摘 要

本文以焊接网架结构为研究对象，分析结构在有焊接缺陷的情况下的风致疲劳损伤。本论文将运用ANSYS有限元软件建立一网架结构模型，然后运用谐波叠加法，模拟随机风荷载作用于网架结构模型，并导出应力时程，然后通过雨流计数法进行应力循环历程统计，结合S-N曲线，采用Miner-Palmgren线性累积损伤理论计算出有无焊接缺陷两种工况下的杆件在两种不同基本风压下的疲劳损伤值D。对比四组D值结果可知：随着基本风速的增大，焊接网架结构杆件疲劳损伤值D明显增大；而同等风速下，考虑焊接缺陷工况的网架结构杆件疲劳损伤值D明显大于焊接完好工况下的D值。有力证明了初始焊接缺陷对于网架结构抗风性能的不利影响，因此在实际工程中需以更警惕的态度面对网架结构的风致疲劳损伤问题。

关键词：网架结构；杆系有限元；风荷载；风致疲劳损伤；

Abstract

In this paper, the welded grid structure is taken as the research object, and the wind-induced fatigue damage of the structure in the case of welding defects is analyzed. In this thesis, ANSYS finite element software will be used to build a grid structure model, then harmonic superposition method will be used to simulate the random wind load acting on the grid structure model, and the stress time history will be derived, and then the stress cycle history will be calculated by the rain flow counting method. Combined with the S-N curve, the Miner-Palmgren linear cumulative damage theory is used to calculate the fatigue damage value D of the rod under two different basic wind pressures under the two conditions of welding defects. Comparing the four sets of D values, it can be seen that with the increase of the basic wind speed, the fatigue damage value D of the welded grid structure member is obviously increased; and under the same wind speed, the fatigue damage value of the grid structure member considering the welding defect condition is D. Significantly greater than the D value under good welding conditions. It is a strong proof that the initial welding defects have an adverse effect on the wind resistance of the grid structure. Therefore, in the actual project, it is necessary to face the wind-induced fatigue damage of the grid structure with a more vigilant attitude.

Key Words：Grid structure; Rod finite element; Wind load; Wind induced fatigue damage;

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1课题研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本文主要研究内容 2

第二章 网架结构风致疲劳分析的理论方法 3

2.1前言 3

2.2作用在结构上的风荷载 3

2.2.1平均风荷载 3

2.2.2脉动风荷载 3

2.3杆系有限元基本理论 4

2.4基于ansys的有限元实现 6

2.5结构疲劳分析的基本原理 7

2.5.1疲劳破坏 7

2.5.2 疲劳分析流程图 8

2.5.4雨流计数法 9

2.5.3疲劳曲线 10

2.6 Miner-Palmgren理论 11

2.7 小结 12

第三章 建立网架结构有限元模型 13

3.1引言 13

3.2建模方法 13

3.3网架结构的自振频率和振型 16

第四章 网架结构风致疲劳分析 18

4.1前言 18

4.2作用在结构的风荷载模拟 18

4.2.1作用在结构上的风荷载 18

4.2.2脉动风的模拟方法 18

4.2.3网架模型的风荷载模拟 19

4.3风致响应 22

4.4疲劳分析 23

4.5本章小结 29

第5章 结论与展望 31

5.1结论 31

5.2展望 31

第一章 绪论

1.1课题研究背景与意义

随着我们结构专业的建设进程日新月异，各项建筑网架结构作为大跨空间结构^[1]当中一种常见而广泛普及的、由多根杆件，按照一定得网格形式通过节点连结而成的一种空间结构。具有同等经济下空间的承力较小、重量更轻、刚度更大、抗震更性能好的多方位优点。在结构的整体性和正常使用中都表现出色，在大型工厂厂房，体育场、仓库、生产车间或者是民用建筑当中，已经被大范围的认可与使用。

对于网架结构^[1]，跨度增大，结构的自振频率低而基本周期接近风荷载的卓越周期，致使风荷载成为主要影响荷载，结构在风荷载作用下，产生反复的振动，就很可能会产生疲劳损伤或破坏。^[2]自然，我们就不可忽视结构受风荷载影响带来的疲劳损伤问题。比如：美国的肯帊体育馆，于十九世纪下半叶建造而成，在1979年的六月份，由于长期风荷载下的高强螺栓发生疲劳破坏，体育馆屋盖中心塌落；美国溚轲悬索桥，于1940年建成当年，在19m/s的风速下，加劲梁断裂而发生扭曲风毁；1996年12月31日到1997年1月1日中国鞍山市遇暴风雪天气，多栋大跨度单层房屋的拱形彩板屋顶塌落，究其原因，除了降雪带来的半跨超载，风荷载也是事故诱因之一。

