Q500qE高性能钢工型梁极限承载力研究
2021-09-15
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第32卷,第3期 2 o 1 1年5月 文章编号:1001—4632(201 1)03—001 6—05 中 国 铁 道 科 学 CHINA RAILWAY SCIENCE V0】.32 No.3 May。2011 Q500qE高性能钢工型梁极限承载力研究 潘永杰 ,张玉玲 ,田 越 ,侯华兴 (1.中国铁道科学研究院铁道建筑研究所,北京100081;2.鞍钢股份有限公司,辽宁鞍山 114009) 摘要:为评估Q500qE高性能钢梁的塑性水平和安全储备,设计Q500qE高性能钢和Q345qD普通低合金 钢全尺寸试验工型梁,通过模型试验和有限元分析方法进行极限承载力研究。结果表明:Q500qE高性能钢梁有 较好的塑性,不会因为屈强比大而发生脆性破坏;Q500qE与Q345qD工型梁的荷载一位移曲线以及塑性发展过 程类似,均没有出现明显的屈服平台;两者不同塑性发展阶段作用荷载与材料的名义屈服荷载的比值基本相等, 说明Q500qE高性能钢梁有与Q345qD钢梁基本相同的安全储备。试验梁加载过程各关键作用荷载对应的挠度有 限元计算结果与试验值基本一致,误差较小,表明本文有限元分析中选用的多线性随动强化模型模拟高性能钢 的本构关系是合理的。 关键词:钢桥;钢梁;高性能钢;本构关系;极限承载力;模型试验;有限元分析 中图分类号:U448.212 文献标识码:A 桥梁用钢除了要有高的抗拉强度,还要求有 一屈服平台,屈强比一般高于0.8,属于高屈强比 定的屈强比;屈强比愈小,结构抗破坏的潜在能 钢。随着大跨度桥梁的发展,应用高性能钢的需求 越来越迫切,为了准确评估Q500qE高性能钢梁的 力愈高,一旦超载,也能由于塑性变形被及早发现 而不致发生毁灭性破坏,但若屈强比太低,则材料 的有效利用率就低。英国标准BS5400规定:不符 合BS 4860技术条件的钢板和型钢,当 <390 N・mm-。时,其抗拉强度不得低于1.4ay,O'y为材 塑性水平和安全储备,设计全尺寸试验工型梁进行 其极限承载力研究。 1极限承载力试验 1.1试验梁 料标准屈服强度,则相应的屈强比为0.714_1]。 由冶金和金属学可知,提高含碳量是提高钢材 抗拉强度最直接和最有效的方法,随着含碳量的提 为了研究高性能钢工型梁的极限承载能力,设 计了屈强比为0.70的Q345qD普通低合金钢和屈 高,钢材抗拉强度的提高幅度是屈服强度提高幅度 的3倍以上。随着钢铁冶炼工艺中控温控轧过程控 制技术(TMCP)和钢的微合金化技术的开发和应 用,使高性能钢的生产成为可能。高性能钢(低碳 高强度低合金钢)的显著特点是具有较高的屈强 比,且随着高性能钢强度等级的提高,屈强比有增 高的趋势 。我国最新桥梁用结构钢规范[3 增加了 Q42Oq,Q46Oq和Q50Oq等一系列高性能钢种,但 目前国内仅有屈服强度级别Q42Oq应用于实际桥 强比为0.86的Q500qE高性能钢各2片全尺寸模 型钢梁。其加工和焊接工艺模拟标准焊接钢梁中的 纵梁。试验梁跨度10 m,梁高1 m,翼缘宽320 mrrl,在跨中腹板部位布设对接焊缝2道,如图1 所示。 梁工程[4]中,与国外桥梁建设广泛应用高性能钢r5] 相比,我国在高性能钢应用上还有较大差距。 Q5OOq高性能钢的拉伸应力一应变曲线没有明显的 图1试验梁尺寸示意(单位:mm) 收稿日期:2010-11—3O;修订日期:2011—03~04 基金项目:铁道部科技研究开发计划项目(2007G029) 作者简介:潘永杰(1983一),男,河南郾城人,博士研究生。 第3期 Q500qE高性能钢工型梁极限承载力研究 17 1.2极限承载力试验 试验在中国铁道科学研究院的高速铁路系统实 验国家工程试验室一桥梁结构试验室的20 000 kN 液压伺服试验机上进行。采用3点弯曲、位移控制 加载。对每根试验梁先进行2次预压,第3次进行 破坏试验。应力测点共32个,布置如图2和图3 所示,图中括号内为对称测点编号。在梁的跨中、 端部分别布置对称位移计进行挠度测量。 