考虑随机腐蚀的多龄期埋地钢管地震响应规律

埋地管线作为城市水、气等的重要传输载体,对城市正常功能的运行发挥着不可或缺的作用,由于土壤环境腐蚀的影响,在突发地震作用下极易发生破坏,造成环境污染及资源的浪费。基于随机腐蚀过程,针对多龄期埋地钢管的地震响应规律展开了系统深入的研究:考虑埋地管线腐蚀发生的随机性,建立了基于齐次马尔可夫过程的随机腐蚀发生模型;考虑不同腐蚀环境的影响,建立了酸性环境下的全面腐蚀模型与近中性及碱性环境下的局部腐蚀模型;基于钢材标准试件的加速腐蚀模拟及拉伸破坏试验,建立了考虑随机腐蚀作用的钢材力学性能退化模型及埋地钢管的时变本构模型;采用有限元软件ANSYS进行非线性动力时程分析,揭示了不同土壤环境下多龄期埋地钢管的地震响应规律,为埋地钢管的震前加固及震后破坏评价提供理论依据。

受腐蚀混凝土结构的随机腐蚀损伤

在一些特殊环境 (如海洋、化工环境 )下 ,由于环境中存在的大量腐蚀性介质 (如氯离子 ) ,将对在服役结构造成一定的腐蚀损伤 ,进而影响结构的安全性和耐久性。本文基于实际受腐蚀结构的检测研究 ,采用随机理论 ,建立了受腐蚀结构的随机腐蚀损伤模型 。

基于随机腐蚀分布的海底管道延寿评估方法

当海底管道与海床间距大于管道直径后,其下游尾迹的周期性开始显现,水动力出现脉动幅值,此时海管在脉动水动力作用下的动态响应成为影响其安全性的重要因素。针对渤海湾浅滩海油田服役后期的海底管道,采用随机腐蚀分布的有限元方法,改变海底管线端部约束条件及与海床间隙,根据载荷和应力的连续性质,考虑诸多不确定因素(海况、随机腐蚀分布)的存在,将各类不确定因素和服役后期海底管道疲劳寿命作随机变量处理,得到各种不确定因素影响下的管道疲劳寿命,较合理地评估了服役后期海底管道在役状态及延寿可行性。

随机腐蚀作用下在役钢桥疲劳抗力概率密度演化方法

腐蚀和疲劳开裂严重危害在役钢桥服役安全,随机腐蚀作用导致疲劳抗力发生概率性劣化,结构面临的不确定性风险进一步增加。为准确评估随机腐蚀作用下在役钢桥的疲劳抗力及其演化特性,基于广义概率密度演化理论,建立了腐蚀-疲劳抗力概率密度演化方程。根据齐次马尔可夫过程和实桥腐蚀深度统计数据,确定了腐蚀深度概率密度函数的理论预测模型。基于腐蚀试件疲劳试验结果,确定了腐蚀深度和疲劳抗力的相关关系。在此基础上,针对一座典型在役钢桥疲劳抗力开展了概率密度演化分析,确定了随机腐蚀作用下在役钢桥疲劳抗力的概率密度函数及其演化特征,并采用蒙特卡洛抽样方法验证了结果的正确性。研究结果表明:疲劳抗力的概率密度函数分布特征与其自身方程密切相关,相同腐蚀作用下不同循环次数对应的疲劳强度概率密度函数存在显著差异;随着服役时间的增加,疲劳抗力的概率密度函数进一步发生演化,由腐蚀-疲劳抗力方程所决定,疲劳抗力概率密度等值线逐渐密集,概率密度峰值不断提高,随机腐蚀作用对于疲劳抗力的劣化效应越发集中;随机腐蚀作用下,在役钢桥的疲劳抗力呈现概率性劣化,服役时间为100年时,在95%保证率下,200万次对应疲劳强度仅为47 MPa,相比服役20年时疲劳强度降幅达到60%,随机腐蚀作用对于疲劳抗力的劣化效应不可忽略。

随机腐蚀船体板结构极限强度分析

考虑到船体结构腐蚀的随机性,给出了随机腐蚀船体板的极限强度分析方法.根据散货船测厚报告中腐蚀数据,研究船舯甲板边板腐蚀数据的分布规律,建立随机腐蚀模型.采用非线性有限元方法对腐蚀板结构的极限强度进行计算分析,通过蒙特卡罗仿真方法计算确定腐蚀甲板边板极限承载能力的概率统计特性,最后对板结构极限承载能力进行可靠性分析.结果表明:甲板边板的腐蚀数据和极限承载能力均符合对数正态分布,船体板的极限应力比与腐蚀体积比成线性反比关系.