而焊接网架结构，由于它在实际工程焊接时难以避免的焊接缺陷（包括外观缺陷、气孔、夹渣、未焊透、未熔合、裂纹、凹坑、形状缺陷等），会导致结构从建成一开始，就会存在初始的焊接结构缺陷。而这样存在初始缺陷的结构，在风载的长时间作用下，不可避免的产生结构或结构构件疲劳损坏的可能性，直接性的导致工程事故的发生，会产生巨大的各方面损失。比如，2004年的法国De Gaulle机场候机厅的坍塌事故，就是因为存在有结构缺陷原始裂缝，在风荷载的长期作用下，结构损伤累积，裂缝发展导致连接断裂，最终导致了机场候机厅上部结构坍塌。

为避免此类事故的再度发生，本文旨在前人的基础上，对于焊接网架结构的风致疲劳进行研究，针对焊接工程难以避免的各种焊接缺陷，专门研究有焊接缺陷的网架结构风致疲劳分析，以期能够具体了解焊接网架结构的风致疲劳特点，为避免今后焊接缺陷带来结构事故做出理论贡献。

1.2国内外研究现状

对于风荷载下的网架结构疲劳分析，国内外学者们已经在这方面有了许多优秀成果：徐国彬和崔杰^[2]在研究移动荷载下网架疲劳问题时，以大量实验基础，对于焊接节点网架，采用断裂力学的方法应用累积损伤理论来估算它们疲劳寿命的计算方法；刘会军和张爱林^[3]运用Miner-Palmgren线性累积理论，以疲劳设计的总寿命法，用雨流计数法计算统计得到应力循环时程，并得出了北京奥运羽毛球馆的结构疲劳损伤程度，指出了由于风荷载的反复出现，使结构杆件不断处于应力循环之中，会增加累积疲劳损伤的结论；高博青等^[4]应用时程分析和雨流计数法，获得目标杆件的应力循环时程, 同样采用总寿命法求得了所需杆件的疲劳损伤值, 重点研究了结构抗疲劳性能在不同得矢跨比与不同平均风速下的变化情况。郑战光等^[5]为验证Manson-coffin低周疲劳模型经验公式，采用损伤力学基础理论，推导建立了低周疲劳损伤力学模型,给出了Manson-coffin公式与低周疲劳损伤力学模型的等价条件。吴德飞和童根树^[6]分析两个实际工程例题，以案例和数据指出了初始的焊接缺陷对于钢结构的疲劳寿命非常敏感，且给出了钢结构由于疲劳损伤而裂纹扩展产生断裂破坏时，应力很可能远远未达到材料屈服强度的实际工程案例。方钊，李艾群^[7]则通过ansys建立一多尺度有限元模型并分别进行结构风荷载静力、动力时程分析及风致疲劳分析，探寻获得了提高结构疲劳研究分析精度的建模方法，并指出了由于应力幅的取值减小，该建模分析方法会计算得到偏危险的疲劳寿命结果；王强^[8]等以深圳大运会的主体场馆的上部结构为研究对象，运用风致疲劳分析中的时域分析法和频域分析法探究经典屋盖悬挑结构的疲劳寿命，重点研究了大跨悬挑结构的疲劳损伤演化规律及时变力学特性；刘晖^[9]选取武汉体育中心游泳馆的屋顶网架结构为工程背景，分别研究了该项网架结构在设计风速、良态风速、结构完好及有损伤情况下的风致疲劳性能，并提出了对于焊接网架结构来说，结构带损伤服役有可能面临风荷载导致的结构疲劳损伤甚至是疲劳破坏，不可不预防。

虽然前人已经对于网架结构的疲劳寿命做出了许多卓有成效的研究，得到了一些较为成熟的理论和分析方法。前人工作，首先考虑的是以钢材的疲劳强度来计算结构疲劳损伤，但实际上焊缝处的疲劳强度，是低于母材的。而且，还要考虑到焊接缺陷。所以，本文以焊缝材料疲劳强度为计算强度，考虑有焊接缺陷网架结构的风致疲劳损伤分析。

1.3本文主要研究内容

本文以某网架为算例，运用ANSYS商用有限元软件^[11]，建立得到一网架结构模型，然后将随机风荷载作用到所建网架结构上，然后通过有限元分析得出该假设之网架结构中杆件的应力时程；接着应用雨流计数法获得焊接网架的循环统计，分别获得焊接网架单元的应力循环历程，考虑焊接完好和节点焊接未熔合两种工况，最后通过Miner-Palmgren线性累计损伤原理^[12]累计此历程的疲劳累积损伤，最后计算得出所求杆件的损伤值D，分析结构薄弱位置，为焊接网架结构的风致安全做出贡献。

第二章 网架结构风致疲劳分析的理论方法

2.1前言

网架结构在服役期间，结构杆件因在风载下产生一定幅度的振动，且由于风载的反复作用，很容易会引起结构中薄弱杆件的疲劳损伤。因此，本文对风荷载作用下的焊接网架结构进行疲劳损伤分析，具备重大的意义。所以，本论文将运用ANSYS有限元软件建立一网架结构模型，然后通过模态分析获得网架的自振频率。并采用Miner-Palmgren线性累积损伤理论，结合S-N曲线和塔顶法对网架结构风荷载作用下的各个杆件的疲劳损伤值D做出计算。

