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考虑低温冷脆钢结构构件的实用简化设计方法

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王元清,等:考虑低温冷脆钢结构构件的实用简化设计方法 考虑低温冷脆钢结构构件的实用简化设计方法* 王元清 冯宝锐 石永久 (清华大学土木工程系结构工程与振动教育部重点实验室 北京 100084) 武延民 (中冶京诚工程技术公司摘要北京100053) 在低温下,结构钢材往往在远未达到屈服应力的情况下发生脆性断裂。通过对结构钢构件裂纹尖端张开 位移(CT0D)的研究,提出基于CTOD指标的低温下考虑冷脆效应的钢结构构件简化设计方法。该方法属于分级 设计方法,以考虑裂纹扩展而提高部分的最大承载能力作为构件的承载力,并研究构件温度和厚度对结构钢材断 裂韧性的影响,计算得到各种温度和厚度情况下的强度折减系数,最后给出利用此简化设计方法计算的设计算例。 关键词 结构钢材低温脆性断裂设计方法 PRACTICAL SIMPLIFIED DESIGN METHoD oF STEEL CoMPoNENTS UNDER LoW TEMPERATURE CoNDITIoNS Wang Yuanqing Feng Bao rui Shi Yongjiu (Dept.of Civil Eng.,Key Lab.of Structural Eng.and Vibration of China Edu.Ministry.Tsinghua Wu Yanmln (Capital Engineering&Research Incorporation Limited Beijing 100053) ABSTRACT The brittle fracture always occurs under lOW temperature when the stress thereof iS much lower than yield stress.Crack tip opening displacement(CTOD)of structural steel members has been studied,and a simplified practical design method which is taking into account of low temperature fracture effect has been proposed.This approach belongs tO grading method,and takes the max loading resistance including the increase after the crack extension.The inftuences of temperature and thickness on fracture toughness are then researched,and corresponding strength reduction coefficients are calculated under different conditions.Finally,some design examples are given employing this method. KEY WORDS structura1 stee1 1OW temperature brittle fracture design method 1概述 2简化设计方法的基本思路 为了防止钢结构在工作中尤其是在低温条件下 本文提出3等级的钢结构低温防断裂设计方 法。即:对无实际裂纹构件采取。级和1级的设计, 而对含实际裂纹构件采取2级设计 ]。 2.1 无实际裂纹构件的第。级和第1级设计 计算时认为钢构件中存在着一个假想尺寸的裂 纹a。。该裂纹由设计施工存在的技术缺陷,如应力 的脆性破坏,提出一种钢结构低温下防脆断的实用 设计方法具有重要的现实意义I1]。目前,我国的《钢 结构设计规范》(GB 50017—2003)仍是通过控制钢 材的冲击韧性指标对钢结构的低温断裂进行控制, 无法对低温脆性断裂的发生进行准确的计算,存在 着不合理的地方。对于钢结构来说,低温断裂设计 集中、焊接残余应力、焊接缺陷、机加工的局部硬化、 微裂纹等引起。