钢结构焊接节点焊材的损伤累积模型及分析(可编辑).doc
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1、钢结构焊接节点焊材的损伤累积模型及分析 内容提要焊接节点由于具有连接效率高、刚度大、密封性好、构件加工时间短、费用低等优点被广泛应用于各种钢结构,尽管规范对焊工技能、焊接工艺等都有规定,但由于焊接过程本身的复杂性,微孔洞、微裂缝等的存在几乎是不可避免的。焊接节点因此更易损伤累积,其损伤历史无疑会对结构在后续服役期中的抗力和剩余寿命产生重大的影响。以往的实践表明大量的钢结构破坏都是从焊接节点开始的。然而,由于问题的复杂性和人类认识的局限性,迄今为止,人们对结构性能和反应的分析基本不考虑已有损伤累积的影响,这样的分析势必影响分析结果的精度。尤其是目前对钢结构的安全性有着重要影响的焊接节点的损伤累积
2、研究还并不多见,因此,研究焊接节点的损伤累积具有重要的理论和现实意义。本文对钢结构中广泛应用的和钢材焊接.型节点中的焊缝材料进行了全焊材拉伸试验及低周疲劳试验,根据试验现象及结果,并基于的模型,提出了焊材的损伤累积模型,通过对试验数据进行拟和确定了模型的材料常数。同时,通过设计各种对比试验,较深入地研究了包括材料型号、应变幅度、加载机制、试件尺寸、焊接顺序、钢材轧制方向等因素对材料滞回性能的影响。研究结果发现,狸周应变幅值钢材的循环寿命比焊材高%以上,可见焊材中因有不可避免的焊接微缺陷的存在而大为降低了其循环寿命,因此在结构分析中应更关注焊接节点的表现。同种材料损伤累积演变基本相同,而不同材料
3、型号损伤模型中的材料参数应分别确定;变幅循环下先进行的低应变幅循环反而提高了后继高应变幅时的寿命,此时的线性叠加理论不再适合,而先进行的高应变幅则明显降低了后继低应变幅循环的周数;钢材轧制方向对循环特性有一定影响,沿纵向的试件疲劳寿命高于垂直方向的,纵向试件的应变硬化速度及裂纹稳定增长时间略高于横向的。焊接过程对近缝区钢材的性能有明显影响,焊接顺序对焊材的滞回性能也有一定的影响。本试验中焊材均为循环软化,钢材均为循环硬化结构,钢材和焊材循环硬化或软化的强屈比分界线大致为.,强屈比大子.的材料表现为循环硬化,而小于.的材料表现为循环软化。本课题根据建立的焊材的损伤累积模型,以大型有限元程序为平台
4、进行二次开发,编制有限元子程序,对循环蘅载下焊材试件进行循环载荷下的损伤累积分析。此方法从材料层面着手,不受节点和构件或结构本身尺寸及受力情况的限制,可结合钢材的损伤累积模型对焊接节点进行损伤累积分析,求得各类节点和构件在循环葡载下的滞回关系曲线,并可进一步推广到其他钢结构构件或结构。关键词:钢结构、焊接节点、焊材、低周疲劳,损伤累积模型,有限元二次开发 曲 , , 站 , 忸. 押 . . . . .,“. . ./., . ,既 . ., , , . % . 招.琵 . 曲. ? ?. /, ., .: , , ,第一章绪论绪论.研究背景钢结构损伤累积分析的意义上世纪九十年代出台的合理推广
5、应用钢材的技术政策推动了我国建筑钢结构的快速发展,钢结构被广泛的应用于多、高层民用房屋、大跨公共建筑、工业厂房及塔桅结构中,直至目前,我国钢结构还处于迅速发展期。这些结构在其施工、使用期间遭受了各种外力作用而有损伤累积产生,其损伤历史无疑会对结构在后续服役期中的抗力和剩余寿命产生重大的影响。建筑物的破坏通常是由于结构损伤并逐渐累积到一定程度后引起的。其中,地震作用对结构的损伤影响显著,年日本阪神地震中多数结构正是由于在前震中产生的损伤而在余震中倒塌的。中国是世界上多地震的国家之一,也是世界上地震灾害最严重的国家【,因此,安全经济的钢结构设计要求可靠的抗震设计,并充分考虑其施工、使用期间可能遭受
