鋼架結(jié)構(gòu)局部與整體損傷的表征與量化方法.pdf

1、工程結(jié)構(gòu)典型安全事故案例及其服役過程中的潛在安全隱患引起人們對結(jié)構(gòu)安全及其失效規(guī)律和機(jī)理等基礎(chǔ)性理論研究的關(guān)注。工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計功能在結(jié)構(gòu)整體建成并使用之后即不再改變，然而在幾十年甚至上百年的服役期內(nèi)，結(jié)構(gòu)物理特性與運(yùn)營荷載不斷變化并相互作用、相互影響，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷演化并誘致失效。結(jié)構(gòu)損傷的演化跨越了材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)多個空間尺度和層次，對應(yīng)于每個層次的損傷演化特征也存在著較大差異。為了掌握結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理與控制其失效行為，進(jìn)而闡明結(jié)構(gòu)服

2、役期的典型歷程中結(jié)構(gòu)損傷變量的演化機(jī)制、主要規(guī)律及其對結(jié)構(gòu)服役期間工作狀態(tài)、承載狀況、失效行為和路徑影響，有必要探討材料、構(gòu)件與結(jié)構(gòu)不同層次、不同尺度上損傷的合理表征方法，使之能夠恰到好處地抓住其所屬層次或尺度上的損傷特征，并真實(shí)反映各結(jié)構(gòu)層次損傷表征量之間的關(guān)聯(lián)性。
　　本文從典型焊接緊湊拉伸構(gòu)件和兩種桁架結(jié)構(gòu)的跨尺度、跨層次損傷模擬實(shí)驗(yàn)與特征響應(yīng)的同步測試工作出發(fā)，在分析總結(jié)其失效行為和規(guī)律的基礎(chǔ)上，根據(jù)鋼架結(jié)構(gòu)損傷演化過程結(jié)

3、構(gòu)力學(xué)特性與外荷載相互作用的本質(zhì)特征拓展了“承載能力”的內(nèi)涵和外延，提出了以承載能力特征定義構(gòu)件和結(jié)構(gòu)損傷變量，以材料體元和構(gòu)件體元及其對應(yīng)損傷值量化構(gòu)件和結(jié)構(gòu)損傷的方法，并結(jié)合典型節(jié)點(diǎn)、鋼框架結(jié)構(gòu)損傷的數(shù)值模擬分析給出了該方法的具體應(yīng)用案例。完成的研究工作和主要成果如下:
　　1)針對焊接緊湊拉伸構(gòu)件和焊接鋼桁架型鋼構(gòu)件，分別開展了構(gòu)件塑性損傷和疲勞損傷的實(shí)驗(yàn)?zāi)M和測試工作。其中焊接緊湊拉伸構(gòu)件采用準(zhǔn)靜態(tài)加卸載的方式實(shí)現(xiàn)損傷演化

4、過程，并綜合運(yùn)用X-CT（微焦X光計算機(jī)斷層掃描）系統(tǒng)和應(yīng)變電測技術(shù)觀測焊接易損局部細(xì)觀缺陷形貌、分布和演化過程，以及對應(yīng)的宏觀應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)。通過對鋼桁架施加正弦疲勞荷載實(shí)現(xiàn)構(gòu)件損傷演化過程，并綜合運(yùn)用了應(yīng)變電測、光測和動態(tài)測試技術(shù)觀測構(gòu)件易損局部細(xì)觀疲勞裂紋萌生、宏觀裂紋擴(kuò)展過程以及整體動態(tài)響應(yīng)信息的演變過程。結(jié)果顯示:焊接緊湊拉伸構(gòu)件細(xì)觀缺陷的幾何與分布特征影響了構(gòu)件的塑性損傷演化過程和特征響應(yīng);采用損傷力學(xué)理論量化的構(gòu)件宏觀損傷

5、受細(xì)觀缺陷的影響，但無法準(zhǔn)確描述細(xì)觀缺陷演化導(dǎo)致的焊接構(gòu)件的演化過程。焊接鋼桁架典型構(gòu)件的疲勞損傷演化過程由材料細(xì)觀損傷、外荷載條件以及構(gòu)件與結(jié)構(gòu)整體的相互作用等因素共同決定;斜腹桿損傷跨尺度、跨層次演化過程中，損傷是連續(xù)演化的，尺度和層次跨越點(diǎn)前后的特征響應(yīng)存在較大差別，可作為構(gòu)件損傷跨尺度、跨層次演化的“標(biāo)志性”特征;
　　2)針對鉸接鋼桁架和焊接鋼桁架，分別開展了結(jié)構(gòu)塑性損傷和疲勞損傷的實(shí)驗(yàn)?zāi)M和測試工作。采用多種測試技術(shù)和

6、手段同步監(jiān)測了兩種結(jié)構(gòu)損傷演化過程中多個尺度和結(jié)構(gòu)層次下的失效行為、力學(xué)特性和特征響應(yīng)。結(jié)果表明:對于鉸接鋼桁架，桁架結(jié)構(gòu)典型構(gòu)件先后進(jìn)入塑性流動影響了結(jié)構(gòu)整體的承載能力，易損局部細(xì)觀缺陷差異直接導(dǎo)致桁架內(nèi)部典型構(gòu)件損傷演化進(jìn)程的不同，細(xì)觀缺陷的差異經(jīng)過構(gòu)件和結(jié)構(gòu)整體承力體系的系統(tǒng)化和非線性作用，在一定程度上決定了整個桁架結(jié)構(gòu)的失效模式和規(guī)律;對于焊接鋼桁架結(jié)構(gòu)，桁架典型構(gòu)件疲勞裂紋的萌生過程由易損局部熱點(diǎn)應(yīng)力決定，但是疲勞裂紋的擴(kuò)展規(guī)

7、律和過程受易損局部細(xì)觀焊接缺陷的影響較大，并直接決定了裂紋擴(kuò)展和最終的失效;
　　3)根據(jù)上述損傷實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與規(guī)律特征，本文以結(jié)構(gòu)本身力學(xué)屬性與外界荷載相互作用與關(guān)系特征明確了結(jié)構(gòu)損傷易損局部的概念，并通過材料體元和構(gòu)件體元建立了構(gòu)件和結(jié)構(gòu)損傷分析的基礎(chǔ)，提出了以承載能力特征表征構(gòu)件和結(jié)構(gòu)損傷，并以材料體元和構(gòu)件體元及其對應(yīng)損傷值量化構(gòu)件和結(jié)構(gòu)損傷的方法。針對典型構(gòu)件和結(jié)構(gòu)具體推導(dǎo)了損傷的量化公式，并以動力系數(shù)修正了動荷載作用下動力