荷载与地下环境耦合作用下H型钢梁锈蚀特征及力学性能研究

摘要

地下腐蚀环境一般是以硫酸盐为主的环境。在地下环境中使用的钢梁、钢柱等钢构件锈蚀较为严重，对工程安全造成严重威胁。本文采用试验研究、数值模拟、理论分析相结合的方法对荷载与硫酸盐环境耦合作用下锈蚀 H型钢梁的锈蚀率、表面特征、承载性能以及可靠度等方面进行系统的研究。
　　坑蚀是一种常见锈蚀形态，钢材发生坑蚀后表面产生大小不同的蚀坑。由于锈蚀钢材表面非常不规则，这就导致对蚀坑尺寸、最小横截面积等参数的测量带来了困难。因此，本文首先通过机械钻铣的方法在钢板上制作不同尺寸的椭圆形盲孔用以模拟蚀坑，研究蚀坑大小、深度、宽度、分布等因素对Q235钢材名义屈服强度、名义极限强度、伸长率等力学性能的影响，并探究这些因素对Q235钢材拉伸荷载位移曲线的影响。结果表明，名义屈服强度、伸长率明显受到蚀坑深度、蚀坑分布的影响。含蚀坑钢材极限荷载与最小横截面积有关。蚀坑对Q235钢材荷载位移曲线有显著影响，蚀坑越深，分布越密，屈服平台退化越严重。除此以外，定义断裂因子，并对含蚀坑Q235钢材的断裂位置进行分析，结果表明钢材在断裂因子较大截面处发生断裂。
　　通过ABAQUS有限元软件建立具有不同尺寸单蚀坑和多蚀坑的钢板模型，研究蚀坑深度、蚀坑宽度、蚀坑间距、蚀坑夹角等因素对蚀坑最大等效应力、最大塑性应变以及应力三轴度的影响规律。并对含蚀坑钢板最先破坏点进行了探究。结果表明，蚀坑底部和垂直于荷载方向横向侧面的等效应力在钢板整个受力过程中始终大于其它部分。蚀坑底部单元首先失效，随后向横向扩展，导致钢材断裂。钢材屈服前蚀坑底部等效应力随加载时间呈线性增长，屈服后蚀坑底部等效应力随加载时间非线性增长。颈缩以后，由于蚀坑底部处于三轴应力状态，蚀坑底部等效应力继续增长。蚀坑底部等效塑性应变在颈缩前随加载时间呈线性增长，在颈缩后随加载时间呈非线性增长。蚀坑底部应力三轴度越大，钢材断裂时的等效塑性应变越小。通过分析蚀坑底部曲率、间距、夹角等参数对应力三轴度的影响，并对现有金属延性断裂模型进行改进，得到了含蚀坑钢材延性断裂模型。
　　通过对不同荷载比作用下的Q235钢材在硫酸盐环境下进行锈蚀，研究不同荷载比作用下锈蚀钢材表面形貌的发展过程。采用分形理论中的差分盒维数对锈蚀表面进行定量表征。结果表明，不管是受力还是非受力试件，其表面形貌的发展都具有三个阶段：锈蚀初期，锈蚀中期和锈蚀后期。锈蚀初期出现局部坑蚀，锈蚀中期为均匀锈蚀和局部坑蚀共同存在，锈蚀后期则以均匀锈蚀为主。荷载加速了表面形貌前两个阶段的发展。受力试件和非受力试件其锈蚀表面形貌都具有分形特征。差分盒维数可以表征锈蚀钢材表面的粗糙程度，差分盒维数越大锈蚀表面越不均匀。通过对锈蚀钢材剩余厚度进行统计分析，发现受力和非受力试件其锈蚀后的剩余厚度服从正态分布，并建立了锈蚀钢材剩余厚度概率模型。
　　采用失重法表征锈蚀Q235钢材的锈蚀率，研究不同荷载比对Q235钢材锈蚀率的影响。结果表明，锈蚀率随外加应力的增加呈非线性增长。同时，推导了Q235钢材在荷载存在条件下的锈蚀率计算模型。通过单向拉伸试验获得荷载与硫酸盐环境耦合作用下锈蚀钢材断裂形态和屈服荷载、极限荷载、伸长率等力学性能，研究锈蚀率和荷载比对锈蚀钢材断裂形态及力学性能的影响。结果表明，锈蚀试件主要有四种断裂形态：平断裂形态，斜断裂形态，阶梯断裂形态和多处断裂形态。随着锈蚀程度的增加，锈蚀试件发生阶梯断裂形态和多处断裂形态的概率增大。锈蚀钢材荷载位移曲线与未锈蚀钢材相比发生了明显变化，锈蚀钢材的屈服平台明显变短甚至消失，颈缩阶段也出现消失的现象。锈蚀钢材的名义极限强度随锈蚀率的增加呈较好的线性递减关系，荷载比的存在会增加锈蚀钢材名义极限强度的降低速度。锈蚀钢材的名义屈服强度随着锈蚀率的增加同样线性减小。伸长率随锈蚀率的增加呈非线性降低。同时，探究锈蚀率、荷载比与锈蚀钢材力学性能之间的关系，并通过二次回归分析建立锈蚀Q235钢材力学性能经验计算公式。
　　通过对锈蚀 H型钢梁进行硫酸盐环境下持载锈蚀，并通过四点弯曲试验，研究不同荷载比作用下、不同锈蚀率的H型钢梁破坏形态及承载性能。结果表明，锈蚀钢梁（如无特殊说明，下文钢梁均指 H型钢梁）破坏模式为加载点附近受压翼缘屈曲，并未发生整体失稳破坏。锈蚀钢梁的极限承载力及跨中挠度分别随着锈蚀率、荷载比的增大而减小。锈蚀钢梁的荷载位移曲线可分成线性上升段，近似水平段，过渡段。锈蚀钢梁荷载位移曲线线性上升段的斜率随着锈蚀率及荷载比的增大而减小，近似水平段的斜率随着锈蚀率及荷载比的增大而降低。采用ABAQUS软件对局部锈蚀H型钢梁承载性能进行有限元分析。结果表明，钢梁的破坏形态会因翼缘、腹板在纯弯段或剪跨段发生锈蚀而改变。翼缘或腹板无论是在纯弯段还是在剪跨段发生锈蚀都会导致钢梁的承载力下降，在剪跨段发生锈蚀对承载力的降低幅度大于在纯弯段发生锈蚀。
　　通过BP神经网络建立了锈蚀H型钢梁承载力预测模型并得到了荷载位移曲线经验计算公式。通过平均截面法和考虑应力的平均截面法分别推导了锈蚀H型钢梁承载力计算公式。结果表明，这两种方法得到的计算结果与实测结果较为吻合。最后，分析了锈蚀 H型钢梁的可靠度随锈蚀率的变化规律，发现锈蚀H型钢梁可靠度随锈蚀率的增加非线性减小，且减小速度变慢。