应根据该假想尺寸的裂纹对构件进 即是在传统的强度设计基础上进行防断裂的校核设 计,因此只有某些条件下(如低温、厚板)的钢结构才 需要进行,并且裂纹只在拉应力下才会扩展,因此只 是应用于存在拉应力的部位_2]。本文将基于我国结 构常用钢材的断裂性能特点,在大量试验研究和理 行低温断裂设计。由于裂纹的尺寸已经确定,所以 可以把基于CTOD的断裂公式转换为强度折减的 方法进行计算。在第1级的基础上可以进一步引申 *国家自然科学基金项目(50778102和50078029),铁道部一清 华大学科技研究基金项目(T2000410)。 第一作者:王元清男1963年7月出生教授博士生导师 Email:wang—yq@tsinghua.edu.cn 论分析的基础上l_3],提出一种较为简便易用的低温 断裂的实用设计方法,并对应用此设计方法的基本 步骤进行详细介绍。 Stee1 Construction.2008(12),Vo1.23,No.114 收稿日期:2008—06—25 1 工程设计 出第0级设计,即不需要考虑构件断裂的情况。第 1级的钢结构断裂设计采用与强度设计相同的形 式,为: d ≤ ’ (1) 通过计算研究,可以得到此值与裂纹扩展量Aa 呈正比,并且与荷载的大小有关。从设计安全的角 度出发,可以取斜率最大的直线作为设计时的直线。 因此裂纹尖端张开位移 一 的设计曲线为 ]: 其中:f—f /r ,为抗脆断强度设计值,参考前苏 联相关规范|2],yu取1.3; 为折减系数。 当环境温度较高、试样较薄或者钢材的韧性较 好时,在假想缺陷尺寸的情况下计算出的折减系数 大于1,此时即为不需要考虑断裂设计的情况。对 不同的材料可以计算出折减系数为1时的温度和厚 度条件,当结构的温度和厚度处于临界条件的左侧 时不需要考虑脆性断裂,如图1所示。 Z ̄ O's f旦1(1+0.4Aa)a F-, 、D s, (4) 式中:Aa为裂纹扩展量,mm。 3.2假想裂纹长度的取法 参考“规范”(GB 50017—2003)对钢构件类别 的取法,断裂设计中把构件的类别分为8类。第8 类是最容易发生脆性断裂的构件,内部假想裂纹的 长度为板厚t。对于其他7类的假想裂纹尺寸则相 应折减,折减方法如下:不同类别的构件,疲劳分析 时对应于2×10 次的容许应力幅值不同,从Paris 公式可以知道,疲劳裂纹的扩展速率与裂纹尖端的 应力强度因子幅值相关。因此可以假设不同构件的 赠 容许应力幅值不同是由于内部缺陷尺寸的不同造成 的,而对应于裂纹尖端的应力强度因子幅值的大小 厚度 是相同的。则应力强度因子幅值的计算公式为: AK。C[△ ] 应力幅值[△ ]的平方成反比,即有: n∞ 图1第0级和第1级分界示意 (5) 由式(5)可以得出,构件内部裂纹的尺寸与容许 2.2含实际裂纹构件的第2级设计 而第2级则是针对含有实际裂纹的构件进行设 1 (6) ¨ ∞∞ 计时采用的。根据外荷载计算裂纹的张开位移对构 件的安全性进行判断。应满足式(2)的条件: ≤8m (2) 根据式(6)计算出的不同类别构件的假想裂纹 长度如表1所示。 表1不同类别构件对应的容许应力幅值和 假想裂纹长度 构件类别 [Aa]/MPa 假想裂纹长度 /mm 式中: 为考虑裂纹扩展量后原始裂纹尖端的张开 位移;8m为钢材最大载荷下的CTOD值。 3钢结构低温断裂简化设计方法 3.1 裂纹尖端张开位移的设计曲线 裂纹尖端张开位移的设计_曲线参考我国的压力 容器缺陷评定规范,其中CVDA一84采用了裂纹尖 端张开位移作为判据指标,虽然SAPV一95提出较 新,但仍采用了英国R6规范的缺陷评定图(FAD) 的形式,其设计方法也采用由CVDA一84的裂纹尖 端张开位移转换为J积分的形式,所以本文提出的 设计曲线在CVDA一84的基础上提出。 钢结构的设计首先要满足强度设计要求,即构 件内的应力基本上小于钢材的屈服应力。不考虑裂 纹扩展时裂纹尖端张开位移 的数值为: ^ ’ 低温断裂设计的构件类别包括了疲劳设计相应 的构件类别。前苏联的谢里维斯托洛夫总结出的6 种低冷脆性结构类型也已经包括在前述的8种类别 之内,一般为6~8类构件。 3.3折减系数口的计算 构件满足安全条件时,有: ^ &一 12,\O's/ 1 n (3) 式中: 。为钢材的屈服应力,n为裂纹长度。 2 一Z ̄ds f 1(1+0.4Aa)a≤ 下r(7) 钢结构 2008年第12期第23卷总第114期 王元清,等:考虑低温冷脆钢结构构件的实用简化设计方法 式(7)可以进一步整理为: 表2~表4为通过一系列计算得到的设计中采 用的参数取值。