既有輕鋼結構損傷后的抗災性能分析.pdf

1、輕鋼結構主要用于荷載不是很大的單層廠房。由于具有材質輕、構件跨度相對較大等特點，輕鋼結構在服役中遭受狂風、暴雪等強荷載作用時極易發(fā)生局部應力集中和較大的局部變形。結構中的損傷總是從最不利局部細節(jié)處開始的，特別是焊連接和銹蝕局部部位往往是應力集中和易發(fā)生先天性缺陷的地方，往往在結構整體上還處于彈性階段時這些部位就已經(jīng)由于應力集中發(fā)生了塑性變形或者由于損傷累積發(fā)生構件連接處的局部失效，使結構的抗災性能劣化，甚至導致結構達不到預期使用壽命就發(fā)

2、生破壞。
　　如果能通過損傷檢測技術檢測發(fā)現(xiàn)既有輕鋼結構中存在的各類損傷，建立輕鋼結構的損傷物理模型，并根據(jù)損傷物理模型建立含損傷的既有輕鋼結構性能分析的有限元模型，計算分析既有輕鋼結構損傷后的抗災性能并與目前忽略損傷的結構分析結果進行比較，就篚夠更準確的掌握結構在損傷后的抗災性能，同時可探討局部損傷狀態(tài)對輕鋼結構整體抗災性能的影響，這對于既有輕鋼結構的抗災性能評估和防災減災將具有重要的參考意義。
　　本文針對已具備結構損傷

3、現(xiàn)場檢測資料的輕鋼結構工業(yè)廠房，圍繞輕鋼結構損傷性能的模擬、結構損傷后的極限承載能力評估、局部構件的彈塑性分析和斷裂分析等關鍵問題，應用大型通用有限元軟件ANSYS建立可以反映局部損傷狀態(tài)的單層輕鋼結構工業(yè)廠房的多尺度模型，計算分析含損傷的既有輕鋼結構在各種災害荷載下的局部非線性行為，進行結構損傷后的極限承載能力分析，結構局部三維裂紋的斷裂分析等研究，對既有輕鋼結構損傷后的抗災性能作出準確的評估，揭示了輕鋼結構抗災性能隨局部損傷程度的變

4、化規(guī)律。本文完成的研究工作和獲得的主要成果有:
　　1)通過對既有輕鋼結構損傷狀態(tài)現(xiàn)場檢測資料的分析，發(fā)現(xiàn)輕鋼結構工程中常見的、對主要承重構件承載能力影響較大的主要損傷形式是銹蝕損傷和焊接裂紋。銹蝕損傷不僅引起銹蝕局部材料力學性能的變化，而且改變了銹蝕局部構件的有效承載截面尺寸。根據(jù)銹蝕局部的形態(tài)將銹蝕損傷分為均勻銹蝕損傷和非均勻銹蝕損傷;而輕鋼結構跨中區(qū)域和梁柱節(jié)點區(qū)域焊縫焊根處和焊接熱影響區(qū)的裂紋是對結構抗災性能影響較大的裂紋

5、，可通過在結構模擬中直接引入裂紋幾何與物理特性來建立含裂紋的結構性能分析模型。
　　2)分別建立了均勻銹蝕和非均勻銹蝕的損傷物理性能的描述方法。通過截面抗彎剛度削弱定義的結構局部均勻銹蝕損傷度能夠很好地反映構件局部的損傷程度，而根據(jù)截面積削減定義的均勻銹蝕損傷度與真實情況相差較大。在定義非均勻銹蝕損傷時，根據(jù)截面抗彎剛度降低程度最大的截面來定義結構局部的損傷程度，該定義方法忽略了銹坑處的應力集中對構件損傷的影響，當銹坑處應力集中程

6、度較大時非均勻銹蝕損傷對結構承載能力的降低將遠大于同等程度的均勻銹蝕損傷。
　　3)建立了已銹蝕既有輕鋼結構損傷后的結構多尺度有限元模型，采用多點約束方程的方法實現(xiàn)了不同尺度和不同類型單元的連接。計算得到了銹蝕損傷后的結構在雪荷載作用下的非線性響應。為進行比較分析，同時建立了不考慮局部銹蝕的輕鋼結構有限元模型。研究結果表明，與不考慮銹蝕損傷的結構分析結果相比，既有輕鋼結構中客觀存在的銹蝕損傷提高了結構銹蝕局部的應力集中水平，使結構

7、中的銹蝕構件局部提前進入塑性階段，降低了結構的極限承載能力和抵抗塑性變形的能力。既有輕鋼結構中存在非均勻銹蝕構件在銹坑處存在嚴重的應力集中使得銹坑處材料提前失效，進而在一定程度上降低了結構的整體抗雪災性能。
　　4)通過對含不同程度銹蝕損傷的既有輕鋼結構在雪荷載作用下的極限承載能力的計算分析，并與不考慮銹蝕的輕鋼結構相應的分析結果進行對比，揭示了銹蝕損傷對結構結構抗雪災性能的影響，和抗災性能隨銹蝕損傷程度的變化規(guī)律。研究結果表明:

8、隨著銹蝕深度的增長，銹蝕損傷程度不斷增大，含銹蝕損傷的既有輕鋼結構的承載能力不斷降低，且下降的速度越來越快。銹蝕程度較輕時，承載能力降低與銹蝕深度呈線性關系;銹蝕深度超過截面尺寸的一半后，結構承載能力迅速降低且降低的速率要明顯高于截面削弱的速率。而結構承載力隨銹坑半徑增大和銹坑面密度變化規(guī)律都不是單調的，存在一定的波動性。
　　5)通過建立不同類型和不同長度的裂紋并引入既有輕鋼結構多尺度分析模型中，對含焊接裂紋的輕鋼結構和忽略裂紋

9、的結構分析模型施加不同的災害荷載工況，獲得了裂紋物理特性對既有輕鋼結構中存在裂紋的構件在裂紋尖端的局部應力分布的突變和對結構斷裂性能的影響。研究結果表明:梁柱節(jié)點區(qū)域和跨中區(qū)域存在的裂紋對結構的影響主要體現(xiàn)在含裂紋構件局部區(qū)域和裂紋尖端應力分布的改變。裂紋長度的增大提高了裂紋尖端的應力強度因子，使相關構件更容易由于裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴展而導致構件斷裂。如果既有輕鋼結構的粱柱節(jié)點區(qū)域的腹板含有中心貫穿裂紋，那么隨著裂紋長度的增加，當結構遭遇暴雪