基于CVGM断裂预测模型的梁柱焊接节点的超低周疲劳分析

钢框架梁柱节点在罕遇或极罕遇地震作用下由于地震幅循环次数少而容易发生超低周疲劳断裂,而空穴循环增长模型(CVGM)从初始裂纹与裂纹扩展两阶段评估梁柱焊接节点的超低周疲劳断裂的性能.利用CVGM理论分析超低周疲劳断裂机理与CVGM疲劳模型的参数,然后编写CVGM断裂预测模型的FORTRAN程序,基于该程序计算梁柱焊接节点有限元模型在恒幅与变幅位移荷载作用下的断裂指数FI_c,进而评估不同加载机制下焊接节点的超低周疲劳性能.结果表明,负载下梁柱焊接节点的焊趾与焊接工艺孔处应力高度集中并最先起裂,随着加载的位移幅的增大,FI_c逐渐增大,疲劳循环次数随之降低,表明CVGM模型预测超低周疲劳性能的有效性.

具有不同焊接孔的梁柱焊接节点非线性分析

为了研究不同的焊接孔对节点延性的影响,对具有不同焊接孔的梁柱焊接节点进行了循环荷载作用下的非线性分析。通过改变焊接孔的外形和尺寸来获得不同的有限元模型,节点的延性以焊接孔与梁翼缘相接处的几个力学参数来衡量。分析结果表明,采用中国建筑抗震规范推荐的焊接孔在焊接孔根部产生相对较大的累积塑性应变,而美国FEMA推荐的焊接孔在根部具有较高的三轴比,文献资料中的试验数据证明了结论的正确性。

基于钢框架梁柱焊接节点超低周疲劳性能的焊接孔构造优化研究

强往复荷载作用可能导致钢框架梁柱节点的焊接孔处发生超低周疲劳(ULCF)断裂,将数值模拟的应力应变状态代入循环孔洞扩张模型(CVGM)是预测ULCF断裂的普遍方法。将上述方法扩展至改进循环孔洞扩张模型(ICVGM),可用于各类焊接孔形节点的断裂预测,给出优化的焊接孔形。为此,基于既有试验数据提出ICVGM参数标定方法,确定Q355钢的相关参数;将ICVGM预测结果与钢框架节点局部试件断裂试验结果进行对比,揭示二者的一致性,验证ICVGM较CVGM的准确性;同时,采用ICVGM获得不同焊接孔形节点的断裂倾向,提出优化建议及合理孔形。有限元参数分析表明:增加焊接孔长度可以降低节点的断裂倾向;采用半圆形及FEMA-350推荐孔形节点的断裂倾向最低;优化孔形使得断裂位置由热影响区转移至母材,从而提高节点延性。

基于细观损伤力学的梁柱焊接节点断裂破坏预测分析

应用细观损伤力学模型预测分析单调荷载作用下梁柱焊接节点的裂纹萌生与扩展。分别依据节点部位的母材、热影响区和焊缝金属缺口试样的单轴拉伸试验,标定材料细观损伤力学模型的参数;通过有限元分析模拟,预测焊接节点的开裂位置以及断裂破坏的过程,与已有试验结果以及基于微孔扩展模型和应力修正临界应变模型的有限元分析结果相比,建议的细观损伤力学模型的有限元分析结果具有更好的预测精度;针对不同焊接孔几何形状对节点断裂性能的影响进行有限元分析,结果表明,孔的几何形状对节点的断裂破坏模式的影响显著,长圆孔比圆孔具有更好的节点延性,开裂延缓,但是两种孔形的节点承载力差别很小。

基于等效结构应力的钢框架焊接梁柱节点低周疲劳评估

在地震作用下钢框架梁柱焊接节点会发生低周疲劳现象,进而导致结构发生破坏。本文基于等效结构应力法提出一种高层钢框架梁柱焊接节点低周疲劳评估方法。首先,结合有限元多尺度模拟方法,建立包含翼缘及腹板焊缝细节的钢框架梁柱焊接节点多尺度模型。其次,利用不同单元尺寸多尺度模型,验证结构应力的网格不敏感特性,进而通过等效结构应力法评估钢框架梁柱焊接节点的疲劳寿命。结果表明,采用等效结构应力法可消除网格的敏感性,在往复荷载作用下,靠近工艺孔焊缝应力水平高于远离工艺孔焊缝,翼缘中心焊缝寿命最低,裂纹最先产生于翼缘焊缝中心处,评估方法为实际工程提供技术支持。

