基于应变修正平均应力模型的梁柱节点断裂与低周疲劳评估

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论文字数:49566 论文编号:sb2021100915041938679 日期:2021-11-02 来源:硕博论文网
本文是一篇土木工程论文,本文提出了一种修正真实应力应变曲线的方法,分析了 VGM 和 SMCS 模型在不同构造形式下的断裂预测规律。结合 VGM 和 SMCS 模型的优点提出了一种应变修正平均应力模型(SMMS 模型),以期更好地预测钢结构的断裂性能。采用现有的光滑缺口圆棒拉伸试验校准了 SMMS 模型的参数,并利用现有的梁柱节点局部焊接拉伸试验验证 SMMS 模型的有效性。然后将该模型推广到疲劳领域,提出了一种修正退化有效塑性应变模型(MDSPS 模型),基于本课题组已完成的钢框架梁柱节点低周疲劳试验对该模型的有效性展开分析。

第 1 章  绪论

1.1  研究背景及意义
近些年来,钢结构建筑因其相比钢筋混凝土建筑具有多种优点,如自重轻、材料强度大、构件延性好、便于施工、绿色环保等,在土木工程领域中应用越来越广泛,国内钢结构建筑产值呈明显加速上涨趋势。尽管我国的钢结构建筑相比发达国家略微滞后,但可以预见的是,随着现代社会的持续进步和高速发展,尤其伴随着环保理念的普及与国内多高层、高耸建筑物领域的持续发展,钢结构建筑将获得进一步的发展。
钢结构建筑在业界普遍被认为是一种抗震性能优良、适用地区较广泛的建筑形式,在19世纪末美国的北岭地震(Northridge  earthquake)和日本的阪神地震(Kobe earthquake)相继到来之前,人们对钢结构的抗震性能充满自信。然而随着结构的层数增加、大跨度钢结构的应用以及各种形式的组合结构的出现,钢结构建筑的抗震性能也需要同步引起重视,尤其对于高层钢结构建筑较多且受地震威胁较大的国家和地区更应着重研究。北岭地震和阪神地震中,大量钢结构建筑出现了多个部位不同程度的脆性断裂破坏和屈曲现象,致使结构失稳甚至倒塌,主要破坏模式为钢框架结构梁柱节点的延性断裂、脆性断裂及局部屈曲[1-5],如图1.1、图1.2所示。这两次大地震使人们认识到钢框架结构在大地震中的抗震能力尚不足以满足需求,钢结构是抗震性能和耗能能力还需进一步提高,对于钢结构建筑的抗震性能方面的研究有待持续进步。
图 1.1  北岭地震梁柱节点的失效情况
图 1.1  北岭地震梁柱节点的失效情况
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1.2  钢结构低周疲劳评估方法研究现状
早先研究钢结构的疲劳问题大多采用试验的方法,包括名义应力法、热点应力法等也是通过大量试验数据来拟合相应的S-N曲线。断裂力学则系统化地研究裂纹的萌生、扩展和断裂过程,取得了较好的断裂预测效果。
1.2.1  名义应力法
针对疲劳问题的研究已有很早的历史,传统方法有名义应力法、热点应力法[6-7],考虑结构应力/伪结构应力的主 S-N/E-N 法[8-10],传统断裂力学法[11-13],损伤力学法[14-17]。疲劳传统高周疲劳分析方法具有计算步骤简单,使用方便等优点,同时也有较大的局限性,如名义应力法、热点应力法等。 
还有一种方法是临界距离法,由 Taylor 和 Susmel 等[20-21]提出,认为构件的疲劳不仅受应力集中点的应力峰值影响,还有受到应力集中附近一定范围内的平均应力影响。该方法以临界距离内的平均应力作为特征应力计算疲劳寿命,应用较多的是点法和面法
1.2.2  传统断裂力学方法研究现状
不管是名义应力法还是热点应力法,都需要大量的实验数据做基础,因此利用这些方法有一定的局限性。同时,影响疲劳的因素还有很多,有限的试验数据并不能将其解释清楚,需要结合理论进行分析。
自 20 世纪 50 年代起,为了实现金属材料断裂和疲劳的理论化和系统化,断裂力学 逐渐发展起来,使疲劳问题 的研究拥有了新的思路。断裂力学 源自于Griffith[22]提出的能量释放率理论,认为当裂纹扩展所产生的变形能超过裂纹扩展所需的能量会导致裂纹的失稳扩展。
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第 2 章  单调荷载及循环荷载下的微观断裂理论