目录

声明

致谢

变量注释表

1. 绪论

1.1 研 究 背 景 与 研 究 意 义 (Research Background and Significance)

1.2 国内外研究现状(Domestic and foreign status)

1.3 主要研究内容(The main research contents)

1.4 技术路线(Technical route of this article)

2. 坑蚀对钢材抗拉性能影响的试验研究

2.1 引言(Introduction)

2.2 试验方案(Testing program)

2.3 断裂位置分析(Fracture location analysis)

2.4 荷载-位移曲线(Load displacement curve)

2.5 力学性能分析(Mechanical analysis)

2.6 伸长率及极限荷载预测经验模型(Empirical model for prediction of elongation and ultimate load)

2.7 本章小结(Chapter summary)

3. 含蚀坑钢材数值模拟分析及延性断裂模型

3.1 引言(Introduction)

3.2 钢材单轴拉伸试验有限元模拟(Finite element simulation of steel under uniaxial tension test)

3.3 光滑钢板单向拉伸有限元模拟结果(Finite element simulation results of smooth steel plate under uniaxial tension test)

3.4 含单蚀坑钢板有限元模拟(FE simulation of steel plate with one corrosion pit)

3.5 含多蚀坑钢板有限元模拟(The FE simulation of steel plate with multi corrosion pits)

3.6 含蚀坑钢板延性断裂模型(Fracture model of steel plate with corrosive pits)

3.7 本章小结(Chapter summary)

4. 荷载与地下环境耦合作用下锈蚀钢材表面特征研究

4.1 引言(Introduction)

4.2 锈蚀钢材表面形貌获取(Obtaining surface morphology of corroded steel)

4.3 锈蚀表面形貌特征及分形表征(Corrosion surface morphology and fractal characterization)

4.4 锈蚀钢材剩余厚度统计分析及概率模型(Statistical analysis and probability model of remaining thickness of corroded steel)

4.5 本章小结(Chapter summary)

5. 荷载与地下环境耦合作用下锈蚀钢材力学性能研究

5.1 引言(Introduction)

5.2 试验概况(Test overview)

5.3 锈蚀率发展规律及预测模型(Development of corrosion ratio and prediction model)

5.4 拉伸试件断裂形态（Fracture morphology of tensile specimen）

5.5 荷载位移曲线退化规律(Degradation law of load displacement curve)

5.6 力学性能退化规律及预测模型(Degradation law and prediction model of mechanical properties)

5.7 本章小结（Chapter summary）

6. 荷载与地下环境耦合作用下 H 型钢梁承载力试验研究及有限元分析

6.1 引言(Introduction)

6.2 试验概况(Test overview)

6.3 试验结果及分析(Test results and analysis)

6.4 锈蚀H型钢梁承载性能有限元分析(Finite element simulation on bearing behavior of corroded H steel beam)

6.5 本章小结（Chapter summary）

7. 荷载与地下环境耦合作用下 H 型钢梁承载力计算模型及其可靠性分析

7.1 引言(Introduction)

7.2 锈蚀钢梁极限承载力及跨中挠度 BP 神经网络预测模型(BP nerve network predicted model of ultimate load and mid-span deflection of corrosive steel beam)

7.3 基于BP神经网络锈蚀钢梁荷载位移曲线模型(Load-displacement curve model of corrosive beam based on BP neural network)

7.4 承载力计算的平均截面法(Average section method for calculation of bearing capacity)

7.5 承载力计算的考虑应力的平均截面法(The method of average section considering stress for calculation of bearing capacity)

7.6 锈蚀H型钢梁可靠度指标分析(Reliability index analysis of corrosive H steel beam)

7.7 本章小结(Chapter summary)

8.1 结论(Conclusions)

8.2 创新点(Innovation)

8.3 未来工作展望(Prospects for future work)

参考文献

作者简介

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