既有輕鋼結(jié)構(gòu)損傷后的抗災(zāi)性能分析.pdf

1、輕鋼結(jié)構(gòu)主要用于荷載不是很大的單層廠房。由于具有材質(zhì)輕、構(gòu)件跨度相對(duì)較大等特點(diǎn)，輕鋼結(jié)構(gòu)在服役中遭受狂風(fēng)、暴雪等強(qiáng)荷載作用時(shí)極易發(fā)生局部應(yīng)力集中和較大的局部變形。結(jié)構(gòu)中的損傷總是從最不利局部細(xì)節(jié)處開始的，特別是焊連接和銹蝕局部部位往往是應(yīng)力集中和易發(fā)生先天性缺陷的地方，往往在結(jié)構(gòu)整體上還處于彈性階段時(shí)這些部位就已經(jīng)由于應(yīng)力集中發(fā)生了塑性變形或者由于損傷累積發(fā)生構(gòu)件連接處的局部失效，使結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)性能劣化，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)達(dá)不到預(yù)期使用壽命就發(fā)

2、生破壞。
　　如果能通過損傷檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)既有輕鋼結(jié)構(gòu)中存在的各類損傷，建立輕鋼結(jié)構(gòu)的損傷物理模型，并根據(jù)損傷物理模型建立含損傷的既有輕鋼結(jié)構(gòu)性能分析的有限元模型，計(jì)算分析既有輕鋼結(jié)構(gòu)損傷后的抗災(zāi)性能并與目前忽略損傷的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果進(jìn)行比較，就篚夠更準(zhǔn)確的掌握結(jié)構(gòu)在損傷后的抗災(zāi)性能，同時(shí)可探討局部損傷狀態(tài)對(duì)輕鋼結(jié)構(gòu)整體抗災(zāi)性能的影響，這對(duì)于既有輕鋼結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)性能評(píng)估和防災(zāi)減災(zāi)將具有重要的參考意義。
　　本文針對(duì)已具備結(jié)構(gòu)損傷

3、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)資料的輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房，圍繞輕鋼結(jié)構(gòu)損傷性能的模擬、結(jié)構(gòu)損傷后的極限承載能力評(píng)估、局部構(gòu)件的彈塑性分析和斷裂分析等關(guān)鍵問題，應(yīng)用大型通用有限元軟件ANSYS建立可以反映局部損傷狀態(tài)的單層輕鋼結(jié)構(gòu)工業(yè)廠房的多尺度模型，計(jì)算分析含損傷的既有輕鋼結(jié)構(gòu)在各種災(zāi)害荷載下的局部非線性行為，進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷后的極限承載能力分析，結(jié)構(gòu)局部三維裂紋的斷裂分析等研究，對(duì)既有輕鋼結(jié)構(gòu)損傷后的抗災(zāi)性能作出準(zhǔn)確的評(píng)估，揭示了輕鋼結(jié)構(gòu)抗災(zāi)性能隨局部損傷程度的變

4、化規(guī)律。本文完成的研究工作和獲得的主要成果有:
　　1)通過對(duì)既有輕鋼結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)資料的分析，發(fā)現(xiàn)輕鋼結(jié)構(gòu)工程中常見的、對(duì)主要承重構(gòu)件承載能力影響較大的主要損傷形式是銹蝕損傷和焊接裂紋。銹蝕損傷不僅引起銹蝕局部材料力學(xué)性能的變化，而且改變了銹蝕局部構(gòu)件的有效承載截面尺寸。根據(jù)銹蝕局部的形態(tài)將銹蝕損傷分為均勻銹蝕損傷和非均勻銹蝕損傷;而輕鋼結(jié)構(gòu)跨中區(qū)域和梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域焊縫焊根處和焊接熱影響區(qū)的裂紋是對(duì)結(jié)構(gòu)抗災(zāi)性能影響較大的裂紋