由于试件数量有限,在不同温度下 ≤ : (8) 存在着部分相同的设计参数取值。 折减系数卢的计算公式为: 表2钢材最大载荷下的CTOD值( )的设计取值 卢一 (9) △口一 J—a—b— ̄a—- bo 式中,参数b。、b 和b 按照式(11)进行计算: 62一一 (1la) b]一l一—2— 一d  ̄一o (11b) 口。0 bo===do (11c) 3.4断裂设计中的参数取值 钢结构低温断裂设计中需要的参数包括钢材最 大载荷下的CTOD值( )。对应于裂纹扩展阻力曲 线的参数d。 、 一。和d 。对于第1级的设计还需要 计算出相应的强度折减系数 。 表3各种钢材裂纹扩展阻力参数 减系数的数值。 4简化设计方法的基本步骤 2)如果折减系数 >1,则钢结构属于第0级, 钢结构低温断裂的设计针对的是存在拉应力区 不需要进行断裂校核。 的部位,适用的温度范围为20~一7O℃,构件厚度 3)当折减系数 <1,则按照第1级的方法计 范围为12 ̄48 mlTl。具体采用如下步骤。 算,验算是否满足式(12): 4.1无实际裂纹的钢构件设计阶段或常规检查合 ≤Zf (12) 格的结构构件(第0级或第1级设计) 式中: 为构件截面的最大拉应力,厂为钢材抗脆断 1)根据设计工作温度和板材厚度查表4获得折 强度的设计值。若满足式(12),构件是安全的。 Steel Construction.2008(12),Vo1.23,No.114 3 工程设计 第1类 2O 10 0.80 30 O.6 0.62 50 O.6 0.62 70 O.6 0.62 第2类 20 0.98 10 0.70 30 0.53 0.54 5O O.53 0.54 ——70 0.53 0.54 第3类 20 0.88 10 O.98 0.62 30 0.47 0.48 5O 0.47 O.48 70 0.47 0.90 0.48 第4类 20 0.74 1O 0.83 0.53 3O 0.40 0.41 5O 0.40 0.41 0.85 70 0.94 0.4O O.76 0.41 O.85 第5类 20 0.65 1O 0.73 0.46 30 0.35 0.36 5O 0.35 0.88 0.36 0.75 70 O.95 0.83 0.35 O.67 0.36 0.75 第6类 20 0.57 2.71 10 0.63 0.40 3O 0.30 0.31 0.91 50 0.30 O.76 0.31 0.65 0.91 70 0.82 0.72 0.30 0.58 0.31 0.65 0.91 第7类 20 O.98 O.51 1O 0.56 0.36 30 0.27 O.92 0.28 O.81 5O 0.27 O.68 0.28 O.9O 0.58 0.81 70 0.74 0.64 0.27 0.9O O.52 0.28 O.9O 0.58 O.81 第8类 20 0.85 0.44 10 0.49 0.31 30 0.92 0.23 0.8O 0.24 O.7O 50 O.92 O.23 0.59 0.24 0.78 O.50 0.70 7O 0.64 O.56 0.23 O.78 0.45 0.24 0.78 0.50 O.7O 4.2含实际裂纹构件的安全性评定(第2级设计) ≤ 1)根据设计温度和板材厚度查表2、表3,确定 若满足,则结构安全。 钢材的最大载荷下CTOD值( )和裂纹扩展阻力 曲线的参数d。、 一。和d 。 5设计算例 2)如果参数 一。为零,则最大载荷对应的裂纹 5.1 算例1(第0级或第1级设计) 扩展长度△口一0。如果参数 一。不为零,验算裂纹 1)设计中Q235钢材的第4类构件,截面上的最 长度a是否满足口>b。/b 。如果不满足,则取Aa一 大拉应力为180 MPa,设计工作环境温度为一30℃, 0,否则根据式(1O)计算裂纹扩展长度△n。 板材的最大厚度为36 mm。 3)计算考虑裂纹扩展量后原裂纹尖端的张开位 根据温度一3O℃和36 iilm查表4得到强度折减 移 : 系数 >1,因此构件安全,不需要进行强度校核。 一 、D / 1(1+0.4Aa)Ⅱ (13) 2)设计工作环境温度为一30℃,板件的最大厚 度为48 mm,其他与前相同。查表4得到强度折减 4)验算是否满足式(2): 系数 一0.40,计算: 4 钢结构 2008年第12期第23卷总第114期 王元清,等:考虑低温冷脆钢结构构件的实用简化设计方法 一180 MPa> 厂一80 MPa 因此,构件断裂验算不合格。 