含焊接細(xì)節(jié)的鋼結(jié)構(gòu)損傷演化測試及其非線性規(guī)律分析.pdf

1、結(jié)構(gòu)損傷可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部和整體表現(xiàn)出來的行為特性發(fā)生改變。在結(jié)構(gòu)服役過程中，構(gòu)件之間的焊接區(qū)域處于復(fù)雜的應(yīng)力集中區(qū)域，往往成為結(jié)構(gòu)受力過程中的最不利位置區(qū)域，因此，了解結(jié)構(gòu)焊接區(qū)域的損傷情況以及在結(jié)構(gòu)局部發(fā)生損傷的同時動態(tài)捕捉結(jié)構(gòu)整體響應(yīng)特征的變化顯得十分重要。通?？捎糜诮Y(jié)構(gòu)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(shù)等，然而現(xiàn)有的這些探傷方法都難以準(zhǔn)確地在線測量結(jié)構(gòu)損傷演化的過程。因此，如何在結(jié)構(gòu)損傷演化的過

2、程中準(zhǔn)確測試損傷程度、尋找敏感而可行的損傷參數(shù)指標(biāo)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行損傷程度的測量與量化，對于認(rèn)識損傷演化的規(guī)律和機理，具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價值。本文以某鋼桁架結(jié)構(gòu)試樣為研究對象，以實驗研究為主要手段，探討了含焊接細(xì)節(jié)的鋼結(jié)構(gòu)損傷演化過程測試方法，并基于測試信息分析了結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)試樣建立有限元分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)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(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷演化過程測試的實驗方案。確定了用對鋼桁架結(jié)構(gòu)試樣在其最不利的焊接細(xì)節(jié)部位通過逐步增加預(yù)制裂紋長度的方式預(yù)制6種不同程度的初始損傷工況，以便通過測試結(jié)構(gòu)整體與焊接細(xì)節(jié)局部的響應(yīng)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(nèi)焊接細(xì)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(biāo)準(zhǔn)試樣和鋼桁架結(jié)構(gòu)在載荷

4、作用下的表面粗糙度的變化規(guī)律進(jìn)行研究，以探討基于結(jié)構(gòu)表面灰度值改變來在線識別結(jié)構(gòu)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(jìn)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(guān)系。繼而，將漫反射法所確定的損傷指標(biāo)參數(shù)應(yīng)用到鋼桁架結(jié)構(gòu)損傷識別實驗研究中，對鋼結(jié)構(gòu)損傷演化過程進(jìn)行測量和機理分析。研究結(jié)果表明：基于漫反射法和圖像處理得到的鋼構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(yīng)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(jié)構(gòu)整體的響應(yīng)信息。研究結(jié)果表明：1）密布應(yīng)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(yīng)力分布梯度

6、，經(jīng)過擬合呈現(xiàn)的規(guī)律符合Ⅰ型裂紋的應(yīng)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(yīng)變、名義彈模與每一級加載載荷之間一一對應(yīng)的關(guān)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(jié)構(gòu)整體應(yīng)變響應(yīng)在6種初始的損傷工況下，其響應(yīng)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(jié)構(gòu)平面內(nèi)剛度在初始的損傷工況下，其響應(yīng)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?qū)?/p>