2.2作用在结构上的风荷载

风荷载（wind load）实际上即空气流动对工程结构所产生的压力，也称风的动压力。而沿结构顺向的风作用，可分解为两类，即平均风和脉动风。

2.2.1平均风荷载

基本风压是最常用的被用来反映平均风的作用的数值，定义为空旷平坦地面或海面以上规定标准高度处的规定时距和重现期的年平均最大风压。各国一般取不同的高度设为标准高度，我国现行荷载规范对房屋建筑类统一取为标准高度，并定义了基本风速为标准高度处所能达到的最大风速。虽然它已从统计的角度体现了平均重现期为50年的最大风压值，但它没有反映风速中的脉动成分。一般来说，即大气层范围内，风速的大小都与高度有着直接关系，高度为Z时，平均风速可表示为

（2-1）

其中Z₁是参考高度，通常取10m;V（z₁）是参考高度处的平均风速；V(z)是Z高度处的平均风速；a是地面粗糙度系数。

2.2.2脉动风荷载

脉动风，是一种随机动力荷载，脉动风主要引起得是结构的顺风向振动。由于结构所受的脉动风荷载是随时间变化的随机荷载，它引起结构的随机振动易导致结构的疲劳破坏和失效。虽然，一般不会造成网架结构的倒塌破坏，但是它将大大影响网架结构的使用寿命，且随着结构损伤的积累，最终甚至会导致网架结构的倒塌或丧失使用功能。对于脉动风的风速谱，目前使用较多的理论包括有 Davenport 谱、谱等。顺风向脉动风速谱的经验公式众多, 本文采用的是最广泛的 Davenport 于1961 年提出的沿高度不变的风速谱

, 表达式如下:

(2-2)

其中,n 为频率, K为与地面粗糙度有关的系数, 为10 m高度处的平均风速。而在紊流风场中, 各点的风速和风向不可能是完全同步的, 甚至是可能完全不相关的, 这就是脉动风的空间相关性，也就是指：处于不同位置点的脉动风速通常不同时取得最值；并且在通常情况下，各点距离越远，在同一时刻出现最值的概率越小。空间相关性主要包括水平方向左右相关和竖直方向上下相关。

2.3杆系有限元基本理论

空间杆系有限元法，实际上也就是空间桁架位移法，是能够用来计算各种各样的网架结构和各种各样工况的高精度方法，它的实现计算流程如下：

图2.1 杆系有限元分析流程图

对杆系结构进行单元分析，根据杆件，组成单元刚度矩阵如式（2-3）所示

（2-3）

然后乘以转换矩阵，如式（2-4）所示

（2-4）

就能得到总刚度矩阵K，此时刚度矩阵有无穷多个解，在施加边界条件之后，就能得到KX=F,求解获得位移，以位移获得应变，最后就可得到杆件应力了。

杆件有限元的实质可以总结为：以单元上全部外力平衡、各结点全部平衡（整体分析的实质），单元的离散化结点位移解作为实际平衡问题的近似解。当单元缩小到微元时，，单元满足平衡方程、应力边界条件，且全部节点平衡，从而变形体整体平衡。综上所述，只要所构造的位移场在单元间满足协调条件，有限元分析解答将收敛为精确解。

2.4基于ansys的有限元实现

有限元分析（Finite Element Analysis），是在二十世纪下半叶发展起来的，一种对真实物理系统（通常是几何和载荷工况）进行模拟、用单元作为简单而又相互作用的元素就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。最初有限元是称为矩阵近似方法的，被应用于航空器的结构强度计算，并由于其实用性、有效性和方便性而引起了力学研究者们的高度兴趣和关注。经过短短数十年的发展，有限元分析已然随着计算机技术的应用和普及，从单一应用于结构工程强度分析计算快速扩展到了几乎所有的科学研究领域，且成为一种应用广阔、种类繁多且高效实用的数值分析方法。有限元法分析问题的基本步骤：

①结构的离散化：离散化，就是先将须要分析的结构分散成有限若干个单元体，并且设置节点于单元体的指定点处，做到让毗连的单元的相关参数构成一个有一定的连续性的单元的集合体，以达到取代原结构的目的。

②设置位移插值的函数：为了以节点位移来表示单元体的位移、应变和应力，在分析连续体问题时，应对单元的位移分布作出适当的的假定，也就是假设位移是坐标的某种函数。

③分析单元的力学性质：利用变分原理、几何方程和本构方程，得到单位刚度矩阵。

④集合所有单元的平衡方程，建立整体结构的平衡方程：利用转换矩阵，将各单元刚度矩阵组合成整体刚度矩阵后，再将各个单元的等效节点力列阵整合成总载荷矩阵。

⑤通过平衡方程组求解计算单元应力和未知节点位移。

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