金属屋盖构件风致疲劳损伤估计

摘要

金属屋盖体系以其自重轻、跨度大、施工简便等优点，广泛应用于大跨度屋盖结构。现有研究成果多集中于主体结构等效静风荷载和屋盖结构极值风荷载等方面，缺少针对金属屋盖构件自身特点的疲劳损伤和疲劳失效等方面的系统性研究。调查表明，金属屋盖体系在风荷载长期作用下结构构件发生疲劳损伤累积及其引起的强度、刚度的退化是造成结构失效的主因。基于此，本文从三个方面开展研究，一是根据既有风速实测数据确定金属屋盖构件的疲劳风速区间，为疲劳损伤/寿命估计提供依据;二是改进频域疲劳分析方法，使其适用于非高斯应力和多轴应力引起的疲劳损伤估计;三是考虑材料不均匀性、施工误差等因素引起的结构不确定性，提出估计不确定结构疲劳损伤的分析方法。
　　本文围绕金属屋盖构件风致疲劳损伤开展研究，论文创新之处主要体现在以下几个方面:
　　(1)提出计算金属屋盖风致疲劳风速区间的方法
　　根据工程所处地实测风速和既有风洞实验风压系数，提出计算金属屋盖构件风致疲劳风速区间的方法，为估计结构控制位置处的疲劳损伤、裂纹形成/扩展寿命以及S-N曲线参数变异性等因素对疲劳寿命的影响提供依据。本文方法基于非平稳模型定义平均风速，采用能量密度法计算非平稳平均风速的概率密度函数确定疲劳风速区间的上界;通过建立金属屋盖构件有限元模型，计算结构在疲劳风荷载作用下的动力响应，由应力阈值确定疲劳风速区间的下界。结果表明，北京地区典型金属屋盖的疲劳风速区间建议取值为1m/s到10m/s。
　　(2)提出计算非高斯单/多轴应力疲劳损伤的解析公式
　　根据金属屋盖构件风致动力响应特点，针对传统频域疲劳分析方法在考虑应力非高斯性和多轴特性存在的不足，提出计算非高斯单/多轴应力疲劳损伤期望率和方差的解析公式。该公式在Tovo-Benasciutti单轴宽带应力疲劳损伤模型的基础上，结合非高斯穿越过程计算单轴非高斯应力的疲劳损伤期望率，对Bendat公式仅能估计窄带高斯应力的局限进行改进，使其适用于单轴非高斯宽带应力损伤方差的计算。同时，引入多轴疲劳Lemaitre应力准则，提出考虑等效多轴应力强非高斯性的多轴疲劳损伤期望率和方差的解析公式。以金属屋盖构件在风荷载作用下疲劳损伤估计为例，将本文方法计算得到的疲劳损伤期望率和方差与时域方法的计算结果进行比较，验证了提出方法的准确性和适用性。
　　(3)提出估计不确定结构在随机荷载作用下的疲劳损伤分析方法
　　为解决施工误差和材料离散性引起的结构不确定性问题，将结构体系中不确定参数定义为区间变量，采用随机模型描述结构外荷载。在频域疲劳分析方法的基础上，提出估计不确定结构在随机荷载作用下疲劳损伤区间的计算方法。本文方法利用有理级数和单位对称区间显式表达不确定结构在随机荷载作用下的应力功率谱区间，根据区间泰勒公式提出带宽参数区间的显式表达式。在Tovo-Benasciutti损伤预测模型中应用顶点法组合应力功率谱区间的界限，提出计算疲劳损伤的解析公式，准确估计参数不确定结构的疲劳损伤期望率区间;并将带宽参数的界限适当组合，提出疲劳损伤期望率区间的显式公式。通过数值算例，将本文提出的随机疲劳区间分析方法与准确值进行比较，验证了本文方法的准确性和计算效率。最后，以金属屋盖风致疲劳损伤为例，分析了施工误差和材料离散性对结构疲劳损伤的影响。

目录

声明

致谢

摘要

1绪论

1．1金属屋盖构件风致疲劳的研究意义

1．2疲劳损伤／寿命估计的基本概念

1．3金属屋盖构件风致疲劳的研究现状

1．3．1平均风速的研究现状

1．3．2时域风致疲劳的研究现状

1．3．3频域风致疲劳的研究现状

1．4本文主要工作

2非平稳平均风速和疲劳风荷载预测

2．1改进时变平均风速提取方法

2．1．1非平稳平均风速模型

2．1．2改进时变平均风速提取方法

2．1．3算例

2．2平均风速的概率密度函数

2．3脉动风速的时频特性

2．4平均风速实例

2．4．1实测风速分解

2．4．2平均风速分析

2．4．3脉动风湍流强度

2．4．4脉动风速的频域特性

2．4．5脉动风速的非高斯特性

2．5金属屋盖的疲劳风荷载预测

2．5．1基于人工神经网络风压预测

2．5．2结果分析

2．6本章小结

3金属屋盖风致响应分析

3．1金属屋盖有限元模型

3．2金属屋盖风荷载

3．3金属屋盖构件的动力响应

3．3．1金属屋面板的动力响应

3．3．2金属连接件的动力响应

3．4金属屋盖构件的有效应力响应

3．5本章小结

4金属屋盖构件风致疲劳损伤时域分析

4．1时域疲劳分析方法

4．2金属屋盖构件的裂纹形成寿命

4．3裂纹形成寿命的可靠性分析

4．4金属屋盖构件的裂纹扩展寿命

4．5疲劳损伤引起的强度和刚度退化

4．5．1结构刚度退化分析

4．5．2材料强度退化分析

4．6本章小结

5金属屋盖风致疲劳损伤频域解析公式

5．1频域疲劳分析方法

5．2单轴高斯应力疲劳损伤期望解析公式

5．3多轴应力疲劳损伤期望解析公式

5．4非高斯单／多轴应力疲劳损伤期望解析公式

5．4．1非高斯穿越过程

5．4．2非高斯疲劳损伤解析公式

5．5疲劳损伤方差解析公式

5．5．1高斯应力疲劳损伤方差解析公式

5．5．2非高斯应力疲劳损伤方差解析公式

5．5．3疲劳寿命的概率分布

5．6本章小节

6基于区间理论的不确定结构疲劳损伤分析方法

6．1区间有限元理论

6．2频域动力响应分析

6．2．1区间功率谱密度

6．2．2区间谱矩和带宽参数

6．3随机疲劳损伤区间计算

6．3．1单调性证明

6．3．2随机疲劳损伤区间解析公式

6．3．3随机疲劳损伤区间显式公式

6．3．4验证

6．4金属屋盖风致疲劳算例

6．5本章小结

7．1结论

7．2展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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