既有轻钢结构损伤后的抗灾性能分析

发布时间：2020-09-16 16:57

　　轻钢结构主要用于荷载不是很大的单层厂房。由于具有材质轻、构件跨度相对较大等特点,轻钢结构在服役中遭受狂风、暴雪等强荷载作用时极易发生局部应力集中和较大的局部变形。结构中的损伤总是从最不利局部细节处开始的,特别是焊连接和锈蚀局部部位往往是应力集中和易发生先天性缺陷的地方,往往在结构整体上还处于弹性阶段时这些部位就己经由于应力集中发生了塑性变形或者由于损伤累积发生构件连接处的局部失效,使结构的抗灾性能劣化,甚至导致结构达不到预期使用寿命就发生破坏。如果能通过损伤检测技术检测发现既有轻钢结构中存在的各类损伤,建立轻钢结构的损伤物理模型,并根据损伤物理模型建立含损伤的既有轻钢结构性能分析的有限元模型,计算分析既有轻钢结构损伤后的抗灾性能并与目前忽略损伤的结构分析结果进行比较,就能够更准确的掌握结构在损伤后的抗灾性能,同时可探讨局部损伤状态对轻钢结构整体抗灾性能的影响,这对于既有轻钢结构的抗灾性能评估和防灾减灾将具有重要的参考意义。本文针对已具备结构损伤现场检测资料的轻钢结构工业厂房,围绕轻钢结构损伤性能的模拟、结构损伤后的极限承载能力评估、局部构件的弹塑性分析和断裂分析等关键问题,应用大型通用有限元软件ANSYS建立可以反映局部损伤状态的单层轻钢结构工业厂房的多尺度模型,计算分析含损伤的既有轻钢结构在各种灾害荷载下的局部非线性行为,进行结构损伤后的极限承载能力分析,结构局部三维裂纹的断裂分析等研究,对既有轻钢结构损伤后的抗灾性能作出准确的评估,揭示了轻钢结构抗灾性能随局部损伤程度的变化规律。本文完成的研究工作和获得的主要成果有：1)通过对既有轻钢结构损伤状态现场检测资料的分析,发现轻钢结构工程中常见的、对主要承重构件承载能力影响较大的主要损伤形式是锈蚀损伤和焊接裂纹。锈蚀损伤不仅引起锈蚀局部材料力学性能的变化,而且改变了锈蚀局部构件的有效承载截面尺寸。根据锈蚀局部的形态将锈蚀损伤分为均匀锈蚀损伤和非均匀锈蚀损伤；而轻钢结构跨中区域和梁柱节点区域焊缝焊根处和焊接热影响区的裂纹是对结构抗灾性能影响较大的裂纹,可通过在结构模拟中直接引入裂纹几何与物理特性来建立含裂纹的结构性能分析模型。2)分别建立了均匀锈蚀和非均匀锈蚀的损伤物理性能的描述方法。通过截面抗弯刚度削弱定义的结构局部均匀锈蚀损伤度能够很好地反映构件局部的损伤程度,而根据截面积削减定义的均匀锈蚀损伤度与真实情况相差较大。在定义非均匀锈蚀损伤时,根据截面抗弯刚度降低程度最大的截面来定义结构局部的损伤程度,该定义方法忽略了锈坑处的应力集中对构件损伤的影响,当锈坑处应力集中程度较大时非均匀锈蚀损伤对结构承载能力的降低将远大于同等程度的均匀锈蚀损伤。3)建立了己锈蚀既有轻钢结构损伤后的结构多尺度有限元模型,采用多点约束方程的方法实现了不同尺度和不同类型单元的连接。计算得到了锈蚀损伤后的结构在雪荷载作用下的非线性响应。为进行比较分析,同时建立了不考虑局部锈蚀的轻钢结构有限元模型。研究结果表明,与不考虑锈蚀损伤的结构分析结果相比,既有轻钢结构中客观存在的锈蚀损伤提高了结构锈蚀局部的应力集中水平,使结构中的锈蚀构件局部提前进入塑性阶段,降低了结构的极限承载能力和抵抗塑性变形的能力。既有轻钢结构中存在非均匀锈蚀构件在锈坑处存在严重的应力集中使得锈坑处材料提前失效,进而在一定程度上降低了结构的整体抗雪灾性能。4)通过对含不同程度锈蚀损伤的既有轻钢结构在雪荷载作用下的极限承载能力的计算分析,并与不考虑锈蚀的轻钢结构相应的分析结果进行对比,揭示了锈蚀损伤对结构结构抗雪灾性能的影响,和抗灾性能随锈蚀损伤程度的变化规律。研究结果表明：随着锈蚀深度的增长,锈蚀损伤程度不断增大,含锈蚀损伤的既有轻钢结构的承载能力不断降低,且下降的速度越来越快。锈蚀程度较轻时,承载能力降低与锈蚀深度呈线性关系；锈蚀深度超过截面尺寸的一半后,结构承载能力迅速降低且降低的速率要明显高于截面削弱的速率。而结构承载力随锈坑半径增大和锈坑面密度变化规律都不是单调的,存在一定的波动性。5)通过建立不同类型和不同长度的裂纹并引入既有轻钢结构多尺度分析模型中,对含焊接裂纹的轻钢结构和忽略裂纹的结构分析模型施加不同的灾害荷载工况,获得了裂纹物理特性对既有轻钢结构中存在裂纹的构件在裂纹尖端的局部应力分布的突变和对结构断裂性能的影响。研究结果表明：梁柱节点区域和跨中区域存在的裂纹对结构的影响主要体现在含裂纹构件局部区域和裂纹尖端应力分布的改变。裂纹长度的增大提高了裂纹尖端的应力强度因子,使相关构件更容易由于裂纹发生失稳扩展而导致构件断裂。如果既有轻钢结构的梁柱节点区域的腹板含有中心贯穿裂纹,那么随着裂纹长度的增加,当结构遭遇暴雪时梁柱节点腹板处除裂纹尖端以外区域的应力水平由于裂纹的应力释放而不断降低；当裂纹长度增大至一定程度时,裂纹发生失稳扩展进而引起整体结构的失效。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：O347.3

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