大位移常幅循环加载下钢框架节点延性断裂预测

摘要

随着经济发展和社会进步，超高层建筑的高度也不断创新高。由于超高层建筑自振周期大，对长周期地震动作用更为敏感，因此，提高高层或超高层结构在长周期地震动作用下的抗震性能成为研究热点。由于我国目前的主流研究集中在结构整体层面进行弹塑性时程响应分析，构件和节点层面的研究鲜见报导，考虑长周期地震动作用影响施加相应的循环往复荷载，并借鉴微观机制方法预测钢结构节点延性断裂的可能性及开裂路径，有助于发展钢框架节点的变形能力，具有一定的理论意义。本文基于国外已有试验成果，采用ABAQUS有限元隐式分析方法，建立与试验相对应的有限元模型，施加大位移并多次往复的常幅循环荷载进行非线性分析，并充分利用后处理数据对可能发生开裂的焊缝附近部位进行延性开裂判别，探索等效塑性应变、等效应力、强化准则等不同因素对钢框架节点延性断裂的影响。主要研究内容和相关成果如下:
　　(1)提出本文利用微观开裂判据的隐式分析后处理方法。通过综合分析选用非线性分析方面具有一定优势的ABAQUS软件，对比分析隐式分析和显式分析方法的适用性，确定采用隐式分析方法。提出实际算例中采用UMAT扩展子程序后的数据存储量庞大问题，确定采用无UMAT扩展子程序的隐式分析后处理数据并利用微观开裂判据进行计算的方法。
　　(2)所提出后处理方法的有效性分析。针对已有试验中的扩大型焊孔梁柱节点、无焊孔梁柱节点，分别建立具有两种幅值的常幅加载制度，后处理中结合试验现象，提取梁柱连接处焊缝附近上翼缘的相关数据，利用微观机制结点开裂的判据进行统计和计算分析，并与试验结果进行对比。结果表明:所提出的后处理方法在预测相关部位首次开裂时刻更加准确，后续开裂时刻的判别因无单元删除处理，存在一定的计算偏差，会相对滞后。
　　(3)强化准则的影响分析。基于等向强化准则和随动强化准则，建立DSC（基于等向强化的扩大孔）系列和SSC（基于随动强化的扩大孔）系列的有限元模型，分别施加荷载幅值比3.0和2.0的常幅循环荷载，对比分析四种滞回曲线发现:DSC系列刚度退化程度较试验严重，但极限承载力的结果与试验结果相对接近;SSC系列的刚度退化程度与试验类似，但承载力相差稍大。对于延性开裂判别，SSC系列的结果与试验更加接近，因此不能单纯从承载力角度考虑强化准则的适用性，应该综合考虑承载力和刚度。
　　(4)等效塑性应变对延性断裂的影响分析。从梁柱节点焊缝附近上翼缘的开裂信息看，等效塑性应变开始呈现逐渐增大的趋势，但同一路径上的其它未开裂结点的等效塑性应变值到最后几乎不变，结合试验现象看应该是开裂速度发生转变的拐点，因计算方法的局限性仅达到该拐点。在此之前的首次开裂结点的判断，与等效塑性应变大小有着较为直接的关系。
　　(5)等效应力对延性断裂的影响分析。因上述拐点后的开裂受等效塑性应变影响较小，因此针对有焊孔节点从等效应力角度进行了相应分析。结果表明:上翼缘指定路径上的等效应力相差并不大，而且与首次开裂判断时的应力相差亦不大。但是在靠近腹板焊孔底端部位的局部应力明显偏大，起因于腹板焊孔底端应力集中影响，若始于上翼缘端部的开裂与始于腹板焊孔底端的开裂会协同作用，分析结果与试验现象相符。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．1．1 结构钢材的延性断裂机理

1．1．2 传统断裂力学方法

1．1．3 金属材料基于微观机制的断裂预测方法

1．1．4 长周期地震动作用影响下钢结构节点延性断裂的预测问题

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 金属材料断裂研究

1．2．2 钢结构焊接节点的损伤断裂研究

1．2．3 长周期地震动作用下钢结构抗震性能研究

1．3 本文研究的目的和内容

1．4 论文的构成

第2章 利用微观开裂判据的隐式分析后处理方法

2．1 ABAQUS非线性隐式分析方法

2．1．1 循环往复荷载下UMAT扩展子程序的适用性分析

2．1．2 利用微观开裂判据的隐式分析后处理方法对裂纹进行预测

2．2 本章小结

第3章 扩大孔梁柱节点的延性断裂预测

3．1 扩大孔梁柱节点加载试验概况

3．1．1 试件概况

3．1．2 荷载幅值

3．2 节点有限元模型的建立

3．2．1 材料属性

3．2．2 强化准则

3．2．3 有限元模型

3．2．4 加载说明

3．3 基于有限元分析结果的延性开裂预测

3．3．1 试验破坏状态分析

3．3．2 滞回曲线

3．3．3 梁上翼缘焊缝附近的开裂情况分析

3．4 本章小结

第4章 无焊孔梁柱节点的延性断裂预测

4．1 无焊孔梁柱节点细部构造

4．2 节点有限元模型的建立

4．2．1 强化准则

4．2．2 有限元模型

4．3 基于有限元分析结果的延性开裂预测

4．3．1 破坏状态分析

4．3．2 滞回曲线分析

4．3．3 无焊孔梁柱节点的延性断裂预测

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文、科研及实践工作

致谢