一般大气环境下锈蚀H型钢梁柱焊接节点抗震性能试验

为研究一般大气环境锈蚀对梁柱焊接节点抗震性能的影响,对6根H型钢焊接梁柱节点试件进行了户外周期喷淋加速腐蚀试验与低周往复荷载试验,研究不同锈蚀率对焊接梁柱节点损伤过程、破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、承载力、变形能力、刚度及耗能能力的影响,得到了其承载力、延性及耗能能力随锈蚀率增大的退化规律。研究结果表明:一般大气环境下节点呈现出全面锈蚀特征,且不同位置的锈蚀量存在差别,梁下翼缘的锈蚀量最大,梁腹板、柱翼缘和柱腹板的锈蚀量次之,梁上翼缘的锈蚀量最小;锈蚀对梁柱焊接节点失效模式具有重要影响,锈蚀率为5.03%~8.85%的节点梁根部发生严重局部屈曲,产生了明显的承载力退化现象,破坏特征由突然破坏向混合破坏转变,且锈蚀导致断裂临界裂缝萌生位置上移及扩展路径改变;锈蚀节点屈服荷载、峰值荷载、峰值位移和位移延性系数均呈线性退化规律,并产生初始刚度损伤,破坏时塑性循环加载次数较未锈蚀节点降低2~4次,累积耗能呈幂函数降低趋势,锈蚀率为5.03%~8.85%节点梁端总转角不能满足总转角5%的抗震设计要求。

杭州国会中心焊接节点试验的设计与分析

针对杭州国际会议中心梁柱焊接节点进行了试验的方案设计和结果的有限元对比分析。在方案设计中,为比较真实荷载和简化荷载对节点引起的差异,通过有限单元法进行了数值模拟。通过对节点1/3缩尺模型试验的跟踪测试,得到了节点表面各测点的应力分布及测试值,测试结果表明节点的强度满足3倍设计荷载的要求。采用有限元软件模拟了不同受力状态下节点的弹塑性计算分析,测点的实测应力和有限元分析结果基本吻合,表明有限元分析的结果能真实反映节点的实际受力性能。两者之间的相互印证表明可以由有限元分析数据推断由于试验限制而不能测量的节点内部的应力数值及分布情况。最后对节点的受力性能和安全性做出了评价。节点试验表明在数倍设计荷载作用下,构件及节点的承载和变形能力都较强,并体现了"强柱弱梁,节点更强"的设计理念。所采用的试验方法和计算手段可供类似的工程应用参考。

焊接节点滞回性能实验研究——以方钢管混凝土柱—空心钢管梁为对象

为了研究方钢管混凝土柱—空心钢管梁焊接节点的抗震性能,对4个T字形的缩尺试件进行了低周反复循环加载试验,根据实测的滞回曲线对节点的承载能力、延性、耗能能力等抗震指标进行了分析,研究了各试件在不同轴压比情况下的破坏过程及特征。试验结果表明:该节点滞回曲线饱满,耗能能力强,具有良好的抗震性能,但是随着轴压比的增大,节点的极限承载能力、位移延性和耗能能力均有所降低,对节点的抗震性能有一定影响。

空间钢框架全焊接节点抗火设计的有限元分析

为考察钢框架梁-柱连接的抗火性能,建立平面钢框架全焊接节点有限元模型,用ANSYS分析其在火载荷作用下的行为,得到的温度-转角曲线与试验数据基本吻合;通过数值模拟得到不同载荷比值下的4种空间钢框架全焊接节点的温度-转角曲线.结果表明:载荷比值不同,空间钢框架全焊接节点在火灾作用下的临界温度不同;在相同的载荷比值下,不同空间钢框架全焊接节点的临界温度也不相同.在空间钢框架全焊接节点的抗火设计中,应加强对H型柱翼缘与梁连接方向的边节点和角节点的防火保护.