6、的各种外力作用,这些都需要在结构分析中考虑损伤累积的影响。中国目前已有相当数量的钢结构使用超过十年,为保障人民生命财产的安全,以及最大限度安全经济地利用现有结构物以建立节约型社会,对结构的剩余强度或剩余寿命进行正确鉴定和维护是不可避免的问题,这也需要进行结构的损伤累积分析。然而,由于问题的复杂性和人类认识的局限性,迄今为止,人们对结构性能和反应的分析基本不考虑已有损伤累积的影响,这样的分析势必影响分析结果的精度。钢结构中焊接节点的特殊性及重要性焊接节点由于具有连接效率高、刚度大、密封性好、 构件加工时间短、费用低等优点被广泛应用于各种钢结构。结构的强度通常是由其最薄弱环节决定的,焊接节点不幸正
7、是钢结构的薄弱点。因此,准确分析焊接节点的行为在钢结构分析中具有举足轻重的地位。以往的实践表明大量的钢结构破坏都是从焊接节点开始的。年美国地震引起了工程界的普遍关注,主要是那些被认为抗震性能卓越的现代钢框架结构出现了大量的脆性断裂,而其中很大部分断裂发生在梁.柱焊接连接处。这与第一章绪论焊接区自有的微观结构的复杂性、焊接缺陷以及焊接残余应力和残余变形的存在是分不开的。众所周知,在焊接过程中,焊材及近缝区的母材经历了复杂的高温加热熔化及冷却过程,其最终形成的微观结构自焊材经热影响区到母材都有差异,从而导致了材料特性,也包括损伤累积特性较钢材复杂许多,直接导致其力学行为的复杂性,且受多种因素诸如焊
8、接过程达到的最高温度、冷却速度、母材及焊条化学成分等的影响。由于焊接过程中温度的不均匀分布而产生的高达焊材屈服强度的焊接残余应力和残余变形是焊接过程另一种不可避免的结果。尽管规范对焊工技能、焊接工艺等都有规定,但由于焊接过程本身的复杂性,微孔洞、微裂缝等的存在几乎是不可避免的。焊接节点因此更易损伤累积,尤其在像地震作用这样的低周疲劳循环荷载下,且其损伤累积行为较钢材更为复杂,对焊接节点的损伤累积分析应充分考虑以上这些焊接节点固有因素的影响。损伤力学在土木工程的应用推广损伤累积分析是土木工程领域的一个新的研究方向,由于研究成果的局限,目前在实际工程中的应用还很少见。循环荷载下材料或结构的失效过程
9、可分为裂纹形成与裂纹扩展两个阶段,目前循环荷载下的结构分析主要是基于断裂力学对第二阶段已有宏观裂纹扩展进行分析。但裂纹形成是疲劳全寿命的一个重要部分,对它的忽略必然影响对材料或结构疲劳行为的准确判断。近年来正蓬勃兴起的损伤力学的概念与方法,正好为循环荷载下裂纹形成的研究提供了有力的理论工具。然而,尽管损伤力学的基本理论框架已形成,但关于损伤力学算法的研究还相对薄弱,同时,由于方法较新,积累的实验数据及应用实例不很充分,而且现有的多数模型的参数测定太过复杂而限制了其推广应用。本研究也希望通过对微观及化学成分有差异的钢材及焊材的损伤演变的试验研究,为损伤力学在土木工程研究和应用领域的进一步完善及推
10、广提供更多数据。综上所述,损伤累积分析对可靠的结构抗震设计和现有结构的正确鉴定维护都很重要,而焊接节点是钢结构中最易损伤累积的部位,因此,研究焊接节点的损伤累积具有重要的理论和现实意义。第一章绪论.国内外研究进展损伤的研究始于上个世纪五十年代,至八十年代时已发展成为包括基于热力学的连续介质损伤理论、基于细观力学的几何损伤理论和基于统计的概率损伤理论的系统的损伤力学【引,目前仍有众多的研究者致力于损伤力学的进一步完善及其在各个工程领域的应用。因为结构的最终破坏通常是由于结构损伤并逐渐累积到一定程度而引起的,目前国内外有不少学者沈祖炎、李杰、欧进萍、顾强、,等致力于研究损伤力学在土木结构分析中的应
