冲击载荷下含缺陷梁—柱试件动态断裂力学特性试验研究

发布时间：2020-06-30 15:33

【摘要】：近年来房屋建筑朝着结构平面布局多样化发展,这就对结构的承重模式以及传力途径提出了更高要求。梁,柱作为结构中的基本构件,对建筑物强度有着重要影响。节点作为重要部位将梁,柱连接到一起,协同发挥作用。目前,对节点的拟静力加载开展了较多研究。但是,梁柱节点在服役过程中可能要承受诸如爆炸载荷、冲击载荷等动载荷的作用,动载荷作用下不只要考虑强度的影响,还需要考虑惯性力以及材料性能的影响,结构受力情况较为复杂。实际使用过程中,大部分结构都还带有损伤,含损伤结构的动态响应更应引起关注。因此,需要开展冲击载荷下,含预制裂纹的梁-柱节点的动态断裂研究。针对不同的节点形式,在不同位置,不同裂纹数目,不同边界条件情况下,采用理论分析,数值模拟,实验室实验对节点试件的动态断裂力学特性开展研究。研究成果具有理论意义和工程实际指导价值。(1)采用MTS多功能试验机和透射式高速摄像机试验系统,获得了含预制裂纹的T型、两种门式梁-柱试件的准静态加载断裂力学特性。柱端含有预制裂纹的T型梁柱试件承载力最小;对于梁端,柱端均含有预制裂纹的试件,梁端裂纹并未起裂,柱端裂纹起裂破坏,与只在梁端含有预制裂纹的试件承载力相差不大。裂纹扩展路径较为平直,裂纹扩展轨迹的改变(曲裂)不明显。速度的振荡变化小于动态破坏,柱端裂纹在扩展过程中发生曲裂时,速度逐渐减小为0。对于门式试件,梁底部裂纹对承载力起到了“卸压”作用,底部裂纹先起裂,扩展裂纹并未贯通试件。对于在梁端,柱端含有预制裂纹的试件,梁,柱端裂纹的起裂滞后于梁底部裂纹的起裂;梁裂纹以及柱裂纹扩展过程中发生曲裂并且快速止裂。加载-位移曲线出现三次加-卸载过程,加载过程曲线斜率递减,说明裂纹起裂后,结构的承载力逐渐降低。柱端含有预制裂纹的试件承载力最大值为1.9kN,较梁端含有预制裂纹的试件承载力高36%。梁底部不含预制裂纹门式试件承载力的最大值较梁底部含有预制裂纹试件大幅提高;梁端含有斜裂纹试件卸载过程表现出“塑性”特征,断裂面较粗糙,承载力最大;柱端含有斜裂纹以及梁,柱均含有斜裂纹的试件出现了两次加-卸载过程;梁,柱均含有直裂纹的试件在第二次卸载过程中表现出“塑性”特征。裂纹扩展轨迹满足四次多项式拟合曲线,预制裂纹为直裂纹的试件断裂时受剪力影响较小。(2)采用透射式数字激光焦散线系统,对内部预制单一裂纹、单一偏置裂纹、多裂纹等不同缺陷类型试件进行了冲击断裂试验;结合数值模拟,揭示了应力波与梁内部缺陷相互作用过程以及运动裂纹的扩展规律。梁内部裂纹位于对称轴处时,裂纹下端先起裂,裂纹上端后起裂。裂纹下端贯穿试件激发的卸载应力波使裂纹上端应力强度因子显著增加,加快了上部裂纹的起裂、扩展。随着裂纹到试件下边界距离增加,裂纹上、下端扩展速度差值逐渐减小,裂纹上端应力强度因子最大值逐渐增加。对于同一偏置距离,裂纹到梁下边界距离大的试件,裂纹上、下端的起裂角均较大;到梁下边界距离相同,偏置距离大的裂纹,裂纹起裂时的起裂角较大,实验结果与理论计算结果基本一致;对于内部裂纹偏置距离相同的试件,上端裂纹扩展速度大的试件,则下端裂纹扩展速度较小。