3)设计工作环境温度为一70℃,板件的最大厚 度为36 mm,其他与前相同。查表4可得强度折减 系数 一0.94。计算: o一180 MPa<鼬一188 MPa 35一 丽\\2235 )J ( 十 1+0.4 X 0.48)×40= 一 === 180O.20 mm 求得钢材在最大载荷下的CTOD值 = 0.442 mm> 6结 论 ,因此构件是安全的。 因此,构件断裂验算合格。 5.2算例2(第2级设计) 1)通过对钢构件CTOD的试验研究,提出分级 实际工作中的Q235钢材的第3类构件,设计 设计方法,以考虑裂纹扩展时构件的承载力; 工作环境温度为一50 ̄C,板材的最大厚度为24 2)本设计方法简便易行,便于工程设计人员使用。 mm。检测发现构件中存在一个长40 mm的裂纹, 裂纹处的名义拉应力为180 MPa,评价此含裂纹构 参考文献 件安全。 1王元清.钢结构在低温下脆性破坏的研究.低温建筑技术,t998 (2):2—5 首先根据温度条件和板件厚度条件查表3,得到 2王元清,武延民,王骁哲.钢结构构件低温冷脆强度的设计计算方 下列参数的数值:d。一0.164,dr。一0.196,d。 一 法.低温建筑技术,2001(1):3~5 0.484。根据式(11)计算参数b。、b 和b 的数值:b。一 3武延民.铜结构脆性断裂的力学机理及其工程设计方法研究: [博士学位论文].北京:清华大学,2004 0.164,b1—0.81,b2一一0.84。 . 4王元清,武延民,石永久,等.钢结构构件抗断裂分析理论与实用 裂纹长度n一40 mm>b。/b1—0.2O mm,对应 方法研究.湖南大学学报:自然科学版,2006,33(1):11—15 的裂纹扩展长度为: 5邹广平,张正国,张学义.中心裂纹板张开位移研究.哈尔滨工程 大学学报,1999,20(1):61—65 一√4o 一 一40=0.48 mill 6 Joffe R,Krasnikovs A,Varna J.COD-Based Simulation of Tranve— rse Cracking and Stiffness Reduction in Is/90n]。Laminates.Com— 原裂纹尖端的张开位移为: posites Science and Technology,2001,61(5):637--656 (上接第53页) 2)有效的焊接变形控制措施是保证几何精度的 5)对不同焊接部位采用不同的检验手段。顶 重要手段。在钢箱梁的制作过程中,采用预留收缩 板、底板、腹板对接焊缝(含接料焊缝)以及支座处加 量、焊接弹性马板、预置反变形、调整焊接顺序和焊 厚横隔板与顶板、底板、腹板间熔透角焊缝采用超声 接方向等措施,有效地控制了焊接变形,确保了几何 波探伤(UT)检查焊缝质量,并用射线探伤(RT)按 精度。 接头数量的2O 比例抽检;U形肋与顶、底板坡口 焊缝以及u形肋间对接焊缝采用磁粉探伤(MT)检 5 结 语 查焊缝质量。 通过厦门BRT一期工程高架桥钢箱梁制造的 通过以上措施和手段,有效地保证了钢箱梁的 工程实践,在总结了以往大型公路桥梁钢构件制作 焊接质量。 经验的基础上,制定了一套适合本工程钢箱梁结构 4.2几何尺寸精度控制 特点、施工条件的工艺技术方案和质量保证措施,钢 1)完善的工艺方案和完备的工艺装备,是保证 箱梁的几何精度和焊接质量满足了设计要求,尤其 制造精度的基本支持条件。钢箱梁制造之前,首先 是曲线u形肋板单元的制作工艺技术,为今后类似 总结了以往钢箱梁的制作工艺和成熟经验,再针对 桥梁的设计和制造提供了新的思路和经验参考。 本工程钢箱梁结构特点和施工条件制定了板件一单 元一总体拼装的工艺方案。 参考文献 结合以往的经验并根据工艺方案确定了拟投入 1王辉平,洪军,隋宝善,等.大跨度斜拉桥钢箱粱制造技术//中 钢箱梁生产的工艺装备,并进行合理的工装设计,设 国土木工程学会桥梁及结构工程学会第十四届学会论文集.上 海:同济大学出版社,2000:119—123 计的各类工装有:a.顶、底板单元u形肋组装胎;b. 2邵天吉,田智杰.钢箱梁制造横向分段和纵向分段方案的对比 腹板、横隔板组装平台;C.焊接反变形胎;d.修整平 分析.钢结构,2008,23(2):65—66 台;e.总拼胎架。 Steel Construction.2008(12),Vo1.23,No.114 5 

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