11、用【,特别是疲劳和地震损伤方面。然而由于问题的复杂性,迄今为止还没有建立被普遍认可的模型,在工程上的应用也还不成熟。损伤变量是损伤力学中最基本的概念,它是用于反映材料内部缺陷状态的一个物理量【】。在钢结构方面,沈祖炎等【.【动在试验的基础上提出了钢材在反复荷载作用下基于塑性应变并考虑滞回能耗散的一维损伤变量公式及应力应变滞回模型并进而推广到三维。这一模型通过与试验结果对比,证明有较高的准确度,且被别的研究者副所肯定和采用。国内外目前在钢材损伤本构关系的研究方面所作的工作较多,在连续介质力学和不可逆热力学的框架内提出了各种各向同性或各向异性弹塑性损伤本构理论模型。在建筑钢结构的整体分析方面,目前
12、已有对钢构件【】【】、多、高层钢框架结构【】【、和空间网架结构叫等在地震作用下考虑损伤累积的研究。然而对钢结构中广泛应用,且对钢结构的安全性有着重要影响的焊接节点的损伤累积研究还并不多见。国际上对低周疲劳作用下焊接节点研究的一种较为普遍的做法是采用曲线法,但以修正的等效应力代替高周疲劳的名义应力【】。【】。【纠提出了一种基于剩余强度一循环周数曲线的方法。但这些曲线通常只是适用于所试验的节点形式。目前已有的焊接节点的损伤累积研究通常首先定义损伤变量,如等基于截面收缩率,等基于硬度值,再以热力学理论为基础选定势能耗散函数进而推导出损伤变量与循环次数的关系,并由试验测定该关系式中的参数,最终得到材料
13、或节点的损伤变量一循环次数第一章绪论曲线。”】等采用?法基于循环次数和应变范围定义损伤变量,最终亦得到焊接节点的曲线。这些模型的缺点是所得到的曲线只适应于所职究的特定几何和受力条件的节点或结构,且所采用的测定试验往往偏于复杂;另外,模型给出的只是最终的疲劳寿命预测,而不涉及疲劳损伤累积的过程。宋振森等【”从对接焊缝抽取焊材试件进行重复拉伸试验,根据每次卸载测得的弹性模量得到损伤与累积塑性应变成线形关系,但这实际只是焊材的静态延性损伤,不能反映焊材在循环荷载下的行为。合理的损伤累积模型是损伤累积分析的基础,一个“好的”损伤累积模型,应该具备两方面的基本特征:其一是理论上的合理性.不仅能够反映材料
14、受力行为的主要特征,而且在逻辑上是自洽的;其二是应用上的简明性.可以方便地应用于工程结构的分析之中,并且,模型的主要参数能通过成熟的力学试验方法获取。而已有的焊材的损伤累积模型或过于简单、计算结果与实际不符,或过于繁琐、不确定乃至难以确定的因素过多,或只针对某一特定节点及受力条件给出其损伤一寿命曲线而难以在工程实际中应用。因此,建立理论基础严谨、形式简单、且其参数可用简单成熟的试验方法测定的损伤累积模型具有重要意义。以上综述表明,损伤力学正处在蓬勃发展期,研究者在木结构损伤累积分析方面己做出了众多贡献,但对钢结构中广泛应用的焊接节点的损伤累积研究还远远不够,最基本的,能全面反应焊材固有特性、且
15、便于工程应用的损伤累积模型还没有,而模型在焊接节点损伤累积分析的计算实现也亟需深入研究。同时,本课题建立的方法虽以焊接节点为研究对象,但亦可被推广至整体结构分析。所以在已有的大型有限元软件框架内建立考虑损伤累积效应的有限元模型及损伤破坏准则则易于推广和使用而具有广阔的应用前景。本文对钢结构中广泛应用的和钢材焊接.型节点中的焊缝材料进行了全焊材低周疲劳试验,根据试验现象及结果,并基于的模型,提出了焊材的损伤累积模型,通过对试验数据进行拟和确定了模型的材料常数。同时,通过设计各种对比试验,较深入地研究了包括材料型号、应变幅度、加载机制、试件尺寸、焊接顺序、钢材轧制方向等因素对材料滞回性能的影响。第
