钢框架节点局部断裂的冲击作用及断裂后整体结构的动力性能

摘要

经过1994年美国加州Northridge地震和1995年日本阪神大地震以后，人们发现钢框架结构表现不尽如人意，出现了大量的焊接节点断裂破坏，这说明钢框架结构的抗震耗能能力没有预想中那样优秀。针对焊接节点断裂现象的研究，目的在于理解节点破坏的原因和影响因素，并为节点的抗震设计提供理论依据。钢框架节点断裂所产生的冲击作用和节点断裂后对整体结构动力性能的影响是本文探讨的两大主题。本文在评述国内外本课题相关领域研究现状的基础上，从理论和试验两个方面对这两大主题进行研究。首先从理论上确定了钢框架节点局部断裂所产生冲击作用的性质。钢框架在地震荷载作用下，梁翼缘裂纹经过稳定的扩展达到失稳临界状态，裂纹失稳断裂。在这个断裂瞬间，梁断裂翼缘在很短的时间内丧失抗拉能力，梁丧失大部分抗弯承载能力。而结构系统受到的外荷载仍然保持作用，这就使结构系统在断裂瞬间受到一个非平衡力系的作用，这种作用是在很短的时间内发生的，相当于非平衡力系对断裂后的结构产生一种冲击作用。也就是说一个构件承载能力的突然丧失，必然使原先的平衡力系失去平衡，这种突然地不平衡会对结构产生瞬时的冲击作用，并因此对结构的性能带来一定的影响。在明确冲击作用的性质后，通过分析量化这种冲击作用及其最危险情况。真实钢框架结构节点断裂发生过程中，这种冲击作用究竟是多少，冲击作用作用在断裂后的结构上时产生的效应又是怎样的。本文以试验的方式将节点断裂冲击作用的过程再现，通过测定断裂过程中结构外荷载、内力和变形这些参量之间的关系，来确定实际断裂过程中冲击作用所带来的冲击效应。再通过有限元分析软件对节点断裂进行冲量分析。通过试验和计算分析对冲击作用的影响进行评价。钢框架梁柱节点在发生断裂破坏后并非完全失效，往往还具有一定的承载能力，在出现节点破坏的钢结构中，并未出现整体或局部倒塌现象。节点发生断裂使结构动力性能发生改变，针对受损结构的研究是目前结构抗震研究的一个重要课题方向。为再现结构在地震作用下的这种性能，编制了一个能较好反应节点断裂行为的动力计算程序。针对节点断裂的现象，本文参考一种建立在J积分基础上的弹塑性断裂理论。该理论的断裂准则采用了J积分理论和ERPI推荐的简化算法，推导了采用分段直线刚度本构关系J积分计算公式，建立了裂纹失稳扩展的稳定性评定图，考虑了裂纹累计损伤，综合运用损伤和断裂力学，提出疲劳裂纹扩展方程。本文研究的是考虑节点断裂的钢框架的性能，因此引用一种弹塑性轴向弹簧模型，该模型考虑了塑性发展深度来模拟构件的恢复力。在引入断裂机制后，对于采用杆端离散轴向弹簧模型的模拟方法，轴向弹簧必须进行相应的修正来模拟裂纹开展的影响。裂纹的存在对于构件的影响，主要体现在刚度和强度的双重退化上。考虑了裂纹的闭合效应后，拉压区的蜕化程度可能是不同的，同时卸载模式也发生了变化，这些都会引起整个节点滞回特性的变化。同时，由于在计算中，不同于一般的材料弹塑性模型，失稳断裂的发生，表现为刚度和强度的突然丧失。这种数学上的突变，极易引起数值积分算法的发散，必须采用适当的算法和修正措施来改善计算的收敛性。综合以上，在动力程序ROMEO基础上编制了考虑节点断裂的动力程序。首先验证考虑钢框架节点局部断裂的动力程序的可靠性和准确性。然后针对体系构成相对简单的几个基本模型进行动力分析，根据结构节点是否断裂的不同计算结果，对比分析钢框架节点局部断裂对整体结构的影响。最后构造一个近似于真实结构的较复杂的多层多跨框架结构，重点分析其在节点发生断裂前后的动力性能。最后，对于需进一步研究的课题进行了讨论。关键词：钢框架，节点断裂，冲击作用，试验研究，数值模拟，动力性能

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2研究现状及最新进展评述

1.2.1钢框架梁柱节点设计

1.2.2节点震害现象

1.2.3节点断裂原因的研究

1.2.4节点断裂的数值分析方法

1.2.5节点断裂释放的能量和冲击作用

1.2.6节点断裂后整体结构动力性能

1.2.7节点脆性断裂的预防

1.3本文研究工作

1.3.1节点局部断裂释放的能量和冲击作用

1.3.2考虑节点弹塑性断裂理论的动力程序

1.3.3节点断裂后整体结构动力性能

第二章 钢框架节点局部断裂的冲击作用

2.1引言

2.2节点局部断裂的能量释放

2.2.1杆件节点断裂释放的能量

2.2.2杆件应变能

2.3节点局部断裂的冲击作用

2.3.1基本假定

2.3.2非平衡力系的冲击作用

2.3.3能量释放的冲击作用

2.4小结

第三章 节点局部断裂冲击作用试验研究和分析

3.1引言

3.1.1试验目的

3.1.2技术路线

3.2单杆拉伸断裂试验

3.3结构断裂试验

3.3.1试验设计

3.3.2测试方案

3.3.3加载方案

3.3.4试验过程

3.3.5测试结果

3.4试验分析

3.4.1断裂起始时刻确定

3.4.2断裂终止时刻的确定

3.4.3节点局部断裂的冲击效应

3.5节点局部断裂冲击效应分析值

3.5.1冲击作用分析值

3.5.2冲击效应静力分析值

3.5.3冲击效应动力分析值

3.6小结

第四章 考虑节点弹塑性局部断裂的动力程序

4.1引言

4.2建立在J积分基础上的弹塑性断裂理论

4.2.1断裂参量及断裂准则的选取

4.2.2反复荷载下裂纹扩展方程

4.3杆端轴向离散弹簧模型概述

4.3.1构件刚度分布模型

4.3.2弹塑性单元的假定

4.3.3弹塑性轴向弹簧的设置

4.3.4弹塑性轴向弹簧的恢复力模型

4.4考虑断裂行为后轴向弹塑性弹簧力学模型的修正

4.4.1强度和刚度的修正

4.4.2卸载模式的修正

4.5考虑断裂行为后的动力程序

4.5.1算法稳定性

4.5.2中心差分法

4.5.3位移增量控制法

4.5.4强度突降时的不平衡力消解

第五章 节点局部断裂后整体结构动力性能

5.1引言

5.2基本模型节点局部断裂后动力性能

5.2.1单自由度模型

5.2.2单层框架模型

5.2.3两层单跨模型

5.2.4小结

5.3多层多跨框架模型节点局部断裂后动力性能

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

致谢

参考文献

附录 节点局部断裂冲击作用试验附图

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果