2.1  单调荷载下的微观断裂模型
微观断裂力学金属材料中掺杂着众多杂质或二相粒子,在外力作用下发生变形时将与周围金属材料分离,形成球状或椭球状空穴,该空穴的半径增长率与其受力状态下的应力三轴度有一定的关系。随着空穴半径的增大,相邻空穴间的塑性应变持续增加且其间距不断减小,最终达到临界值而发生“聚核”,在宏观上即表示发生了断裂,具体过程如图 2.1 所示[42]。
图 2.1  微观空穴形核、扩张、聚合过程
图 2.1  微观空穴形核、扩张、聚合过程
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2.2  循环荷载下的微观断裂模型
微观断裂力学认为当微观空穴的断裂需求达到了某一临界点,满足空穴间的颈缩和空穴的聚合将导致断裂的发生,针对微观断裂模型所做的工作正是以此为出发点。一方面,需要量化空穴尺寸的变化率与应力应变状态的关系式,在式(2.1)中体现为空穴半径增长率和应力三轴度的指数型关系以及和材料参数的线性关系;另一方面,需要测量达到断裂要求的空穴尺寸临界值,体现在利用光滑缺口圆棒拉伸试件校准微观断裂模型参数的过程,并且所得参数仅仅与材料本身有关,而与屈服强度、极限强度、延伸率等参数无关。
同时,微观断裂模型的参数校准要配合有限元模拟进行,由于有限元方法中单元的离散性以及需要通过单元内积分点进行计算,而试验中的断裂产生于连续的微孔,因此单个积分点的计算结果并不能代表该点发生了断裂,需要判断某一连续的积分点同时达到断裂要求方能表示断裂的发生。此时最直观的就是控制单元的尺寸使之与试验观察到的微观空穴断裂时的尺寸相同,即可更准确地预测金属材料的断裂。因此需要利用扫描电镜对拉伸试件断裂面的微观空穴尺寸进行扫描,捕捉其直径大小,得到有限元模拟所用的特征长度 l*,以配合有限元软件模拟钢材的断裂过程。
本章主要介绍了现有的适用于单调荷载和循环荷载下的微观断裂理论,以及校准此类模型所用的试验方法,主要有以下内容:
(1)介绍了单调荷载下的微观断裂模型,包括 VGM 和 SMCS 模型。从一开始 Rice 和 Hancock 等人给出了 VGM 和 SMCS 模型的初始形式,并由后来的学者 Kanvinde 等人总结归纳,形成了一套较为系统的断裂力学理论;
(2)介绍了循环荷载下的微观断裂模型,包括 CVGM 和 DSPS 模型。Kanvinde等人研究了循环荷载下的钢材断裂特征和断裂机理,将 VGM 和 SMCS 模型推广到循环荷载,从而为钢结构疲劳性能评估的研究提供了一种新的思路;
(3)介绍了微观断裂模型参数校准的原理。
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第 3 章  基于钢材单轴拉伸试验的微观断裂模型预测规律分析 ......................... 17
3.1  单轴拉伸试验  ........................................ 17
3.1.1  试件概况  ............................................ 17
3.1.2  试验结果修正  .................................. 18
第 4 章  应变修正平均应力模型的参数校准及梁柱节点断裂分析 ..................... 33
4.1 SMMS 模型的推导  ........................................ 33
4.2  应变修正平均应力模型参数校准  ................................ 35
第 5 章  MDSPS 模型的推导及其参数校准 ................................ 44
5.1  循环荷载下的 SMMS 模型的推导  ...................................... 44
5.2  混合强化模型  ................................................ 47

第 6 章  基于 MDSPS 模型的钢框架梁柱节点超低周疲劳评估及试验验证

6.1  钢框架梁柱全焊节点疲劳试验
本课题组完 成了 6 个 T 型钢框架 梁柱节点试件疲劳试验,框架梁采用H400×150×8×12,框架柱采用 H450×250×16×20 型钢进行全焊接而成。试件与焊接细节如图 6.1 所示。梁翼缘-柱翼缘采用全熔透对接焊缝,梁腹板-柱翼缘采用双面对接角焊缝,采用 E5015 型焊条,焊缝等级为 I 级。
图 6.1  梁柱节点试件
图 6.1  梁柱节点试件
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结论与展望

结论
本文提出了一种修正真实应力应变曲线的方法,分析了 VGM 和 SMCS 模型在不同构造形式下的断裂预测规律。结合 VGM 和 SMCS 模型的优点提出了一种应变修正平均应力模型(SMMS 模型),以期更好地预测钢结构的断裂性能。采用现有的光滑缺口圆棒拉伸试验校准了 SMMS 模型的参数,并利用现有的梁柱节点局部焊接拉伸试验验证 SMMS 模型的有效性。然后将该模型推广到疲劳领域,提出了一种修正退化有效塑性应变模型(MDSPS 模型),基于本课题组已完成的钢框架梁柱节点低周疲劳试验对该模型的有效性展开分析。主要得到以下结论:
(1)针对真实本构关系的有限元模拟反演拟合过程表明,对于等截面试件,颈缩点真实应力对颈缩段的起始点有较大影响,断裂点真实应力对颈缩段的下降趋势有较大影响,依据此规律提出了一种修正真实应力应变曲线的方法,并经与试验荷载位移曲线的对比验证了该方法的适用性。等截面拉伸条件下 VGM 模型所得断裂位移普遍大于 SMCS 模型,两者差值随截面面积的增大而增大,且在相同的面积下随着截面接近正方形程度的提高而增大;非等截面拉伸条件下应力三轴度的变化趋势多样,其中在圆滑缺口处可能下降或保持不变,在两板相交处易快速下降。因此在光滑缺口处 SMCS 模型与 VGM 较为接近,对于两板相交构件的断裂预测则远大于 VGM;当存在多个断裂危险点时 VGM 与 SMCS 的启裂点易出现在不同位置,此时建议以 VGM 预测位置为准。
(2)基于微观断裂力学原理,提出了一种应变修正平均应力模型 (SMMS 模型)。该模型考虑了应力三轴度的历史效应,且没有应力三轴度在等效塑性应变上的积分过程,其形式与 SMCS 模型较为接近,可用于金属材料的延性断裂预测中。该模型 SMMS 模型相比 VGM 计算较为简便,相比 SMCS 模型受应力三轴度的波动影响较小,在应力三轴度变化较大时依旧适用。经钢框架梁柱节点焊接局部拉伸试件的应力三轴度和等效塑性应变分析显示,应力三轴度在实际拉伸过程中的变化幅值在假设范围内,等效塑性应变接近均匀增长,验证了 SMMS模型所依赖的假设。SMMS 模型对于 Q345B 梁柱节点焊接局部试件的断裂预测结果普遍与 VGM 模型较为接近,且与试验结果较为吻合,从而验证了 SMMS模型预测钢材延性断裂的有效性。
参考文献(略)