矩形截面钢结构单肢损伤模拟研究

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Abstract：Research on steel structure plays an important role in the health diagnosis of the steel structure.How tosimulate the changes of damage part before and after the damage is the basis for the steel-structure damage modeling.Thepaper puts forward a simulation method for sine-leg damage of rectangular section steel structure，and the experimentalverification for such simulation method，which can provide foundation for research on the damage model of the steel st131c-ture。

Keywords：steel structure；rectangular section；damage detection；simulation method0 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，而减畜的结构难以利用原构件进行损伤状况模拟。-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-种利用多个弹簧长度调《起重运输机械》 2013(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，-般通过改变某-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降诊断具有重要意义。工程结构的复杂和庞大- 65 - 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(△Zl-△Z)F1 2(△f2△Z) (1)由式 (1)可知上连板沿螺栓的轴向位移△f： - .△2， (2)1 十 2 1十 2Al1L- 1 (3)Al2L- 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，刚度变校在弹性范围内，压缩量 △f'与上连板沿螺栓的轴向位移量 △Z成线性关系。图2a为矩形截面钢结构损伤部位物理模型示意图，图2b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；A1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3b中A- 66 - 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 Il 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 C-C为轴，根据图4b所示关系，有M(F1- F31-F32)f (6)即 [ 3(△f1-△f)- 3(△f2△z)- 3(△fl△f)]·20 (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： - (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》 2013 (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3a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 Al i1；第 1组 ，上弹簧压缩量为Al i1。在载荷 F作用下，上连板在螺栓轴向上的位移分别为 Al2i、Al i1，则令则有A1i ：fAZ'2 -△芝Ⅳf(9)(10)(11)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 mm序号 1 2 3 4 5 6△f2 10 8 6 4 2 0厶 7O.7O 71.40 72.04 72.6O 73.2O 73.76《起重运输机械》 2013 (7)AL2L-L2，L3L △Z，为上连板在螺栓轴向的位移。

表2 实验差值表 mm序号 1 2 3 4 5 6△Z2 10 8 6 4 2 070.70 71.40 72.04 72.6O 73.20 73.76其中，n 为上弹簧压缩量差值，Ⅳl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0.02 mm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 0.612 mln (12))5∑nⅣ0牛 0.633 mm (13)IⅣn-Ⅳl0.021 mm (14)考虑到测量游标卡尺精度为0.02 mm，则理论值为 0.633： ，测 量均值 与理 论均 值差 值为0.021 mm，接近理论值下限。其均值误差为(Ⅳ0-Ⅳ)/No3.32% (15)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-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，等效为结构刚度减校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- 67 - 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 211816摘 要：以在用的 300 t×43 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 ，为门式起重机现踌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：TH213.5 文献标识码：A 文章编号：1001-0785(2013)07-0068-04Abstract：With the current flexible leg of 300 t×43 mA gantry crane as a study object.the models of three crackingdefects on the flexible leg are buih.By finite element software，the stress and strain conditions afected by cracks in differ-ent positions and diferent opening directions are analyzed in the paper，which shows that the crack at the leg intersectionand parallel to the direction of reinforcing ring is the most harmful to the leg，which provides new method and theoretic ba-sis for site detection and safety evaluation of the gantry crane。

Keywords：gantry crane；flexible leg；static；detection；finite element0 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 I2 J↑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 Pro/E及有限元软件Hypermesh和ABAQUS，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-是在柔性支腿左右支腿 中间分别设置-个25 mm X 200 llm的水平裂纹，裂纹开口方向与柔性腿加劲环平行 ，见图 1a；缺陷情况起重机械虚拟试验验证与安全评估技术研究 (201010060)、废旧起重机械再制造关键技术研究 (2011QK129)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，2003(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，2003(6)。

- 搜 发区凤鸣路山东建筑大学 E1 宝 强 变刚度 要保 装置试验研究[J].华 ～ ～。机LIZ电J工l程or学13.i院lJ - - -科 200 8，-2 6。

. 。 ～ 邮 编：2～50。10-1 [2 篓。 焉. 尼体系 警拟 稿日 ：2012 10-29 地震振动台试验[J]北京工业大学学报， 2001(1). ” -- 68- 《起重运输机械》 2013(7)