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)件跨度相對較大等特點,輕鋼結(jié)構(gòu)在服役中遭受狂風、暴雪等強荷載作用時極易發(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這些部位就己經(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,甚至導致結(jié)構(gòu)達不到預(yù)期使用壽命就發(fā)生破壞。如果能通過損傷檢測技術(shù)檢測發(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)果進行比較,就能夠更準確的掌握結(jié)構(gòu)在損傷后的抗災(zāi)性能,同時可探討局部損傷狀態(tài)對輕鋼結(jié)構(gòu)整體抗災(zāi)性能的影響,這對于既有輕鋼結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)性能評估和防災(zāi)減災(zāi)將具有重要的參考意義。本文針對已具備結(jié)構(gòu)損傷現(xiàn)場檢測資料的輕鋼結(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,對既有輕鋼結(jié)構(gòu)損傷后的抗災(zāi)性能作出準確的評估,揭示了輕鋼結(jié)構(gòu)抗災(zāi)性能隨局部損傷程度的變化規(guī)律。本文完成的研究工作和獲得的主要成果有：1)通過對既有輕鋼結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)現(xiàn)場檢測資料的分析,發(fā)現(xiàn)輕鋼結(jié)構(gòu)工程中常見的、對主要承重構(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)點區(qū)域焊縫焊根處和焊接熱影響區(qū)的裂紋是對結(jié)構(gòu)抗災(zāi)性能影響較大的裂紋,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情況相差較大。在定義非均勻銹蝕損傷時,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)力集中對構(gòu)件損傷的影響,當銹坑處應(yīng)力集中程度較大時非均勻銹蝕損傷對結(jié)構(gòu)承載能力的降低將遠大于同等程度的均勻銹蝕損傷。3)建立了己銹蝕既有輕鋼結(jié)構(gòu)損傷后的結(jié)構(gòu)多尺度有限元模型,采用多點約束方程的方法實現(xiàn)了不同尺度和不同類型單元的連接。計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)。為進行比較分析,同時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)中的銹蝕構(gòu)件局部提前進入塑性階段,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)件在銹坑處存在嚴重的應(yīng)力集中使得銹坑處材料提前失效,進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)果進行對比,揭示了銹蝕損傷對結(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：隨著銹蝕深度的增長,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,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,存在一定的波動性。5)通過建立不同類型和不同長度的裂紋并引入既有輕鋼結(jié)構(gòu)多尺度分析模型中,對含焊接裂紋的輕鋼結(jié)構(gòu)和忽略裂紋的結(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)力分布的突變和對結(jié)構(gòu)斷裂性能的影響。研究結(jié)果表明：梁柱節(jié)點區(qū)域和跨中區(qū)域存在的裂紋對結(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。裂紋長度的增大提高了裂紋尖端的應(yīng)力強度因子,使相關(guān)構(gòu)件更容易由于裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展而導致構(gòu)件斷裂。如果既有輕鋼結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點區(qū)域的腹板含有中心貫穿裂紋,那么隨著裂紋長度的增加,當結(jié)構(gòu)遭遇暴雪時梁柱節(jié)點腹板處除裂紋尖端以外區(qū)域的應(yīng)力水平由于裂紋的應(yīng)力釋放而不斷降低；當裂紋長度增大至一定程度時,裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展進而引起整體結(jié)構(gòu)的失效。
【學位單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：O347.3

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本文編號：2820110