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能量释放率对栓焊钢节点的脆断性能的影响

作　者: 李祎
导　师: 孙玉萍
学　校: 兰州理工大学
专　业: 结构工程
关键词: 能量释放率焊缝裂纹梁柱栓焊节点断裂性能
分类号: TU391
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着国民经济的快速发展,钢结构以其良好的力学性能、经济性能和使用性能广泛地应用在大型工业设备、厂房、桥梁等领域,尤其是在建筑上。但是在北岭地震(Northridge Earthquake)和阪神地震(Hyogoken-Nanbu Earthquake)中可以看到,许多钢结构建筑的倒塌破坏是由于焊接梁柱节点的失效破坏引起的,其中多数情况下是因为焊接工艺的影响,在钢节点连接中出现了裂纹而导致钢结构发生脆性断裂。目前国内的钢结构设计规范中对钢结构脆性断裂的控制还很不完善,不能够对构件是否发生脆性断裂进行定量的准确判断和分析。针对北岭地震中失效的钢结构梁柱栓焊连接节点,本论文以断裂力学作为理论依据,利用Ⅰ型裂纹模式,采用线弹性阶段下J积分理论相当于能量释放率理论作为本论文的研究前提,应用了大型有限元软件ABAQUS6.9.1,选用了低碳钢Q235B,使用了不同截面形状和尺寸的梁柱栓接节点,利用了倒塌单元技术模拟裂纹尖端处的奇异应力场,模拟了六组节点试件,分析了焊缝裂纹尖端附近的能量释放率对钢结构节点脆性断裂性能影响,为对以后钢结构脆断的判断和分析提供相关依据。结果表明:裂纹尖端处的最大能量释放率发生在梁下翼缘处。在相同荷载作用下裂纹尖端处的能量释放率会随着梁柱截面的增大而减小。柱截面不变时随着梁截面的增大而减小,随着弹性模量的增大而减小,随着回转半径的增加而变大,即梁截面惯性矩大的节点承载能力强。方钢柱H型梁节点的断裂性能较H型钢节点好,其裂纹尖端处的最大能量释放率在相同荷载作用下较H型钢柱的小。两种连接节点发生裂纹失稳破坏时的位置不同,H型钢柱节点在柱焊缝界面处的中心,而方钢型柱节点发生在柱焊缝界面处150mm的边缘。此外,梁下翼缘位置裂纹先于上翼缘处开裂,裂纹尖端处在达到最大能量释放率前,上翼缘处的裂纹连同其对应的柱的加劲肋会先后发生屈曲,降低了下翼缘位置处的裂纹尖端的临界能量释放率。裂纹尖端处能量释放率不受荷载作用位置的影响。只要荷载达到了断裂韧性,裂纹就会失稳扩展。另外,材料的弹性模量会影响裂纹尖端处的能量释放率。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题背景  10-12
  1.2 国内外研究现状  12-16
    1.2.1 国外研究现状  12-14
    1.2.2 国内研究现状  14-16
  1.3 课题研究目的  16
  1.4 课题研究意义  16-17
  1.5 本文研究的主要内容  17-18
第2章结构钢断裂准则  18-27
  2.1 钢结构的脆性断裂  18-19
  2.2 裂纹类型的选取  19-21
  2.3 能量释放率准则（G 准则）  21-23
  2.4 J 积分理论  23-25
  2.5 G 与J 的关系  25-26
  2.6 本章小结  26-27
第3章梁柱栓焊节点的有限元模型  27-35
  3.1 有限元ABAQUS 的应用  27
  3.2 梁柱栓焊连接节点的模拟  27-29
  3.3 焊缝裂纹的模拟  29-30
    3.3.1 裂缝的创建  29
    3.3.2 裂纹的模拟  29-30
  3.4 围线积分的定义  30-31
  3.5 裂纹尖端处的奇异应变场的控制  31-32
    3.5.1 小应变情况下的网格划分  31-32
    3.5.2 平方根奇异应变场的创建  32
  3.6 单元算法的应用  32-33
  3.7 单元类型的选取  33-34
  3.8 本章小结  34-35
第4章梁柱栓焊连接节点的数值分析结果  35-60
  4.1 能量释放率随着梁柱截面的增大而减小  35-43
    4.1.1 三种试件的数值分析结果  37-42
    4.1.2 本组结论  42-43
  4.2 能量释放率随着回转半径的增加而变大  43-50
    4.2.1 本组试件的数值分析结果  44-48
    4.2.2 本组结论  48-50
  4.3 方钢柱H 型梁断裂性能较H 型钢节点好  50-51
  4.4 最大能量释放率会随着弹性模量的增大而减小  51-52
  4.5 荷载作用点对能量释放率无影响  52-55
  4.6 连接节点各部分的破坏  55-59
  4.7 本章小结  59-60
结论与展望  60-62
  结论  60-61
  展望  61-62
参考文献  62-66
致谢  66-67
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录  67

能量释放率对栓焊钢节点的脆断性能的影响

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