节点域对无横向加劲肋节点延性的影响

抗弯框架焊接节点的节点域刚度影响节点的应力应变分布,因此对节点延性具有重要影响。通常认为,节点域的屈服有助于节点的延性性能,但是过大的节点域变形同样易于导致节点开裂,降低延性。这一结论是根据设置柱横向加劲肋的T形节点的理论分析和试验研究得出的。本文通过对节点进行三维非线性有限元分析,研究了节点域刚度对无横向加劲肋的节点延性的影响,分析结果表明较强的节点域对无横向加劲肋的节点延性有利。

钢框架结构的震害及其原因

在美国的北岭地震和日本的阪神地震中,钢框架结构发生的震害引起了各国学者注意。震害主要发生在梁柱焊接节点处。在阪神地震中还发生了钢柱的脆断和柱脚的破坏。结合各国学者的研究,对北岭和阪神地震震害进行比较,分析震害发生的原因。

高层钢框架支撑结构多尺度风致疲劳分析方法

为了研究高层钢结构风致疲劳性能,提出了一种由整体尺度到局部节点尺度再到局部焊缝尺度的结构多尺度疲劳分析方法.选取某高层钢框架支撑结构为实际工程,模拟了相应的风荷载,通过建立结构的多尺度有限元模型,对模型进行时程分析,确定了结构应力较为集中的梁柱节点,并得到其应力集中的区域.然后,采用热点应力法对裂纹萌生寿命进行评估,并研究了单元类型及网格划分尺寸对结果的影响.结果表明:该结构底层边跨梁柱节点内侧梁上翼缘板的侧下部易产生较大的应力集中而萌生疲劳裂纹;对于焊缝附近的网格划分类型来说,线性单元及网格尺寸4 mm已基本满足精度需要;该工程的疲劳裂纹萌生寿命为335 a.

建筑结构钢超低周疲劳断裂破坏的损伤预测模型

针对地震作用下建筑结构钢的超低周疲劳断裂问题,在单调加载损伤模型的基础上,提出了一种适用于超低周循环加载情况下的损伤预测模型,并借助ABAQUS软件的用户自定义材料子程序模块,将建立的损伤预测模型引入到有限元分析程序中。然后分别依据建筑钢结构母材、热影响区和焊缝金属缺口试样的单调加载和超低周循环加载试验,标定了材料的损伤模型参数,并对比分析了缺口圆棒试样在不同加载方式下的损伤演化规律,损伤分析结果表明缺口圆棒试样的裂纹都产生于试样截面中心处,这与试验结果一致。最后,以钢框架梁柱焊接节点为研究对象,应用损伤模型分析了节点危险部位的损伤演化规律,数值模拟了节点的超低周疲劳断裂破坏过程,最终得到节点的疲劳寿命与试验结果吻合良好。

矩形高层钢结构风致疲劳分析中体型系数的讨论

高层钢结构梁柱焊接节点在风作用下可能发生疲劳破坏。目前结构风致疲劳的分析方法是,采用体型系数整体上替代结构表面不同部位的风压系数,对风压系数分布进行平面上的平均处理,进而结合准定常假设计算风压并进行疲劳分析。然而高层结构表面风压分布较为复杂,关键节点应力的分布将有可能受到该平均化处理的影响,且GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中体型系数的规定值主要针对基于位移的风振计算,能否满足基于局部应力的风致疲劳计算,目前尚未有相关文献对该问题进行研究或验证,因此需验证采用体型系数计算结构风致疲劳的准确性。选取了位于风灾频发区域的某矩形截面高层钢框架支撑结构,首先考虑空间相关性,利用谐波叠加法模拟了该结构具有代表性的梁柱节点位置的脉动风速时程,通过逆傅立叶变换将模拟的风速时程转换为功率谱密度曲线,并与目标谱进行对比验证,随后通过计算流体动力学(CFD)软件FLUENT建立了结构1∶300缩尺比的数值风洞计算模型,利用雷诺平均模拟(RANS)计算了结构表面的风压系数分布,并与日本东京工艺大学风洞试验数据库中类似体型的结构模型风洞试验数据进行了对比和验证;最后,利用有限元软件ANSYS对该结构建立了多尺度有限元模型,并分别基于风压系数和体型系数,结合准定常假设计算风压时程,将风压时程转化为各梁柱节点的风荷载时程并最终施加在结构多尺度有限元模型上,采用等效结构应力法对结构梁柱焊接节点进行了疲劳评估,并将基于风压系数的分析结果与基于体型系数的分析结果进行了对比。结果表明:利用谐波叠加法模拟的脉动风速时程的功率谱与目标谱在大部分频段吻合较好;结构表面风压系数分布结果和东京工艺大学风洞试验结果较为接近且变化趋势相同,因此,该结构风压系数的数值风洞模拟结果较为合理;基于体型系数的风致疲劳计算结果与基于结构表面不同部位风压系数的风致疲劳计算结果较为接近,可满足工程需要,并且更加偏于安全;GB 50009—2012中关于体型系数规定值能够较好地适用于矩形平面高层钢结构梁柱焊接节点风致疲劳的计算。