鋼結構損傷累積至斷裂及損傷負向激勵的長期效應.pdf

1、在許多鋼結構損傷累積至破壞的工程問題中，各種載荷的隨機性和結構材料缺陷是客觀存在的。本文從數(shù)學方法論角度出發(fā)，采用多學科交叉的研究方法，在廣泛綜合固體力學、流體力學、數(shù)學、物理、材料學、傳熱學等領域的知識和進展的基礎上，利用微分方程相似變換理論、函數(shù)分析理論、積分方程理論、廣義函數(shù)理論、隨機過程和隨機振動和優(yōu)化設計等，從理論分析、數(shù)學?；蛿?shù)值模擬等多方面對常規(guī)與非常規(guī)邊界條件下的鋼結構互聯(lián)損傷、損傷過程能量相互傳遞、損傷域擴展、能量遺

2、失和損傷累積至失效問題的解析求解、解的性態(tài)及相應的比較行為進行了深入系統(tǒng)研究，目的在于進一步揭示鋼結構損傷、破壞、可靠性和服役期限等問題內(nèi)在的本質(zhì)聯(lián)系，并為適當解決一些實際鋼結構工程問題給出理論基礎和方法依據(jù)。 大跨度、高層鋼結構(鋼橋)是一個國家經(jīng)濟的組成部分之一，它們的巨大投資及在國民經(jīng)濟中的重要作用，并且緊系人民生命和財產(chǎn)的安全，使得大跨度鋼結構(橋梁)的安全性、耐久性和正常使用功能也越來越受到重視。 本文的研究工

3、作為鋼結構損傷累積至斷裂及損傷負向激勵的長期效應的建立給出了部分實用、有效的解決方案，為鋼結構安全設防系統(tǒng)的進一步發(fā)展應用給出一些理論成果。 首先，為分析鋼結構損傷累積至斷裂的演變過程，從含初始缺陷鋼結構的敏感性出發(fā)，給出了基于鋼結構動態(tài)損傷響應分析的斷裂數(shù)值模擬理論框架，指出該問題的實質(zhì)是求解鋼結構在工作應力低于屈服應力的情況下發(fā)生斷裂對應于初始缺陷對疲勞壽命增加的百分數(shù)。設定初始缺陷為敏感激勵參數(shù)，并給出疲勞壽命、強度退化以

4、及二者間的數(shù)學計算模式。應用確定安全期限的缺陷敏感性理論，運用強度退化方法計算并比較不同初始缺陷情況下鋼結構抗斷裂韌性和疲勞壽命數(shù)值之間的偏差，表明了方法的可行性和有效性。這些結論可為鋼結構安全設防提供適當指導和參考。 其次，焊接鋼橋結構持續(xù)損傷至破壞的過程可以從兩方面加以分析：一方面要考慮此過程中能量的耗散；另一方面要考慮此過程中焊接部位損傷負向激勵。基于格里菲斯能量準則思想，給出了結合動態(tài)能量相互傳遞與遺失理論(TETL)和

5、損傷負向激勵機制(MDPE)并考慮焊接鋼橋結構剩余壽命的綜合評估方法。將給出的綜合評估標準擬合到鋼橋結構中，耦合了損傷負向激勵機制與焊接結構參數(shù)之間的一些關系。從而有機地促進了能量相互傳遞與遺失理論和損傷負向激勵兩個方向的整體結合。在說明方法的有效性時，給出懸臂梁和X形框墩二者的焊接連接的簡單算例，并與基于S-N曲線的CD法和檢測評估方法進行了分析比較，為鋼橋結構安全壽命給出了一種較為樸實、簡單的預測方法。此外，互聯(lián)損傷網(wǎng)絡存在能量消耗

6、的過程，能量傳遞優(yōu)化是利用損傷累積過程的時差，能適當調(diào)整損傷累積的開始和結束時間段，以達到減少峰期的耗散量，增加低谷期的耗散量，使各局部能量相互傳遞趨于均衡。在互聯(lián)損傷傳遞網(wǎng)絡的實際問題中，對于損傷量有兩個方面的要求：一是每個途上的損傷量不能超過該途的最大通過能力；二是途點的傳遞量認為為零。損傷穩(wěn)定時間域是一類統(tǒng)計特性不隨時間推移而變的時間域。將這類時間域擬合到工程技術中，并介紹損傷穩(wěn)定時間域的一些理論及其簡單應用，包括損傷穩(wěn)定時間域及

7、其相關函數(shù)、各態(tài)歷經(jīng)性、譜密度、時間域譜分解、能量系統(tǒng)中的損傷穩(wěn)定時間域等。 同時，客觀地評價持續(xù)損傷至結構的破壞行為是確保實現(xiàn)鋼結構安全設防的因素之一。對于工程中鋼結構的疲勞(累積)損傷給出了一些新思維：如鋼結構能量的傳遞和釋放過程、損傷穩(wěn)定時間域推理、鋼結構Runge-Kutta裂紋擴展、互聯(lián)損傷傳遞網(wǎng)絡、鋼結構耐久性和綜合評估并考慮鋼結構服役期限的建模預測方法?；阡摻Y構損傷的各種關系和Irwin-Orowan的能量準則，

8、并給出了模型參數(shù)的度量及計算方法。表述了互聯(lián)多維損傷和耗能之間同步變化與協(xié)調(diào)發(fā)展的內(nèi)在微薄規(guī)律。之后，給出了一些理論和工程中的例子，并做出計算分析。數(shù)值分析的結果對鋼橋結構的安全設防會有適當?shù)膶嵺`指導意義。 最后，交通載荷、風載荷、地震、海浪載荷等作用下鋼結構破壞機理的研究，將有助于鋼結構建造物安全設防能力水平及服役期限的提高。同時，材料缺陷、損傷、破壞、斷裂、殘余應力、能量準則、優(yōu)化規(guī)劃和可靠性評估相互之間的交叉研究將會促進鋼