“空孔”能够显著增加试件二次起裂韧度,增幅超过100%,二次起裂后裂纹扩展速度大幅增加;内部含有不对称纵向裂纹的试件易起裂,距冲击加载头较近的一端起裂,断裂韧度较小;含对称裂纹的试件,两端都起裂,且二次起裂韧度略小于第一次起裂韧度。试件内含有两条裂纹时,对称轴处裂纹先起裂;两条裂纹均偏置,裂纹均起裂,裂纹下端贯穿试件促进上端裂纹的扩展。主裂纹下端扩展轨迹会偏向次裂纹下端扩展轨迹;次裂纹上端裂纹扩展偏向主裂纹上端扩展形成的新表面。(3)采用透射式数字激光焦散线系统,对梁端含有不同位置、不同倾斜角的预制裂纹以及柱端含不同倾角预制裂纹的悬臂梁-柱试件进行冲击实验,得到预制裂纹扩展轨迹、裂纹扩展速度、裂尖应力强度因子等动态断裂力学参量演化规律。含单一垂直边裂纹的悬臂梁试件,裂纹扩展过程中,拉应力起主要作用,断裂模式为I型;具有斜裂纹试件的断裂模式为Ⅰ-Ⅱ复合型。梁端斜裂纹使得裂纹扩展过程中速度、加速度振荡性增强。直裂纹能量积累过程较短,先于含单一倾斜边裂纹悬臂梁构件达到动态断裂韧度,扩展路径较为平直。预制裂纹距节点核心区距离增加,预制裂纹起裂时间缩短,断裂模式逐渐由拉伸断裂向斜拉断裂转变,裂纹贯通点与预制裂纹的水平距离逐渐增加,曲裂程度增大;裂纹扩展的平均速度减小,裂纹从起裂到贯穿所需时间增加;试件断裂时K_Ⅰ~d值逐渐减小,K_Ⅱ~d值逐渐增加,试件平均扩展韧度逐渐减小。裂纹到节点核心区距离为32mm时,复合断裂特征最明显。对节点核心区附近含微裂纹的结构,应在其扩展路径上采取加固措施,抑制动态裂纹的扩展。柱端含不同角度预制裂纹试件的断裂模式均是Ⅰ-Ⅱ复合型。随着预制裂纹角度增加,能量在裂尖积累的越慢,裂纹起裂所需时间较长,裂纹扩展曲裂程度增大。斜裂纹对速度影响较大,预制裂纹倾斜角度增加导致扩展速度的最大值、平均值均增加。倾斜裂纹使得试件起裂时的K~d_(ⅠC)减小,K~d_(ⅡC)增加,剪应力比重增加。(4)采用动焦散线方法,研究了不同型式T型梁-柱试件支承条件、预制裂纹位置、数目的改变对裂纹起裂韧度、扩展速度、裂尖应力强度因子变化规律的影响。采用超动态应变仪和CEEMD波形去噪方法得到T型梁-柱试件的应力场分布特征。在应力波作用下靠近加载头的梁端裂纹易起裂,在反射拉伸波作用下,梁柱交点处形成应力集中,裂纹扩展。对梁的一侧自由端施加约束,位于柱端的裂纹较难起裂,裂纹短暂扩展后很快止裂;远离加载头一侧梁端以及柱端含有裂纹的试件,两条裂纹均起裂,梁端裂纹的起裂,促进了柱裂纹的扩展,二者速度交替变化,梁裂纹扩展轨迹偏向柱裂纹形成的断裂面。在梁的一侧自由端施加约束,含有不同数目裂纹的试件表现出不同的断裂特征:在两个梁端以及柱端含有预制裂纹的试件,靠近加载点的梁裂纹起裂;只在梁端含有裂纹的试件断裂后,由于冲击引起试件的振荡变形,梁柱交点处形成扩展裂纹,呈“C”字形在核心区扩展。