图 试验梁立面测点示意图 图3试验梁跨中截面测点布置(单位:cm) 1。3试验结果 由于试验梁不可避免地受到初弯曲、初扭转及 加载初偏心的影响,试验梁最终表现为二阶失稳破 坏。Q500qE试验梁的极限承载力为3 g00 kN,对 应的跨中挠度为81.26 cm,失稳破坏前跨中最大 挠度为91.01 mm,卸载后跨中残余变形为3O.54 mm;Q345qD试验梁的极限承载力为2 750 kN, 对应的跨中挠度为67.66 mm,失稳破坏前跨中最 大挠度为81.44 mm,卸载后跨中残余变形为 38.98 mm。2个试验梁的荷载一位移曲线如图4 所示。由图4可知,Q345qD和O500qE工型梁的 荷载位移曲线相似,都没有明显的屈服台阶。 应变测量结果显示:Q345qD试验梁在极限荷 载作用下,跨中下翼缘纵向60 cm范围和腹板距跨 中下翼缘30cm高度处已经屈服;Q500qE试验梁 在极限荷载作用下,跨中下翼缘纵向60cm范围和 腹板距跨中下翼缘20 cm高度处已经屈服。虽然试 验梁静载试验表现为构件的失稳破坏,但在极限荷 载作用下试验梁均已形成塑性铰,此时的极限荷载 可认为是试验梁的极限承载力。 堇 框 图4 O345qD和Q500qE工型梁荷裁位移曲线 2 有限元分析 大型有限元通用软件ANSYs的弹塑性分析能 得到荷载作用下结构的全过程响应、结构的塑性极 限荷载及塑性铰的位置[6]。ANSYS程序提供了多 种弹塑性材料模型。本文采用多线性随动强化模型 (MKIN)模拟Q345qD和Q500qE的应力一应变 曲线。根据文献E23中32 mm板厚Q345qD桥梁 钢和32 mm板厚Q500qE高性能钢的母材标准拉 伸试验结果得到的应力一应变曲线,选取关键点, 得到图5所示多线性随动强化模型。 室 图5 Q345qD和Q500qE的多线性随动强化模型 采用Solid185实体单元模拟工型试验梁模型, 定义钢材弹性模量为210 GPa,泊松比为0.3。加 载区域单元尺寸为0.02 m,其他单元尺寸为0.05 m,采用映射网格划分技术,共划分69 377个节 点,44 112个单元。试验梁有限元模型如图6所 示,跨中模型如图7所示。 2.1 不考虑初始缺陷的极限承载力分析 不考虑初始缺陷条件下,有限元分析得到的 Q345qD和Q500qE试验梁的塑性发展过程如 18 中国铁道科学 第32卷 图8一图13所示。 图6工型梁分析模型 图7试验梁跨中有限元模型 图8 Q345qD梁塑性区初步形成 (P---2 320 kN,P 一1.202) 图9 Q500qE梁塑性区初步形成 (p一3 400 kN,P/ =1.219) 图10 Q345qD梁塑性区快速发展 (P=2 610 kN,P/ 一1.352) 图11 QSOOQE梁塑性区快速发展 (P一3 800 kN,P/By一1.362) 图12 Q345qD梁至极限荷载 (只 一2 750 kN,P /By一1.425) 图13 Q50OqE梁至极限荷载 (P一一3 959 kN,P~fP =1.419) 从图8一图13可以看出,2种试验梁随着作用 荷裁的增大,其塑性区逐步扩大,塑性区发展形状 类似,最后形成塑性铰,不能继续承载而发生破 坏。不同塑性发展阶段作用荷载P与材料的名义 屈服荷载P 的比值基本相等,表明2种材质试验 梁的塑性发展过程类似,安全储备基本相同。 试验和有限元分析结果表明:Q345qD试验梁 力学行为没有明显的屈服平台,这与该材料拉棒和 板状试样的拉伸特性有很大不同;尽管Q5OOqE有 较高的屈强比,但实际构件的荷载一位移曲线以及 塑性发展过程与Q345qD类似,具有较大的变形 量,可以形成塑性铰,不会出现脆性破坏。 Q5O0qE试验梁在关键荷载作用下的跨中挠度 有限元计算值与试验值的对比见表1。 表1 QSOOq ̄试验梁跨中挠度试验值和有限元计算值对比 从表中结果可以看出,除作用荷载接近破坏荷 载时的误差较大达10.6 外(这是由拉棒与试验 梁的力学行为存在差异所致),试验梁加载过程各 关键作用荷载对应的挠度有限元计算结果与试验值 基本一致,误差较小。表明本文有限元分析中选用 多线性随动强化模型模拟高性能钢的本构关系是合 理的。 