基于随机腐蚀的船舶结构极限承载力研究

提出了综合考虑海洋环境温度、海水氧气含量和相对湿度影响的钢质海船腐蚀数学模型,采用有限元方法分析了随机腐蚀对船舶加筋板结构局部承载力以及船体梁总纵极限承载力的影响,揭示了随机腐蚀后的船舶结构极限承载力分布规律。相较于标称海洋环境,海洋环境温度、相对湿度和海水含氧量对船舶结构腐蚀极限承载力有显著影响,且同一年限加筋板和船体梁的极限承载力服从正态分布。

长期荷载与随机局部腐蚀耦合作用下钢管混凝土K形节点应力集中系数分析

由钢管混凝土弦杆与空钢管腹杆组成的钢管混凝土K形节点受力性能优越、外形美观,在大型桁式基础设施中得到广泛应用。当该类结构服役于海洋环境中时,通常受到交变荷载与腐蚀的长期耦合作用,严重影响其安全性。为研究长期荷载与随机局部腐蚀耦合作用下钢管混凝土K形节点的应力集中系数,建立了考虑钢管外壁随机腐蚀形貌、材料性能时变劣化以及材料间非线性约束的有限元分析模型。分析了体积腐蚀率、蚀坑几何特性与空间分布特性等参数对节点应力集中系数的影响规律,并与常用于简化设计的均匀腐蚀工况进行对比。结果表明:在均匀腐蚀作用下,体积腐蚀率是影响节点应力集中系数的关键参数,最大应力集中系数首先出现在腹杆冠趾处,并随着弦杆体积腐蚀率的增加而向受拉侧弦杆冠趾移动;而在随机局部腐蚀作用下,节点应力集中系数受多因素耦合的复杂影响,随着蚀坑三维几何参数、空间分布位置的改变呈非线性变化。基于参数分析结果,分别提出了均匀腐蚀与随机局部腐蚀两种工况下钢管混凝土K形节点应力集中系数的简化计算方法,计算结果与数值分析结果吻合良好。

随机局部腐蚀作用下钢管混凝土K形节点的力学性能分析

桁式钢管混凝土组合结构由于传力明确、整体性能好,具备优越的结构性能与经济优势,在腐蚀环境下服役的跨海特大桥梁、沿海塔架、海洋平台等大型基础设施中得到广泛的应用。在此类结构中,主要承重构件与关键连接节点受到荷载与腐蚀长期耦合作用的影响,对结构的安全性与可靠性提出了严峻的挑战。在实际工程中,钢材表面的腐蚀作用通常以随机分布的局部腐蚀为主;以往,受试验条件与数值模拟技术的限制,对随机局部腐蚀作用下的钢管混凝土关键节点力学性能研究尚不多见,在一定程度上制约了对此类主体结构全寿命服役性能的认识及其科学设计方法的制定。基于此,对随机局部腐蚀与长期荷载耦合作用下钢管混凝土K形节点这一典型桁式组合节点的全过程力学性能展开深入研究。建立了可以考虑钢管外壁随机局部腐蚀及其对材料非线性约束作用的复杂时变影响的钢管混凝土K形节点精细化有限元分析模型。基于实际环境中海工钢结构随机局部腐蚀的分布规律,通过Python与ABAQUS的模型搭建,进行随机蚀坑分布生成、腐蚀单元识别与蚀坑区域自动化网格划分,实现了对弦、腹杆钢管外壁的随机局部腐蚀的模拟。此外,模型中考虑了腐蚀过程中材料间非线性约束作用的时变劣化以及核心混凝土的长期变形特性,且模型的准确性得到系列试验结果的验证。利用有限元模型,深入分析了节点在局部腐蚀作用下的破坏模态、全过程荷载-变形关系与剩余极限承载力;明晰了腐蚀类型(均匀分布或随机局部分布)、体积腐蚀率等重要参数对节点力学行为的影响规律。考察了随机局部腐蚀作用下影响钢管混凝土K形节点力学性能的重要参数,包括体积腐蚀率、材料强度、弦杆径厚比、腹弦杆管径比等。在参数分析结果的基础上,提出了钢管混凝土K形节点腐蚀后剩余强度的简化计算方法,结合有限元结果验证了公式的有效性。分析结果表明:随机局部腐蚀作用下的钢管混凝土K形节点的破坏模态主要为受压腹杆的局部屈曲,在受压腹杆的蚀坑集中区域往往会出现应力集中而发生局部屈曲失效;由于弦杆内填充混凝土,节点区域力学性能得以改善;与均匀腐蚀相比,局部腐蚀对钢管混凝土K形节点力学性能的影响更为显著,且局部腐蚀的随机分布会进一步降低节点的承载力,即当体积腐蚀率一定时,随机局部腐蚀节点承载力比非随机局部腐蚀情况多降低2%~5%;腹杆体积腐蚀率对节点承载力起控制作用。