摘 要

网架结构是如今应用最广泛的一种空间结构形式，在使用期间难免受到周期循环荷载和风荷载的反复作用，使结构产生疲劳损坏，造成严重损失。为保证网架结构的使用安全，有必要研究其在周期循环荷载和风荷载作用下的疲劳性能。本文以一简单焊接网架结构为结构模型，根据Miner理论，S-N曲线以及雨流计数法探究其分别在正弦荷载和随机风荷载作用下的疲劳损伤。所得结果对于研究焊接网架结构风致疲劳损伤具有重要的指导意义。具体内容如下：

1. 利用ANSYS有限元软件建立了平面正交正放四角锥焊接网架结构的有限元模型，并通过模态分析获得该网架结构的自振频率。该网架结构较简单，自振频率较低且密集，符合网架结构频率分布密集的特点。

2. 介绍了疲劳损伤的分析步骤：运用时程分析法得到杆件应变谱，再结合S-N曲线得到单个循环的疲劳损伤，利用雨流计数法统计应变幅值和循环次数，最后基于Miner线性累计损伤原理得到结构杆件疲劳累积损伤值D。本文根据上述理论对焊接网架结构进行了风致疲劳损伤分析。

3. 探究了网架结构在正弦荷载作用下的疲劳性能。通过改变简谐荷载的幅值、角速度、作用方向以及作用点个数来探讨以上因素对网架结构疲劳损伤的影响。研究结果表明上述因素对结构疲劳均有不同的影响。

4. 研究了网架结构在随机风荷载作用下的疲劳性能。利用谐波叠加法并根据风速与风压的变换关系得到了风速分别为25m/s和45m/s的模拟风荷载。将上述模拟风荷载施加在结构上并对其进行疲劳性能分析。因所建立的网架结构高度较低，跨度较小且结构较简单，在这两种工况下未能发生疲劳损伤。

关键词：网架结构；ANSYS；正弦荷载；随机风荷载；疲劳损伤

Abstract

Today space truss structure is the most widely used space structure, cycle cyclic load and Wind load during use could cause structural fatigue damage, resulting in serious damage. In order to ensure the safety of the use of grid structure, it is necessary to study its fatigue performance under cyclic load and wind load. This article use a simple welded grid structure as structural model, explore the fatigue damage under cycle cyclic load and random wind load according to Miner theory, S-N curve and rain flow counting method. The results are of great significance to study the wind induced fatigue damage of welded grid structure. The main contents are as follows:

1. Establishing finite element model of a planar orthorhombic quadrangular pyramid welded grid structure by using ANSYS software, and obtain the natural frequency of the grid structure by modal analysis. The space truss structure is relatively simple, and the natural frequency is low and dense, Constituting with the characteristics of the grid structure.

2. The analysis steps of fatigue damage are introduced: first obtain stem strain spectrum by time history analysis, then obtain single cycle damage according to S-N curve, and the strain amplitude and the number of cycles are calculated by using the rain flow counting method, finally obtain the fatigue damage of the structural bar according to Miner theory. This work explore the wind load causes fatigue of the welded grid structure according to the above theory.

3. The fatigue performance of the truss structure under the sinusoidal load is explored. This work discusses the influence factors on fatigue damage of grid structure by changing the amplitude, angular velocity, the direction of action and the number of action points of the harmonic load. The results show that the above factors have different effects on structural fatigue.

4. The fatigue performance of the truss structure under random wind load is studied. Obtaining simulated wind speeds of 25m / s and 45m / s wind loads, respectively, using the harmonic superposition method and according to the wind speed and wind pressure transformation relationship. The simulated wind load is applied to the structure and subjected to fatigue performance analysis. Because of the establishment of the grid structure is low, the span is small and the structure is relatively simple, in these two conditions failed to fatigue damage.

Key words: space truss structure; ANSYS; Sinusoidal load; random wind load; fatigue damage

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 疲劳损伤分析现状 2

1.2.1 疲劳的概念 2

1.2.2 国外疲劳研究历史 3

1.2.3 我国疲劳研究现状 3

1.2.4 疲劳开裂机理 4

1.3 本文的主要研究内容 5

第2章 网架结构疲劳损伤分析的基本原理 6

2.1 引言 6

2.2 疲劳性能分析步骤 6

2.3 有限元法 8

2.4 S-N曲线 10

2.5 Miner线性累积损伤理论 11

2.6 雨流计数法 13

2.7 本章小结 14

第3章 网架结构有限元模型的建立 16

3.1 引言 16

3.2 建立有限元模型 16

3.3 网架结构的自振频率和振型 18

3.4 本章小结 18

第4章 网架结构在简谐荷载下疲劳损伤分析 20

4.1 前言 20

4.2 简谐力幅值对网架疲劳的影响 20

4.3 简谐力作用点个数对疲劳损伤的影响 22

4.4 简谐力角速度对疲劳损伤的影响 23

4.4.1 x方向简谐力对疲劳损伤的影响 24

4.4.2 y方向简谐力对疲劳损伤的影响 25

4.4.3 z方向简谐力对疲劳损伤的影响 27

4.5 本章小结 28

第5章 网架结构在随机风荷载下疲劳损伤分析 30

5.1 引言 30

5.2 风的特性 30

5.3时域分析法 30

5.4 网架结构的风荷载模拟 31

5.4.1脉动风的模拟方法 31

5.4.2网架模型的风荷载模拟 32

5.5 网架结构风致疲劳计算 35

5.6 本章小结 36

第6章 结论与展望 37

6.1 结论 37

6.2 展望 37

参考文献 39

致 谢 41

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

在各种形式的空间结构当中，网架结构是最常使用的一种空间结构形式。因其用料经济，便于工厂化生产，便于工地安装，抗震性能好等优点，能够适应不同的要求，得到国内外广泛地应用。其中焊接连接是网架结构最常使用的连接方式之一。因其省工，无需打孔钻眼；节约材料，使材料得以充分运用；密封性能好；连接刚度大；生产效率高等优点，目前被广泛应用于网架结构中。

在我国，网架结构从20世纪80年代初开始发展，90年代开始大范围应用，目前仍然朝气蓬勃，经久不衰，发展规模在全世界位居前列。网架结构的应用范围不断扩大，目前已经涉及到工业厂房，大型公共建筑,大型机库等重要的关系民生的建筑。但在周期循环荷载和风荷载的反复作用下，因结构构件应力不断变化，可能造成结构的疲劳损伤，损伤累积甚至可能使结构发生疲劳破坏。因风荷载造成疲劳损伤而出现工程事故的现象在国内外均有发生。

如1926年，美国一座10多层高的名为迈雅—凯泽（Meyer-kiser）的大楼在大风作用下造成了钢框架塑性变形。在风中，因大楼剧烈摇晃让人感到不安感^[1]。2004年，巴黎机场的2E候机厅屋顶发生坍塌。经交通部调查表明，圆形钢结构支柱与候机厅顶棚的连接处一开始存在裂纹，经长期自然风作用，初始裂纹不断向临界裂纹发展，导致损伤累积，连接处毫无预兆突然发生断裂，从而导致候机厅顶棚发生倒塌事故^[2]等等。