2.2考虑初始缺陷的极限承载力分析 为更好地与试验结果进行对比,本文分析了试 验梁初始缺陷对承载力的影响。首先进行特征值屈 曲分析,得到1阶屈曲模态为面内失稳,2阶模态 为反对称面外失稳。然后对2阶屈曲模态施加1 9,6 第3期 Q5OOqE高性能钢工型梁极限承载力研究 的初始缺陷,进行工型梁材料和几何非线性分析, 得到极限承载力为3 901 kN,比不考虑初始缺陷 得到的极限荷载3 959 kN更加接近试验值。变形 如图14所示。试验梁破坏形态如图l5所示。比较 图14和图15可见,破坏形态类似。因此,通过引 入缺陷,可获得更符合实际的极限荷载值。 图l5工型梁实际变形图 0.86)没有出现脆性破坏。 (2)Q345qD在实际构件中的表现与材料拉捧 及板状试样的拉伸特性有很大不同,没有出现明显 图14 1=型梁仿真变形图 的屈服平台,其荷载一位移曲线以及塑性发展过程 都与Q500qE类似。 (3)Q345qD和QS00qE工型梁在不同塑性发 3结论 展阶段,作用荷载与材料名义屈服荷载的比值基本 (1)Q500qE高性能钢具有较好的塑性,当达 到极限荷载时,试验梁跨中下翼缘首先屈服,随后 相等,表明Q500qE有与Q345qD基本相同的安全 储备。 应力发生重分布,当结构变成机构,形成塑性铰 后,才发生破坏,即Q500qE试验梁(屈强比为 参 考 (4)有限元软件ANSYS能够较好地模拟高性 能钢的本构关系,即梁的力学行为。 文 献 李铁夫.铁路桥梁町靠度设计[M].北京:中国铁道出版社,2006. 张玉玲,田越.500 MPa级高强度钢在铁路钢桥中的应用前期试验研究[R].北京:中国铁道科学研究院, 2010. 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Key words:Steel bridge;Steel girder;High performance steel;Constitutive relation;Ultimate bearing capacity;Model Test;Finite element analysis (责任编辑吴彬) 《青藏铁路运营期防治高原病及健康保障关键技术研究》通过铁道部验收 2011年3月31日,由中国铁道科学研究院节能环保劳动卫生研究所承担的“十一五”国家科技支撑计划项目《青藏 铁路运营期防治高原病及健康保障关键技术研究》通过铁道部验收。 课题组通过对高原铁路站车环境富氧技术的研究,提出了高原旅客列车富氧技术条件参数、弥漫性供氧最小供氧量计 算公式、高原列车阶梯性供氧基本标准及舒适性标准和二氧化碳容许浓度标准,确立了站区供氧配置方式,建立了高原站 区富氧环境技术模型,研发出工作生活区供氧富氧系统,并在那曲站区建设了富氧技术示范工程。 通过高原列车环境因素诱发旅客急性高原病的研究,确定了列车上旅客重点预防病种、发病高峰区段和季节,提出了 旅客急性高原反应控制方案;根据人体的高原反应重要生理指标,开发了动态生理信息监控装置,建立了高原列车旅客紧 急医疗救治体系。通过高原病预防监控系统、站车环境富氧技术和旅客高原病紧急救治体系3项技术成果的实施应用,显 著降低了职业性高原病发病率,旅客急性高原病得到有效监控和及时救治,维护了青藏铁路健康、安全的运营环境。 来自铁道部部信息中心、铁科院、铁一院、中国疾病预防控制中心、军事医学科学院和北京交通大学等单位的专家经 过充分评议,一致认为:通过青藏铁路运营期高原病防控对策和技术措施的系统研究,掌握了高原列车运营环境对人体健 康的影响规律,确立了高原生理指标控制因子、职业适应性指标和列车乘务人员快速检测技术标准,提出了健康危险性预 警数学模型和远期健康影响控制策略及方案,建立了铁路运营健康监护3级体检鉴定模式和技术规范,研制了青藏铁路运 营职业健康监护信息管理系统,构建了青藏铁路运营期高原病预防监控实时信息平台。 信息来源:中国铁道科学研究院网站(2011—04—26) http://www.rails.corn.en/mj.asp?ID=2006b-AClassld=1 ̄ANClassID=3