既有工业建筑钢结构疲劳损伤及寿命可靠度分析

摘要

由于质量轻，抗震性能好，工业建筑钢结构被广泛用于工业生产活动中，其中，以工业厂房钢结构最为常见。由于疲劳荷载的不断作用，在既有工业建筑钢结构的应力集中区域往往会发生疲劳失效，特别是焊缝等具有先天缺陷的部位。在服役荷载作用下这些缺陷常会导致微裂纹的萌生与演化，进而产生宏观裂纹，并最终引发结构失效。为了研究既有工业建筑钢结构易损局部疲劳失效的规律，本文建立了面向既有工业建筑钢结构疲劳寿命分析的多尺度建模策略，并以某既有钢结构电炉管坯连铸主厂房为例，建立了包含易损局部的多尺度有限元模型，对易损局部损伤累积致宏观裂纹扩展的失效过程进行了多尺度模拟与分析，并基于不同理论对易损局部的疲劳寿命进行评估。同时考虑到疲劳裂纹扩展的随机性，对结构关键构件的可靠度指标进行了计算与分析。本文完成的研究工作及其结论如下： 1）为研究服役荷载作用下既有工业建筑钢结构疲劳性能的劣化规律，建立了面向既有工业建筑钢结构疲劳寿命评估的有限元建模策略。以某既有钢结构电炉管坯连铸主厂房为例，建立包含易损局部的结构疲劳损伤多尺度有限元模型和以吊车竖直荷载为主的服役荷载模型，并对模型的合理性进行了验证。结果表明，取变截面跨及其相邻等截面跨的厂房简化方式是合适的，多尺度有限元模拟的吊车梁跨中最大下挠度与实际疲劳检测结果的相对差值为3.9%，且有限元数值模拟得到的应力强度因子与其对应的解析解相对差值为4.3%，说明建立的有限元模型是可信的。 2）以某既有钢结构电炉管坯连铸主厂房为例，采用不同损伤理论对服役初期结构关键构件易损部位的疲劳损伤累积进行了多尺度模拟与分析，实现了面向既有工业建筑钢结构服役初期裂纹萌生寿命的评估。不同服役荷载模型和损伤理论下的寿命评估结果不一致，基于Lemaitre高周疲劳损伤理论的计算结果表明，易损局部损伤累积曲线在初期较为平缓，当损伤累积值超过0.4时，损伤累积速率明显加大，与之相比，基于线性Miner疲劳损伤理论的损伤累积预测曲线呈线性上升趋势，疲劳寿命评估结果较为保守。 3）以某既有钢结构电炉管坯连铸主厂房为例，对易损部位裂纹的扩展进行了模拟与分析，实现了面向既有工业建筑钢结构服役中后期裂纹扩展寿命的评估。本文给出了变幅荷载作用下等效应力强度因子幅的表达式，能较好的应用于裂纹的扩展分析中。当主要部位裂纹深度超过5mm时，裂纹扩展速率明显加快。同等循环次数下，主要部位裂纹扩展速率远大于其它部位，剩余寿命相对较小。不同部位出现裂纹对构件其它部位疲劳性能劣化的影响程度不一致，主要部位裂纹的存在对其它部位疲劳性能劣化的影响更大。 4）建立了面向既有工业建筑钢结构关键构件寿命可靠度分析的评估策略。以某既有钢结构电炉管坯连铸主厂房为例，建立了适用于钢吊车梁裂纹扩展分析的极限状态方程，通过蒙特卡洛法对不同服役年限下的可靠度指标进行了数值计算。结果表明，易损局部可靠度指标随时间的增长而逐渐减小，并且减缓的速率越来越小。直角式钢吊车梁插板与封板的连接焊缝可靠度指标大小衰减最为严重，工程检测中应特别注意此处裂纹是否出现。

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