单管塔疲劳效应的时域分析
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收稿日期:2002-12-30
基金项目:国家自然科学基金资助项目(50178052)作者简介:黄 健(1974-),男,湖北英山人,博士生.E2mail:hj740212@yahoo.com.cn
单管塔疲劳效应的时域分析黄 健,邓洪洲,屠海明,潘汉明(同济大学建筑工程系,上海 200092)摘要:目前通信塔正由角钢塔向单管塔转型,但单管塔的加工工艺使其焊缝疲劳问题非常突出.据此,对设计中通常选用的40m高单管塔进行了疲劳分析.其中,采用线性滤波器法进行了风荷载的时程模拟,建立了悬臂梁有限元模型,由有限元法计算应力最大焊缝处在各种风速下的应力时程,结合风玫瑰图、风速分布的Weibull曲线确定各应力时程的分布情况.由S—N曲线进行焊缝疲劳分析,根据Miner准则得到线性疲劳寿命.最后,结合实际焊接工艺,给出了提高单管塔疲劳寿命的构造措施.
关键词:Miner准则;Weibull分布;S—N曲线;应力幅;雨流法;疲劳寿命中图分类号:TU279.744 文献标识码:A 文章编号:0253-374X(2003)12-1392-03
AnalysiswithinTimeDomainforFatigueofSingle2pipeTowerHUANGJian,DENGHong2zhou,TUHai2ming,PANHan2ming(DepartmentofBuildingEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China)
Abstract:Recently,thereisatendencytochangingfromangle2steeltowerstosingle2pipetowersinthecommunicationstowerfield.Butthereexistsafatigueproblemofweldinglines,becauseofprocessingtechnicsofthesingle2pipetower.Therefore,thefatigueanalysisforthecommonlyused40metershighsingle2pipetoweriscarriedout.Inthisprocess,weadopredatimesimulationforwindloadwithlinear2taking2wavemethod,setupthegirdermodel,computedtime2stresscurvesatthemoststressweldinglineswithinkindsofwindspeedanddecidedtime2stressdistributingwithwinddistributingchartandWeibullcurveofwindspeeddistributing.Atlast,S—NcurvewasusedtoanalyzefatigueatweldinglinesandthelinearfatiguelifewithMinerrulewasobtained.Basedonmachiningtechniques,theconstitutionmethodsforimprovingfatiguelifewasgiven.Keywords:Minerrule;Weibulldistributing;S—Ncurve;stressbreadth;rain2flowway;fatiguelife
单管塔以造型简洁、美观大方而逐步成为通信塔的主流.目前,由于我国在加工设备上的欠缺,大多生产厂家都是将钢板卷成高约2m的一段后,将各段沿单管塔的横截面对焊,再在钢板厚度改变处用法兰盘连接.这种加工工艺造成的直接后果就是结构受力不合理,易引起疲劳破坏.
图1 单管塔横截面受力简图Fig.1 Stressdistributionsketchderivedfromjointingcross2sectionofsingle2pipetower
众所周知,焊接使焊缝附近热影响区的材质变脆;焊接产生的纵向残余应力、横向残余应力和厚度方向的残余应力以及残余变形会对结构造成不利影响.焊接结构刚度大,对裂纹很敏感,一旦产生局部裂纹时便易于扩展,尤其在低温下更易产生脆断.更重要的是在直接承受动力荷载的结构中,因易产生疲劳破坏而对焊接工艺有所限制,如提高焊缝等级、采用补强钢板提高疲劳性能及错口焊接等.
单管塔在各个横截面上的受力情况主要是沿厚度方向的剪力和垂直于横截面的拉力或剪力,其中垂直于横截面的拉力或剪力起控制作用,如图1所示.由于加工工艺的影响造成了主导应力垂直于焊缝面,
第31卷第12期2003年12月同 济 大 学 学 报JOURNALOFTONGJIUNIVERSITYVol.31No.12
Dec.2003这对焊缝的受力很不利,尤其是在动力荷载(风荷载)作用下,易对结构造成疲劳破坏.因此,本文对单管塔焊缝处疲劳进行了分析研究,得到了一些有益的结论.
1 单管塔疲劳计算思路疲劳分析有时域和频域2种方法,二者是从不同的角度对同一问题的探讨.本文是从时域角度研究单管塔的疲劳问题的.计算过程如下:首先,通过有限元静力计算,进行结构选型,并找出塔身应力最大处的高度;塔身按2m一段建立单元,保证了所求最大应力在焊缝截面上.其次,采用修正的Davenport谱及谐波合成法模拟随机脉动风[1,2],如图2所示(时间为200s,间隔0.02s,考虑风的空间相关性);由文献[2]
可知,对结构疲劳影响较大的风速在3～12m・s-1之间,本文模拟了0.5～14m・s-1的随机风速,风荷载样本能够说明问题.然后,进行时程分析,求出最大应力高度处在0.5～14m・s-1风速下的15条应力时程曲线.因在统计应力幅时,仅波峰、波谷数据有用,本文对时程曲线进行了数据处理,仅保留波峰、波谷处应力值.仅此一点,每条曲线减少数据接近20倍.
