应的提高疲劳强度的有效措施；6）采用基于累积损伤理论和断裂力学对不同型式悬挂吊点和不同规格的高强度螺栓的疲劳寿命进行估算，从而建立以热点应力幅为参量的疲劳设计方法，如：十字形板—焊接空心球节点，其 Mpa；管—球节点，其[〖∆σ〗_h ]_(2×〖10〗^6 )=66N⁄〖mm〗^2 。本项目的研究成果将为空间网格结构悬挂吊点疲劳设计相关条文的修订提供依据。