基于主S–N曲线的钢框架梁柱焊接节点低周疲劳寿命预测

摘要

在Northridge地震(1994)和Kobe地震(1995)后发现，钢框架梁柱节点发生脆性断裂，这主要是由于钢框架梁柱节点等在地震不等幅交变载荷重复作用下承受高应力疲劳载荷，产生大量不可逆塑性应变，进而导致节点发生破坏。因此，国内外学者对梁柱节点在地震作用下的破坏模式及性能展开了研究。但是，现有的研究疲劳方法存在局限性，名义应力法忽略构件应力集中效应、结构热点应力法虽考虑应力集中但表现出网格敏感性，而Dong提出的结构应力消除网格敏感性，基于网格不敏感的结构应力和断裂力学理论，引进短裂纹和长裂纹两阶段扩展模式的等效结构应力参数，发展了基于主S–N曲线的疲劳寿命评估方法。主S–N曲线法将焊接结构的应力集中、加载模式和构件厚度统一起来评价疲劳性能，全部焊接构件类型的不同S–N数据统一于同一条主S–N曲线。因此，结合多尺度建模方法，将主S–N曲线法应用到钢框架梁柱焊接节点的疲劳寿命分析中。 首先，采用不同单元类型间的有效组合建立钢框架梁柱焊接节点的多尺度模型(梁-体二尺度模型、梁-壳-体三尺度模型、梁-体子模型)，利用网格不敏感的结构应力理论消除或减弱同一多尺度模型在不同网格尺寸下有限元解的网格敏感性，然后基于网格不敏感的结构应力分析了不同焊缝焊趾处等效结构应力与疲劳寿命；在不同的加载模式下进行梁柱焊接节点的伪静力分析，讨论了不同焊缝焊趾处的高周弹性应力疲劳与低周塑性应变疲劳；最后将实体焊接节点精细化模型植入钢框架模型，采用主S–N曲线法评估其疲劳寿命，并讨论了考虑焊接残余应力作用的焊接结构疲劳寿命。 分析表明，钢框架梁柱焊接节点的多尺度模型不仅减小了计算代价，保证了关键区域(焊缝域)的计算精度，均衡了计算代价与计算精度；主S–N曲线参数结构应力、等效结构应力、疲劳寿命免受网格效应表现出网格不敏感性，疲劳寿命评估结果也较稳定，主S–N曲线法可用于梁柱焊接节点的疲劳寿命评估；不同加载机制下梁柱焊接节点疲劳寿命由高周疲劳向低周疲劳过渡，这样的加载模式则更加接近地震反应。最后，在利用主S–N曲线时焊接残余应力已经包含在主S–N曲线试验数据里，所以在计算疲劳寿命时不需要另外考虑。因此，主S–N曲线法能为钢框架梁柱节点或其他焊接结构的疲劳寿命预测提供精准解答。

目录

声明

第 1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 课题国内外研究现状

1.3 疲劳研究方法

1.4小结

第 2章主S–N曲线基本理论

2.1 网格不敏感的结构应力理论

2.2 主S–N曲线理论

2.3 小结

第 3章基于多尺度模型的梁柱焊接节点低周疲劳评估

3.1 钢框架梁柱焊接节点的有限元模型

3.2 基于多尺度模型的结构应力

3.3 等效结构应力参数

3.4 疲劳寿命预测

3.5 小结

第 4章不同加载机制下钢框架梁柱焊接节点的低周疲劳分析

4.1 不同加载机制下梁柱节点滞回特性

4.2 不同加载机制下梁柱节点的疲劳特性

4.3 低周疲劳评估与疲劳寿命预测

4.4 小结

第 5章考虑主S–N曲线的钢框架疲劳寿命分析

5.1 钢框架的多尺度建模

5.2 基于钢框架多尺度模型的疲劳特性

5.3 小结

第 6章考虑主S–N曲线的焊接残余应力影响下焊接结构疲劳性能分析

6.1 梁柱焊接节点精细化模型

6.2 温度场与应力场的间接耦合分析

6.3 小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

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