风速分布是空间性的,其对结构的作用可来自任何方向,只是每个方向风的强度和出现频率不同.将某一地区风的统计资料加以整理就得到所谓的风玫瑰图,如图3所示.本文依据风玫瑰图[2]得到最大应力截面上关键点方位为210°.
图2 随机风压(p)时程曲线Fig.2 Stochasticwind2pressurecurveintime2domain图3 风玫瑰图Fig.3 Wind2rosesketch
图4 风速威布尔分布曲线Fig.4 Weibulldistributioncurveofwind2speed
在同一方向上,不同风速所占比例不同,一般服从Weibull分布.本文风玫瑰图中12个方向上0.5～14m・s-1风速的分布概率如图4所示.接下来,就是对各个方向在各种风速下的应力分别用雨流法计数得
到应力幅(考虑风向的影响)[3,4],再对各应力幅分别进行疲劳计算(共12×15=180条应力曲线,考虑分
布概率的影响).疲劳计算是依据线性累积损伤准则(Miner准则)和对数表示的S—N曲线来估算疲劳寿命的:
n1/N1+n2/N2+Λ+nm/Nm=
∑m
i=1ni/Ni=1(1)
lgN=11.614-3lgΔσ(2)式(2)中,各参数的选取与材料特性有关,如各种钢材、合金及焊缝质量等的S—N曲线所用参数就不同.本文中各参数对应于普通结构用Q235钢材的一级焊缝,
有关参数可在《疲劳计算手册》中查到.将各个疲劳寿命汇总即得到最终疲劳寿命.
3931 第12期黄 健,等:单管塔疲劳效应的时域分析
2 算例分析本文以实际工程中常见的40m高单管塔为例进行了疲劳分析.其中,平台有2个,间隔6m,直径
图5 40m高单管塔总图(单位:m)
Fig.5 Generalsketchof40msingle2pipetower(unit:m)
均为4.0m,每个平台可供安装6～12幅天线.单管塔底径1.4m,顶径0.6m,设计使用年限为50年,如图5所示.时程分析求出最大应力高度处在0.5～14m・s-1风速之间的15条应力时程曲线(时间为200s,
间隔0.02s),如图6所示.
疲劳计算所得结果如表1所示,总疲劳寿命为T总=1×荷载作用时间/荷载作用时间内的累计损伤=
200/∑330°i=0°ni/Ni=2.0296×109s=64.3568年 由计算结果可知,焊缝疲劳破坏时间长于由刚度控制的设计年限50年,因此,当横截面焊缝需为一级焊缝时,单管塔设计中可不考虑焊缝疲劳损坏影响.
由于实际加工中,有许多无法预料的因素降低焊缝质量,而焊缝质量对疲劳寿命有很大的影响.计算表明:横截面焊缝为二级焊缝时,单管塔疲劳寿命降为52年,与设计年限接近,安全系数非常小.因此,在无法达到一级焊缝时,应对焊缝截面采取构造措施提高单管塔的疲劳寿命.本文建议采用在关键焊缝截面处沿塔身横截面内贴一圈钢板或错口焊接的办法提高疲劳寿命,内贴钢板的厚度依建筑结构用钢要求,
需大于6mm.
图6 15条应力时程曲线Fig.6 Aseriesofstresscurvesintime2domain
表1 各风向疲劳损伤汇总Tab.1 Gatheringoffatiguedamagesineachwind2direction
角度/(°)∑14i=0.5ni/Ni1)角度/(°)∑14i=0.5ni/Ni
04.62×10-92104.00×10
-8
305.04×10-92403.24×10
-8
607.08×10-102701.54×10
-9
901.43×10-103005.57×10
-32
1207.39×10-323304.52×10
-10
1501.32×10-9∑330°i=0°niNi9.8523×10
-8
1801.23×10
-8
1)ni为第i个应力实际循环次数,Ni为第i个应力造成疲劳破坏时的循环次数.
3 结论通过以上分析、计算可得到以下结论:①传统的刚度控制在单管塔设计中已足够,疲劳问题可以不考虑;
②疲劳计算工作量巨大,目前还不便直接应用到工程设计中;③对关键焊缝截面应采取内贴钢板或错口焊接的办法,提高其疲劳寿命;④在生产厂家目前的加工能力下,通过构造措施可以满足单管塔的疲劳要求.
参考文献:
[1] 王肇民.桅杆结构[M].北京:科学出版社,2001.[2] 屠海明.桅杆结构风振疲劳分析[D].上海:同济大学建筑工程系,2000.[3] 张湘伟.结构分析中的概率方法[M].北京:科学出版社,2000.[4] 高镇同.疲劳应用统计学[M].北京:国防工业出版社,1986.
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