含内部裂纹的T型试件,应力集中程度大的一端先起裂,扩展贯通后,裂纹另一端起裂。在卸载应力波的作用下,后起裂的裂纹尖端应力强度因子大幅提升,提升幅度最大为166%。含有两条内部裂纹的试件,后起裂的裂纹对先前扩展裂纹的速度,扩展轨迹都有较大影响。下部柱边界条件的改变对倒T型试件预制裂纹扩展轨迹有较大影响。上端固支、下端铰支时,上部柱裂纹起裂扩展,在梁柱核心区内发生曲裂,扩展速度较小;上、下端均固支时,柱裂纹没有起裂,梁柱交点处形成应力集中,试件断裂,裂纹扩展过程中,速度的振荡变化较小。上部边界条件的变化影响下部柱含有裂纹试件的断裂,上端没有约束时,含有柱裂纹的试件在柱裂纹以及梁柱交点处均起裂。倒T型试件裂纹数目变化,试件的断裂形态存在差异。梁端含有裂纹的试件,梁端裂纹起裂;梁端不含裂纹,梁柱交点处起裂扩展。随着裂纹数的增加,在结构破坏过程中,结构的不稳定性增强,速度振荡变化增加。含有多裂纹的试件,每条裂纹尖端都会形成应力集中,随着梁端或者梁柱交点处起裂,其他裂纹尖端应力集中消失。柱端含有预制裂纹的试件动态应力场分布有以下规律:水平方向,关于梁中性轴对称的点,受力对称,拉-压应变幅值基本相等;梁上侧受拉,梁中部应变节点内应变;梁下侧,随着到核心区距离减小,应变完成从拉到压的转变。竖直方向,加载头下方的应变片变化特征明显,能够反映应力波的变化规律。含有两条预制裂纹的试件应力场分布有以下规律:水平方向,关于中性轴对称的两点一侧受拉,另一侧受压。到梁柱核心区距离减小,两应变片的差值逐渐减小。竖直方向,加载头下方应变片拉,压特征明显,受应力波的影响最为显著。梁中部受力方向相反,应变幅值基本相等,节点核心区内一侧受拉,另一侧受扩展裂纹的影响,处于拉-压变化应力场中。(5)采用动焦散线实验方法,得到了对称梁-柱试件冲击断裂力学特性;采用超动态应变仪对梁底部含预制裂纹的门式试件与H型试件进行超动态应变测量,得到冲击断裂试件应力场分布规律。冲击应力波作用下,对梁底部含预制裂纹的门式试件,梁底部裂纹最先起裂;其次梁端裂纹,柱端裂纹起裂。梁端、柱端均含裂纹的试件,柱端裂纹形成应力集中,但未起裂。随着预制裂纹数的增加,梁端,柱端裂纹扩展的平均速度逐渐减小,速度振荡变化增强。梁底部不含有预制裂纹的门式试件,裂纹起裂时间显著增加。只在梁端或者柱端含有预制裂纹的试件,梁柱交点处先起裂,完全扩展后,梁端或者柱端裂纹扩展。梁端,柱端均含有裂纹的试件,柱端裂纹先起裂,在扩展到柱中部时,裂纹止裂,梁柱交点处裂纹起裂,完全扩展后,柱中裂纹继续扩展,且梁端裂纹也开始扩展,梁裂纹扩展韧度大于柱裂纹。含有内部裂纹的门式试件,内部裂纹位于梁端时,梁柱交点处首先起裂,扩展至梁上边界时,梁内部裂纹上端起裂。30μs后裂纹贯通试件,激发的“卸载”应力波增大了下端裂纹应力强度因子,裂纹下端起裂韧度为1.85MN/m~(3/2)。柱内部含有裂纹的试件,柱内裂纹并未起裂,在梁柱交点处扩展形成两条对称裂纹。