含焊接細節(jié)的鋼結構損傷演化測試及其非線性規(guī)律分析.pdf

1、結構損傷可能導致結構局部和整體表現(xiàn)出來的行為特性發(fā)生改變。在結構服役過程中，構件之間的焊接區(qū)域處于復雜的應力集中區(qū)域，往往成為結構受力過程中的最不利位置區(qū)域，因此，了解結構焊接區(qū)域的損傷情況以及在結構局部發(fā)生損傷的同時動態(tài)捕捉結構整體響應特征的變化顯得十分重要。通?？捎糜诮Y構探傷的方法有：顯微鏡直接觀察法、電位法、柔度法、壓電材料法、聲發(fā)射技術等，然而現(xiàn)有的這些探傷方法都難以準確地在線測量結構損傷演化的過程。因此，如何在結構損傷演化的過

2、程中準確測試損傷程度、尋找敏感而可行的損傷參數(shù)指標，對結構進行損傷程度的測量與量化，對于認識損傷演化的規(guī)律和機理，具有重要的學術意義和工程應用價值。本文以某鋼桁架結構試樣為研究對象，以實驗研究為主要手段，探討了含焊接細節(jié)的鋼結構損傷演化過程測試方法，并基于測試信息分析了結構損傷演化的非線性規(guī)律。本文完成的主要工作及其成果有： 首先，通過對桁架結構試樣建立有限元分析模型進行結構應力響應初步分析，研究鋼桁架試樣在INSTRON880

3、2試驗系統(tǒng)可實現(xiàn)的加載工況下進行結構損傷演化過程測試的實驗方案。確定了用對鋼桁架結構試樣在其最不利的焊接細節(jié)部位通過逐步增加預制裂紋長度的方式預制6種不同程度的初始損傷工況，以便通過測試結構整體與焊接細節(jié)局部的響應和損傷演化過程，一方面縱向研究每一種損傷工況在加載范圍內焊接細節(jié)部位的損傷演化規(guī)律，另一方面橫向比較這6種初始損傷工況之間損傷規(guī)律的差別與聯(lián)系。 其次，用漫反射法分別對不同初始粗糙程度的低碳鋼標準試樣和鋼桁架結構在載荷

4、作用下的表面粗糙度的變化規(guī)律進行研究，以探討基于結構表面灰度值改變來在線識別結構損傷演化程度的可行性。以照明光的反射特性，建立低碳鋼在拉伸進入強化階段以后，其表面粗糙度與試樣塑性變形和表面損傷程度之間的關系。繼而，將漫反射法所確定的損傷指標參數(shù)應用到鋼桁架結構損傷識別實驗研究中，對鋼結構損傷演化過程進行測量和機理分析。研究結果表明：基于漫反射法和圖像處理得到的鋼構件承載過程中表面粗糙度的平均灰度值的變化可以判斷初始表面粗糙的金屬試樣是否

5、發(fā)生了塑性變形，同時還可以用它來定量描述試樣在塑性變形后期的損傷程度。但是對于鋼桁架結構，漫反射法只能識別出該區(qū)域塑性變形前期的損傷，并不能識別開始發(fā)生屈服損傷至屈服強化階段的損傷程度。 第三，研究用密布應變片的方法測量鋼桁架局部損傷區(qū)域在開始發(fā)生屈服損傷至屈服強化階段的損傷特征以及結構整體的響應信息。研究結果表明：1）密布應變片的方法能夠捕捉到初始裂紋尖端的屈服區(qū)域中的損傷程度。在初始裂紋尖端與腹板之間的縱貫線上的應力分布梯度

6、，經過擬合呈現(xiàn)的規(guī)律符合Ⅰ型裂紋的應力場分布規(guī)律；2）用循環(huán)拉伸載荷測得鋼桁架局部損傷區(qū)域在加載、卸載過程中的殘余應變、名義彈模與每一級加載載荷之間一一對應的關系，得到鋼桁架局部損傷區(qū)域在每一級加載載荷下的損傷狀態(tài)；3）桁架結構整體應變響應在6種初始的損傷工況下，其響應特征沒有發(fā)生可識別的變化，它對初始損傷工況不敏感：而桁架結構平面內剛度在初始的損傷工況下，其響應特征會發(fā)生顯著的變化，它作為損傷識別參數(shù)對這種初始損傷工況比較敏感，能夠將