轻钢屋面自攻钉节点疲劳损伤计算模型及其在灾后评估中的应用

发布时间：2020-03-31 21:43

【摘要】：采用自攻钉节点形式的屋面系统在轻钢结构中有着广泛的应用,由于其连接的金属屋面材质轻,柔度大等特性,对风荷载十分敏感。多次风灾调查显示,自攻钉节点在强风作用下,风致静力及风致疲劳破坏均有可能发生,进而导致屋面系统失效,造成极大的经济损失。因此,在灾后性能评估中,分析自攻钉节点抗风性能的同时,不可忽视风致疲劳损伤对其性能的削弱作用。所以,建立台风作用下疲劳损伤导致的自攻钉节点抗风承载力退化模型,进而应用于其灾后性能评估是自攻钉节点抗风研究中的关键科学问题。本文以轻钢屋面自攻钉节点为研究对象,通过对受疲劳损伤的节点进行静力性能试验,得到其承载力在疲劳荷载作用后的退化规律。再通过改进的模拟台风方法,使用风压系数时程数据模拟得到不同风速下的台风荷载模型,结合自攻钉节点的承载力退化规律,进而得到台风作用下的承载力退化模型。在此基础之上,进行了基于概率的自攻钉节点抗风性能评估,分析并预测了各沿海城市自攻钉节点的时变可靠度指标及服役寿命。本文主要研究内容如下:首先,针对轻钢屋面自攻钉节点,回顾了其在静力抗风性能以及疲劳抗风性能两方面的研究现状,归纳了轻钢屋面系统的灾后状态评估方法,总结并提出了目前需要解决的关键科学问题;其次,以受疲劳损伤的自攻钉节点为试验对象,对其进行静力试验,一方面通过观察受损后的节点承载力与循环荷载幅值的关系,得到节点的退化规律;另一方面通过节点的力位移曲线以及应变位移曲线,研究节点受损后的静力破坏过程,并判断其疲劳极限的大小;然后,基于改进的模拟台风方法,通过风压系数时程数据,运用MATLAB软件进行雨流分析,得到风压系数矩阵,再通过改进的模拟台风数学模型得到不同极值风速下台风的荷载矩阵。经过论证荷载矩阵中循环次数主要的集中区域,进而可以合理的结合自攻钉节点疲劳特性,使用线性累积损伤准则,得到不同极值风速台风作用后自攻钉节点的损伤值时程;最后,针对轻钢屋面自攻钉节点,本文使用蒙特卡洛模拟的方法,进行了基于概率的自攻钉节点抗风性能评估。其中,台风风速以及台风发生次数均服从概率分布。在评估台风对自攻钉节点的性能削弱方面,基于上文的研究得到了风致自攻钉节点疲劳损伤模型,以及风致自攻钉节点抗力退化模型,两者的本质均是由于疲劳损伤所引起。其中,风致节点抗力退化模型是通过不同极值风速下的台风荷载模型以及节点承载力随循环荷载的退化规律拟合得到。最后基于各沿海城市的台风概率参数得到其台风荷载模型,在考虑疲劳极限的情况下,计算并分析了各沿海城市自攻钉节点的时变可靠度指标,通过选取中美两国规范,预测了自攻钉节点在各城市中的服役寿命。
【图文】：

风致破坏,轻钢结构,围护系统,风灾

Ｆｉｇ邋１－２邋Ｗｉｎｄ－ｉｎｄｕｃｅｄ邋ｆａｉｌｕｒｅ邋ｏｆ邋ｌｉｇｈｔ－ｗｅｉｇｈｔ邋ｓｔｅｅｌ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ１５’６，，８］逡逑由上述多个风灾调查发现，台风来袭所造成的轻钢结构破坏，主要集中于该逡逑结构的围护系统［９＿１５］，其中典型的围护系统破坏形式如图１－２所示。通过研究发逡逑２逡逑

连接形式,屋面,种类,撕裂破坏

由于循环应力的往复导致节点周围产生累积损伤，出现疲劳裂纹等现象，致逡逑使连接构件在风荷载低于其自身承载力的情况下而发生疲劳破坏。主要的风致破逡逑坏形式如图１－４所不，其主要分为：板撕裂破坏（ｐｕｌｌ－ｔｈｒｏｕｇｈｆａｉｌｕｒｅｓ）、螺钉拔出逡逑４逡逑
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU392.5

【参考文献】