梁底部含有预制裂纹的H型梁-柱试件,梁底部裂纹先起裂,之后梁端裂纹起裂;柱端含有裂纹的试件,梁柱交点处先于柱裂纹起裂;梁端,柱端均含有预制裂纹的试件,梁底部裂纹起裂后,梁端裂纹起裂、扩展,柱端裂纹最后起裂,梁端扩展裂纹在梁柱交点处受到压应力作用,裂纹止裂。在这段时间柱端裂应力强度因子显著增加,增幅为33%。裂纹的起裂时刻与裂纹数目紧密相连,裂纹多的结构易破坏,稳定性弱。裂纹数目、位置对上部柱含有裂纹的H型试件的动态断裂有较大影响。梁底部、上部柱含有裂纹的试件,只有梁底部裂纹扩展。下部柱含有预制裂纹的试件,由于下部柱裂纹的扩展,结构的稳定性降低,上部柱裂纹在梁-柱核心区内扩展。梁端、上部柱、下部柱均含有预制裂纹的试件,梁端裂纹,下部柱裂纹起裂,裂纹扩展平均速度较小。裂纹扩展到梁柱节点处速度逐渐减小,裂纹止裂;裂纹二次起裂后,扩展速度小于第一次裂纹扩展速度。研究了只在节点含有预制裂纹的H型试件的动态断裂特性。含梁端裂纹试件扩展过程中,裂纹逐渐出现分叉,主裂纹尖端的应力强度因子减弱,主裂纹扩展速度减小,次裂纹扩展一段时间后消失。含柱端裂纹的试件,柱端裂纹未起裂,梁柱上交点处裂纹起裂,在核心区内扩展,贯通于梁柱下交点处。分叉裂纹导致主次裂纹扩展速度均下降。内部含裂纹的试件破坏机制与含有边裂纹的试件存在较大不同,应力波作用下,含边裂纹试件只有一个裂纹尖端,应力波作用下,裂尖起裂;而对于试件内部裂纹,应力波同时与两个裂纹尖端相互作用,产生应力集中。这种能量的分散造成了含有内部裂纹的试件起裂所需时间较长。距边界较近的裂纹尖端应力集中程度较大,容易开裂,先扩展的裂尖对起裂较晚的裂尖扩展起到了促进作用。对梁底部含有预制裂纹的门式试件进行超动态应变测试。柱端含有预制裂纹的试件应变具有以下规律:梁底部裂纹在起裂时刻拉应变达到最大值1320με;到加载点距离增加,梁上、下侧应变逐渐减小,核心区内受力状态对称。梁端含有预制裂纹的试件水平方向动态应力场有以下分布规律:梁底部裂纹受拉应力,靠近加载头处先受压应力,由于反射波的影响,逐渐受拉;梁端裂纹附近先受拉后受压。梁底部含有预制裂纹的H型梁柱试件应力场分布具有以下规律:水平方向,梁底部裂纹附近拉应力作用强烈,梁柱下交点处压应力较大,节点核心区内受力对称。随着梁底裂纹的扩展,靠近加载头处压应变逐渐转变为拉应变,梁端裂纹处由受拉逐步变为受压。竖直方向,距加载点较近处受较强的压应力,梁底裂纹加载初期受压,随后逐步受拉。梁端含有预制裂纹时,上部柱内、外侧应变变化趋势一致,外侧应变值略大于内侧;下部柱内、外侧受力状态相反,柱内侧压应变幅值较大。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU473.1
【图文】：

试验机,凸透镜

MTS试验机Fig.2.1TheMTStestingmachine

裂纹扩展轨迹,裂纹扩展速度,试件

170μs 190μs 210μs 230μs 250μs(c)试件 S-M-3图 2.8 裂纹扩展轨迹Fig.2.8 The diagram of crack path.3 试件断裂的裂纹扩展速度

【参考文献】