16、一章绪论鉴于试验研究所受的时间及经费的限制,建立正确的数值分析模型是研究者们处理大量工程应用中几何及受力复杂结构的更有效途径。而有限元法则是目前在研究及工程应用中最为广泛应用的数值方法之一。然而,在已有的对钢结构的损伤累积有限元分析中,研究者采用的大都是自编的极具针对性的有限元程序,因此对所能处理的结构形式及受力条件有很大的局限性并很难推广而被工程界采用。而已有的大型有限元软件及等因其多年的商业化推广已被大量的研究者及工程技术人员所熟悉掌握,并因在其高投入的开发过程中集合大量的结构及计算机方面的专家历经多年的研究而具有完善有效的有限元方程的求解算法并能处理复杂多样的结构。其有效性及正确性已被大
17、量的工程应用所验证。这是由少数研究者编写的程序所无法比拟的。因此,本课题根据焊材的损伤累积模型,以大型有限元程序为平台进行二次开发,编制了有限元子程序,对循环荷载下焊材试件进行循环载荷下的损伤累积分析,预测其应力应变发展。应用此方法可结合钢材的损伤累积模型对焊接节点进行损伤累积分析,并可进步推广到其他钢结构构件或结构。第二章焊材在循环荷载作用下的损伤累计模型焊材在循环荷载作用下的损伤累积模型.损伤变量损伤变量是损伤力学中最基本的概念,它是用于反映材料内部缺陷状态的一个物理量。和认为根据变形得出的损伤指标最简单、合理。沈祖炎等对结构钢基于塑性应变,并考虑了滞回能耗散及产生最大塑性应变这一半周期的
18、重要性,定义如下损伤变量:胡等妻箬:五式式中是产生塑性应变的半周期数,参是第半周期的权值,口为第半周期的塑性应变,:为材料的极限塑性应变,由材料的单向拉伸试验获得,雒为循环过程中的最大塑性应变。.损伤本构模型基于材料低周疲劳循环荷载试验所得的应力应变滞回曲线,根据常用的钢材双线形模型,沈祖炎等提出的钢材的考虑损伤累积的滞回模型如图.所示,图中簖和曼。分别为第/次、次半循环所产生的塑性应变,域呻和互黟州分别是材料经过第九次、计次半循环时考虑损伤累积效应的弹性模量;盯即和盯扣“分别是材料经过第/./次、时次半循环时考虑损伤累积效应的屈服应力, 舻功和舻州分别是材料经过第次、肿次半循环时的应变强化系
19、数,丫和为材料常数。材料弹性模量、屈服强度和强化系数因损伤累积产生的随荷载循环次数的退化由以下各式计算:一专 砰卜 第二章焊材在循环荷载作用下的损伤累计模型”善善/,嚣.蚓式中职为第次半循环时的损伤变量值,鼍。鼍:,号,为材料常数。如图.所示,把弹性阶段和强化阶段按抛物线连接起来,抛物线的方程为;对图.中的第次半循环,点。为抛物线起点,设其坐标为,点为抛物线终点,设其坐标为,则式中的系数为:。乞一?西乏厂垦里鱼:二垒二垒鱼二垒乞厂/、,一,。坚铲对第一半循环不考虑过渡阶段,从第二半循环开始损伤累积模型可表示为:盯吼。一九。,。一吒妒彩”口酷,矿”乃。一吒,酽州一屯,%/。川对低周疲劳试验所待的
20、滞回曲线按图.所示的滞回模型进行拟和,代入单调拉伸试验所得的:值,令破坏时的损伤值为,第二章焊材在循环荷载作用下的损伤累计模型一每声赢苦专 ” “利用式可求得每个试件每半循环时的损伤值根据试验数据线性回归,可得试件第半周期时的利用式.可求得试件第半周期时的芎,号,取其平均值作为该试件的罨.号:,岛。最后,把每个试件的弹性阶段和强化阶段与试验曲线进行拟和可得每个试件的和值。对焊材进行的低周疲劳试验所得的滞回曲线显示,所有试件在初始几周都有循环硬化出现,随后屈服强度和杨氏模量才开始退化,因此,本文提出对焊材的损伤变量应对公式进行修正,记入损伤起始周数糯,即求和公式中的净改为。起始周数珈由试验结果确
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