5、，可通過在結(jié)構(gòu)模擬中直接引入裂紋幾何與物理特性來建立含裂紋的結(jié)構(gòu)性能分析模型。
　　2)分別建立了均勻銹蝕和非均勻銹蝕的損傷物理性能的描述方法。通過截面抗彎剛度削弱定義的結(jié)構(gòu)局部均勻銹蝕損傷度能夠很好地反映構(gòu)件局部的損傷程度，而根據(jù)截面積削減定義的均勻銹蝕損傷度與真實(shí)情況相差較大。在定義非均勻銹蝕損傷時(shí)，根據(jù)截面抗彎剛度降低程度最大的截面來定義結(jié)構(gòu)局部的損傷程度，該定義方法忽略了銹坑處的應(yīng)力集中對(duì)構(gòu)件損傷的影響，當(dāng)銹坑處應(yīng)力集中程

6、度較大時(shí)非均勻銹蝕損傷對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力的降低將遠(yuǎn)大于同等程度的均勻銹蝕損傷。
　　3)建立了已銹蝕既有輕鋼結(jié)構(gòu)損傷后的結(jié)構(gòu)多尺度有限元模型，采用多點(diǎn)約束方程的方法實(shí)現(xiàn)了不同尺度和不同類型單元的連接。計(jì)算得到了銹蝕損傷后的結(jié)構(gòu)在雪荷載作用下的非線性響應(yīng)。為進(jìn)行比較分析，同時(shí)建立了不考慮局部銹蝕的輕鋼結(jié)構(gòu)有限元模型。研究結(jié)果表明，與不考慮銹蝕損傷的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果相比，既有輕鋼結(jié)構(gòu)中客觀存在的銹蝕損傷提高了結(jié)構(gòu)銹蝕局部的應(yīng)力集中水平，使結(jié)構(gòu)

7、中的銹蝕構(gòu)件局部提前進(jìn)入塑性階段，降低了結(jié)構(gòu)的極限承載能力和抵抗塑性變形的能力。既有輕鋼結(jié)構(gòu)中存在非均勻銹蝕構(gòu)件在銹坑處存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中使得銹坑處材料提前失效，進(jìn)而在一定程度上降低了結(jié)構(gòu)的整體抗雪災(zāi)性能。
　　4)通過對(duì)含不同程度銹蝕損傷的既有輕鋼結(jié)構(gòu)在雪荷載作用下的極限承載能力的計(jì)算分析，并與不考慮銹蝕的輕鋼結(jié)構(gòu)相應(yīng)的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，揭示了銹蝕損傷對(duì)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)抗雪災(zāi)性能的影響，和抗災(zāi)性能隨銹蝕損傷程度的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明:

8、隨著銹蝕深度的增長(zhǎng)，銹蝕損傷程度不斷增大，含銹蝕損傷的既有輕鋼結(jié)構(gòu)的承載能力不斷降低，且下降的速度越來越快。銹蝕程度較輕時(shí)，承載能力降低與銹蝕深度呈線性關(guān)系;銹蝕深度超過截面尺寸的一半后，結(jié)構(gòu)承載能力迅速降低且降低的速率要明顯高于截面削弱的速率。而結(jié)構(gòu)承載力隨銹坑半徑增大和銹坑面密度變化規(guī)律都不是單調(diào)的，存在一定的波動(dòng)性。
　　5)通過建立不同類型和不同長(zhǎng)度的裂紋并引入既有輕鋼結(jié)構(gòu)多尺度分析模型中，對(duì)含焊接裂紋的輕鋼結(jié)構(gòu)和忽略裂紋

9、的結(jié)構(gòu)分析模型施加不同的災(zāi)害荷載工況，獲得了裂紋物理特性對(duì)既有輕鋼結(jié)構(gòu)中存在裂紋的構(gòu)件在裂紋尖端的局部應(yīng)力分布的突變和對(duì)結(jié)構(gòu)斷裂性能的影響。研究結(jié)果表明:梁柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域和跨中區(qū)域存在的裂紋對(duì)結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在含裂紋構(gòu)件局部區(qū)域和裂紋尖端應(yīng)力分布的改變。裂紋長(zhǎng)度的增大提高了裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子，使相關(guān)構(gòu)件更容易由于裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展而導(dǎo)致構(gòu)件斷裂。如果既有輕鋼結(jié)構(gòu)的粱柱節(jié)點(diǎn)區(qū)域的腹板含有中心貫穿裂紋，那么隨著裂紋長(zhǎng)度的增加，當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇暴雪