鋼結(jié)構(gòu)損傷累積至斷裂及損傷負(fù)向激勵(lì)的長(zhǎng)期效應(yīng).pdf

1、在許多鋼結(jié)構(gòu)損傷累積至破壞的工程問題中，各種載荷的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)材料缺陷是客觀存在的。本文從數(shù)學(xué)方法論角度出發(fā)，采用多學(xué)科交叉的研究方法，在廣泛綜合固體力學(xué)、流體力學(xué)、數(shù)學(xué)、物理、材料學(xué)、傳熱學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)和進(jìn)展的基礎(chǔ)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(jī)過程和隨機(jī)振動(dòng)和優(yōu)化設(shè)計(jì)等，從理論分析、數(shù)學(xué)?；蛿?shù)值模擬等多方面對(duì)常規(guī)與非常規(guī)邊界條件下的鋼結(jié)構(gòu)互聯(lián)損傷、損傷過程能量相互傳遞、損傷域擴(kuò)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(yīng)的比較行為進(jìn)行了深入系統(tǒng)研究，目的在于進(jìn)一步揭示鋼結(jié)構(gòu)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(dāng)解決一些實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)工程問題給出理論基礎(chǔ)和方法依據(jù)。 大跨度、高層鋼結(jié)構(gòu)(鋼橋)是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)的組成部分之一，它們的巨大投資及在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要作用，并且緊系人民生命和財(cái)產(chǎn)的安全，使得大跨度鋼結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)損傷累積至斷裂及損傷負(fù)向激勵(lì)的長(zhǎng)期效應(yīng)的建立給出了部分實(shí)用、有效的解決方案，為鋼結(jié)構(gòu)安全設(shè)防系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用給出一些理論成果。 首先，為分析鋼結(jié)構(gòu)損傷累積至斷裂的演變過程，從含初始缺陷鋼結(jié)構(gòu)的敏感性出發(fā)，給出了基于鋼結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)損傷響應(yīng)分析的斷裂數(shù)值模擬理論框架，指出該問題的實(shí)質(zhì)是求解鋼結(jié)構(gòu)在工作應(yīng)力低于屈服應(yīng)力的情況下發(fā)生斷裂對(duì)應(yīng)于初始缺陷對(duì)疲勞壽命增加的百分?jǐn)?shù)。設(shè)定初始缺陷為敏感激勵(lì)參數(shù)，并給出疲勞壽命、強(qiáng)度退化以

4、及二者間的數(shù)學(xué)計(jì)算模式。應(yīng)用確定安全期限的缺陷敏感性理論，運(yùn)用強(qiáng)度退化方法計(jì)算并比較不同初始缺陷情況下鋼結(jié)構(gòu)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(jié)論可為鋼結(jié)構(gòu)安全設(shè)防提供適當(dāng)指導(dǎo)和參考。 其次，焊接鋼橋結(jié)構(gòu)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(fù)向激勵(lì)?；诟窭锓扑鼓芰繙?zhǔn)則思想，給出了結(jié)合動(dòng)態(tài)能量相互傳遞與遺失理論(TETL)和

5、損傷負(fù)向激勵(lì)機(jī)制(MDPE)并考慮焊接鋼橋結(jié)構(gòu)剩余壽命的綜合評(píng)估方法。將給出的綜合評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)擬合到鋼橋結(jié)構(gòu)中，耦合了損傷負(fù)向激勵(lì)機(jī)制與焊接結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的一些關(guān)系。從而有機(jī)地促進(jìn)了能量相互傳遞與遺失理論和損傷負(fù)向激勵(lì)兩個(gè)方向的整體結(jié)合。在說明方法的有效性時(shí)，給出懸臂梁和X形框墩二者的焊接連接的簡(jiǎn)單算例，并與基于S-N曲線的CD法和檢測(cè)評(píng)估方法進(jìn)行了分析比較，為鋼橋結(jié)構(gòu)安全壽命給出了一種較為樸實(shí)、簡(jiǎn)單的預(yù)測(cè)方法。此外，互聯(lián)損傷網(wǎng)絡(luò)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(shí)差，能適當(dāng)調(diào)整損傷累積的開始和結(jié)束時(shí)間段，以達(dá)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(luò)的實(shí)際問題中，對(duì)于損傷量有兩個(gè)方面的要求：一是每個(gè)途上的損傷量不能超過該途的最大通過能力；二是途點(diǎn)的傳遞量認(rèn)為為零。損傷穩(wěn)定時(shí)間域是一類統(tǒng)計(jì)特性不隨時(shí)間推移而變的時(shí)間域。將這類時(shí)間域擬合到工程技術(shù)中，并介紹損傷穩(wěn)定時(shí)間域的一些理論及其簡(jiǎn)單應(yīng)用，包括損傷穩(wěn)定時(shí)間域及

7、其相關(guān)函數(shù)、各態(tài)歷經(jīng)性、譜密度、時(shí)間域譜分解、能量系統(tǒng)中的損傷穩(wěn)定時(shí)間域等。 同時(shí)，客觀地評(píng)價(jià)持續(xù)損傷至結(jié)構(gòu)的破壞行為是確保實(shí)現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)安全設(shè)防的因素之一。對(duì)于工程中鋼結(jié)構(gòu)的疲勞(累積)損傷給出了一些新思維：如鋼結(jié)構(gòu)能量的傳遞和釋放過程、損傷穩(wěn)定時(shí)間域推理、鋼結(jié)構(gòu)Runge-Kutta裂紋擴(kuò)展、互聯(lián)損傷傳遞網(wǎng)絡(luò)、鋼結(jié)構(gòu)耐久性和綜合評(píng)估并考慮鋼結(jié)構(gòu)服役期限的建模預(yù)測(cè)方法。基于鋼結(jié)構(gòu)損傷的各種關(guān)系和Irwin-Orowan的能量準(zhǔn)則，

8、并給出了模型參數(shù)的度量及計(jì)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(jì)算分析。數(shù)值分析的結(jié)果對(duì)鋼橋結(jié)構(gòu)的安全設(shè)防會(huì)有適當(dāng)?shù)膶?shí)踐指導(dǎo)意義。 最后，交通載荷、風(fēng)載荷、地震、海浪載荷等作用下鋼結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理的研究，將有助于鋼結(jié)構(gòu)建造物安全設(shè)防能力水平及服役期限的提高。同時(shí)，材料缺陷、損傷、破壞、斷裂、殘余應(yīng)力、能量準(zhǔn)則、優(yōu)化規(guī)劃和可靠性評(píng)估相互之間的交叉研究將會(huì)促進(jìn)鋼