往复荷载下钢结构梁柱节点的破坏模式及其断裂预测研究

摘要

1994年美国Northridge地震和1995年日本Kobe地震的震后调查，引发了工程界对于钢框架结构梁柱连接断裂破坏的广泛研究。节点的断裂失效模式，可归结为应力集中区域的超低周疲劳（ultra-low cycle fatigue，ULCF）破坏。对于钢结构连接超低周疲劳寿命的准确预测，可以有效评价节点的转动能力和延性;同时也可作为节点抗震设计改进措施的重要参考指标。由此可见，对钢结构连接超低周疲劳破坏的预测，具有极大的研究价值。本文在对比得到相对准确的超低周疲劳预测模型基础上，进行了往复荷载下钢结构梁柱节点的破坏模式及其断裂预测研究。
　　本文将用于预测钢结构节点ULCF寿命的微观力学模型汇总整理，即CVGM模型，改良的CVGM模型，延性裂纹开展公式(DCLC)3种断裂判据。将整理的3种判据对2个钢框架梁柱节点中梁下翼缘和节点部分区域的T字形截面试件进行ULCF寿命预测，与试验结果进行对比，验证了以上3种判据对于钢结构节点ULCF寿命预测的适用性，并且对比得到一种最为准确的ULCF预测模型;分别采用实体单元和壳单元建立有限元模型进行分析，研究壳单元的适用性。用最为准确的ULCF预测模型，对节点部分区域试件由于焊接垫板根部与梁翼缘及柱翼缘连接处并未封闭而形成了初始的“人工”裂缝部位，进行ULCF寿命预测，判断最易发生ULCF断裂的位置，以研究梁柱节点在强震作用下的破坏模式。
　　以ICVGM模型为判断指标，既有窑尾框架节点为研究对象，分析焊接孔构造对于窑尾框架节点超低周疲劳性能的影响。最后，研究水泥厂窑尾框架节点的破坏模式，分析其抗震性能及超低周疲劳特性，以判别其是否符合延性设计的要求。
　　分析结果表明，ICVGM模型的超低周疲劳预测结果相对准确;对于梁柱连接的破坏模式，焊接垫板根部与柱翼缘连接处并未封闭而形成了初始的“人工”裂缝部位以及焊接孔与梁翼缘连接部位的应力集中是引发节点失效的主要原因;可分别采用将焊接垫板围焊和改善焊接孔构造形式的做法避免此类ULCF破坏的发生;在ULCF判据的工程应用方面，窑尾框架梁柱节点的延性系数大于3，总转角大于5％rad，塑性转角大于3％rad，符合延性设计要求，在强震作用下具有较好的抗震性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景及意义

1．1．1 钢结构节点断裂现象

1．1．2 基于断裂力学的钢材超低周疲劳破坏机理分析

1．2 国内外研究历史和现状

1．2．1 国外研究历史和现状

1．2．2 国内研究历史和现状

1．3 本文研究的主要内容

第二章 基于微观机理的ULCF寿命预测判据

2．1 单调加载下延性断裂预测的VGM和SMCS判据

2．1．1 空穴扩张模型(VGM)

2．1．2 应力修正临界应变模型(SMCS)

2．2 ULCF加载下的预测模型CVGM判据及其改进模型ICVGM判据

2．2．1 循环空穴扩张模型(CVGM)

2．2．2 改良后的循环空穴扩张模型(ICVGM)

2．3 钢结构延性断裂的裂纹开展公式(DCLC)

2．4 本章小结

第三章 ULCF判据对钢框架梁柱节点局部区域试件的寿命预测

3．1 局部区域试件试验概况

3．1．1 试件设计

3．1．2 加载制度

3．1．3 试验结果

3．2 钢框架梁柱节点局部区域试件ULCF寿命的FEM预测

3．2．1 材料模型及单元尺寸确定

3．2．2 边界条件及加载制度确定

3．2．3 ULCF判据的参数选取

3．2．4 试件荷载-位移曲线的有限元模拟

3．2．5 ULCF判据的对于试件的寿命预测

3．3 采用壳单元对试件的ULCF寿命预测

3．3．1 有限元模型的建立

3．3．2 试件荷载-位移曲线的对比

3．3．3 采用壳单元模拟试件的ULCF寿命预测

3．3．4 分别采用壳单元和实体单元模拟ULCF断裂的结果对比

3．4 本章小结

第四章 钢结构梁柱连接焊接垫板位置的断裂破坏

4．1 地震中观测到的梁柱焊接连接破坏模式

4．1．1 Northridge地震中观测到的破坏模式

4．1．2 阪神地震中观测到的破坏模式

4．2 节点连接的破坏原因分析

4．3 “人工”裂缝导致ULCF断裂破坏的分析思路

4．4 对“人工”裂缝1位置的ULCF寿命预测

4．4．1 有限元模型的接触设置

4．4．2 等效塑性应变(PEEQ)的分布

4．4．3 裂缝向焊接垫板扩展的断裂预测

4．4．4 裂缝向梁翼缘扩展的断裂预测

4．4．5 对于“人工”裂缝1构造缺陷的改进措施

4．5 对“人工”裂缝2位置的ULCF寿命预测

4．5．1 有限元模型的建立

4．5．2 等效塑性应变(PEEQ)的分布

4．5．3 裂缝向梁翼缘扩展的断裂预测

4．5．4 裂缝向熔敷金属扩展的断裂预测

4．5．5 对于“人工”裂纹2构造缺陷的改进措施

4．6 本章小结

第五章 焊接孔构造对于窑尾框架节点超低周疲劳性能的影响

5．1 水泥厂窑尾框架节点构造

5．2 不同焊接孔构造形式及尺寸

5．3 节点有限元模型的建立

5．3．1 材料模型、接触及单元尺寸的确定

5．3．2 边界条件及加载制度确定

5．4 不同焊接孔构造形式节点的超低周疲劳预测

5．4．1 不同焊接孔构造形式节点的应力集中位置

5．4．2 圆弧形切角半径对于焊接孔破坏的影响

5．4．3 扩大圆弧形切角长度对于焊接孔破坏的影响

5．5 本章小结

第六章 水泥厂窑尾框架节点抗震性能研究

6．1 水泥厂窑尾框架结构节点概述

6．2 在强震下节点的损伤退化形式

6．3 窑尾框架梁柱节点的超低周疲劳断裂预测

6．3．1 窑尾框架梁柱节点的滞回曲线及骨架曲线

6．3．2 窑尾框架节点破坏模式的探究

6．3．3 窑尾框架节点塑性铰位置的断裂预测

6．4 窑尾框架梁柱节点的转动能力指标

6．4．1 延性系数

6．4．2 梁端塑性转角和总转角

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