钢管混凝土T型节点疲劳裂纹应力强度因子研究

摘要

钢管混凝土结构以其优良的性能，广泛地应用于结构工程和海洋工程领域。在服役过程中，钢管混凝土结构长时间承受着海浪、风和车辆等循环荷载的作用，因而其相贯焊接节点的疲劳问题较为突出。近年来，更注重疲劳损伤发展的断裂力学法逐渐成为疲劳研究的发展方向。在断裂力学中，应力强度因子是和疲劳裂纹扩展速率相关的重要物理量，因而准确有效地计算应力强度因子并明确及量化其受控因素，是断裂力学法应用于管节点疲劳研究的一个重要环节。　　本文以钢管混凝土T型节点为对象，通过有限元方法对节点主管焊趾处裂纹的应力强度因子(形状系数)进行了研究。本次研究首先利用有限元软件ANSYS对T型节点进行了参数化建模和分析，探究了几何参数(β、γ和τ)对热点应力集中系数SCF的作用规律；再通过三维裂纹分析软件FRANC3D对已建成的有限元模型引入裂纹，分析了结构几何参数及裂纹形态对裂纹最深点形状系数Y的影响；最后结合T型焊接接头应力强度因子经验公式，探讨了Y和SCF的联系，评估了该公式对钢管混凝土节点应力强度因子求解的适用性，并基于本文数据对T型接头公式进行了相应的修正。　　经过上述探索和分析，得出了以下结论：(1)就主管焊趾处的SCF而言，β主要改变了SCF沿相贯线的分布模式，β的增大使SCF在冠点附近升高而在鞍点附近降低；γ的增大使相贯线上的SCF都得到了提升，但其对鞍点附近SCF的提升幅度总比冠点附近的大；τ的的变化不改变SCF的分布模式，两者在数值上呈显著的线性关系。(2)在支管轴向拉力作用下，主管焊趾处垂置于钢管表面的裂纹受Ⅰ型开裂模式的驱动，即表现为裂纹表面的相对张开与分离。(3)主管冠点焊趾处裂纹最深点的Ⅰ型形状系数YI随裂纹深厚比的增大而减小，而应力强度因子则表现为先上升后下降的变化模式；YI随裂纹长度的扩大而增大，但其增速逐渐放缓。(4)YI和SCF关于结构几何参数的变化图线的起伏趋势基本一致，且满足一定的比例关系；几何参数对YI的影响主要是通过改变裂纹所在位置处的SCF而实现的。(5)T型焊接接头应力强度因子经验公式对钢管混凝土节点具有一定的适用性，意味着钢管混凝土节点的应力强度因子可以通过热点应力进行一定的计算来获得。(6)利用T型接头公式获得的YI预测值大致为相应有限元计算值的1.04~1.34倍，且公式的准确性随裂纹深度的增加而降低，同时β的增大亦会使误差增大。(7)经修正后的T型接头公式和本文有限元结果吻合良好；在一定条件下，该修正公式可以作为钢管混凝土节点应力强度因子计算的参考公式。

目录

声明

第 1 章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 钢管混凝土结构的发展概况

1.1.2 管节点的构造

1.1.3 管节点的疲劳问题

1.2 管节点疲劳性能的评估方法

1.2.1 名义应力法

1.2.2 热点应力法

1.2.3 缺口应力法

1.2.4 断裂力学法

1.3 管节点疲劳问题的研究现状

1.3.1 空钢管节点

1.3.2 钢管混凝土节点

1.4 本文所做的工作

第 2 章 应力强度因子的概念和求解

2.1 断裂力学基本介绍

2.2 应力强度因子的概念

2.2.1 裂纹尖端附近的应力场和位移场

2.2.2 应力强度因子的定义

2.3 应力强度因子的求解方法

2.3.1 解析法

2.3.2 有限元法

2.3.3 试验法

2.4 本章小结

第 3 章 有限元模型的构建与计算

3.1 建模思路与过程

3.1.1 模型设计

3.1.2 模型的建立与优化

3.2 计算结果的分析及数据处理

3.2.1 计算结果的总体描述和阐释

3.2.2 热点应力外推指标及外推方法的选取

3.3 有限元结果的验证

3.3.1 结果收敛性验证

3.3.2 模型可靠性验证

3.4 本章小结

第 4 章 热点应力集中系数的参数化研究

4.1 几何参数组的构建及应力集中系数的计算结果

4.2 几何参数对典型位置处SCF的影响

4.2.1 主管一侧

4.2.2 支管一侧

4.3 几何参数对主管SCF分布的影响

4.4 几何参数对主管SCF最大值的影响

4.5 本章小结

第 5 章 含裂纹有限元模型的构建与计算

5.1 管节点疲劳裂纹的计算假定与模型简化

5.2 含裂纹的管节点有限元模型的构建

5.2.1 FRANC3D对裂纹的引入方式

5.2.2 子模型的原理及建立

5.2.3 裂纹的引入及有限元模型的建立

5.3 含裂纹有限元模型的计算结果及其验证

5.3.1 计算结果阐述

5.3.2 模型可靠性验证

5.4 本章小结

第 6 章 应力强度因子的参数化研究

6.1 应力强度因子分析的参数设置及有限元结果

6.2 管节点几何参数的影响

6.2.1 冠点处

6.2.2 热点应力最大处

6.3 裂纹形状及尺寸的影响

6.3.1 深厚比的影响

6.3.2 长深比的影响

6.4 形状系数和应力集中系数变化规律的对比

6.5 本章小结

第 7 章 应力强度因子的经验公式

7.1 含半椭圆形裂纹平板应力强度因子的计算公式

7.2 T型焊接接头焊趾处裂纹应力强度因子计算公式

7.3 T型接头应力强度因子公式对钢管混凝土节点的预测结果

7.3.1 裂纹形状系数和热点应力集中系数的联系

7.3.2 公式预测值和有限元模型计算值的对比

7.4 T型接头应力强度因子公式的修正

7.5 本章小结

结论与展望

一、结论

二、展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果