强震下钢框架梁柱焊接节点塑性应变疲劳裂纹萌生寿命研究

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钢框架结构因其独特的优点在建筑结构中获得了广泛的运用,但是以往的强烈地震下的钢框架结构破坏调查结果显示,梁柱焊接节点焊缝区域是钢框架结构的薄弱环节,裂纹最先在这一区域萌生并扩展最后导致结构破坏。工程构件一旦出现裂纹,将会严重危及到构件的正常使用,因此研究构件的裂纹萌生寿命就显得极为重要。本文从疲劳的角度出发,研究强烈地震作用下的钢框架梁柱焊接节点疲劳裂纹萌生寿命预测方法,为梁柱焊接节点的疲劳剩余寿命评估与疲劳损伤监测提供重要依据。本文采用多轴疲劳的理论对钢框架梁柱焊接节点进行裂纹萌生寿命预测,首先设计并加工了对接焊缝试件,并完成了单轴低周塑性应变疲劳试验,得到了焊接结构的塑性应变-裂纹萌生寿命曲线,并与材料的疲劳寿命试验结果进行对比分析,结果表明不能直接用材料的寿命曲线来预测焊接构件的疲劳寿命。然后采用多尺度建模的方法建立了整体钢框架结构的有限元模型,通过对整体钢框架结构进行弹塑性时程分析找到薄弱环节位于一层梁柱节点,然后重点分析该梁柱焊接节点在强烈地震作用下的疲劳危险点应力应变状态,发现疲劳危险点处于弱非比例加载状态下,并采用临界面法对梁柱焊接节点进行疲劳寿命评估。根据临界面法的理论采用MATLAB编写了求解临界面角度,正、剪应变时程的程序。根据雨流计数法提取临界损伤平面上的正、剪应变时程并合成等效应变,然后根据试验得到的塑性应变-裂纹萌生寿命曲线求出地震作用下的梁柱焊接节点裂纹萌生寿命并计算疲劳累积损伤。设计了十字型梁柱焊接节点裂纹萌生寿命预测方法的试验方案,并建立了有限元模型,对各加载工况下的梁柱焊接节点的滞回性能与疲劳危险点的应力应变状态进行分析,然后采用基于等效应变法和临界面法的五种模型进行疲劳裂纹萌生寿命预测,并对五种模型的结果进行对比,分析其优劣性与适用情况,证实了采用适用于非比例加载情况的临界面法能够对梁柱焊接节点裂纹萌生寿命有很好的预测结果。最后还建立了梁柱节点宏观响应梁端转角与疲劳寿命之间的关系曲线。
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