钢结构工业建筑论文提纲

论文题目：既有工业建筑钢结构疲劳性能预后分析及完整性评估

摘要：钢结构的疲劳性能衰退问题一直是困扰工程师和学者们的热点问题,美国土木工程师协会关于钢结构失效的调查统计数据表明,80%-90%钢结构的失效与疲劳损伤及断裂相关。工业建筑钢结构具有十分繁重的生产任务,长期且频繁地承受吊车来回运行引起的循环荷载,较之普通钢结构,它们的疲劳失效问题更为严重。多数工业钢结构服役于高温环境,高温不仅会降低金属材料的力学性能,而且会使金属内部产生与时间相关的应变（即蠕变）,从而加速结构的性能衰退。因此,本文发展了面向服役一定年限的既有工业建筑钢结构的疲劳性能预后分析和结构完整性评估方法,本方法不仅适用于高温环境下的工业建筑钢结构疲劳预后分析,亦可适用于常温下的钢结构疲劳预后分析（只需要令金属材料的蠕变为零）,主要研究工作和结论如下:系统地描述了既有工业建筑钢结构的当前损伤状态,发展了分阶段预后分析方法体系。既有工业建筑钢结构的服役荷载具有明显的动态效应,在数值模拟过程中需要采用动态显式方法来模拟吊车往复运行引起的荷载。在既有工业建筑钢结构的服役期内,结构的损伤由分布式微观裂纹主导的损伤逐渐过渡到宏观裂纹主导的损伤,结构的宏观疲劳裂纹通常可以合理简化为I型椭圆表面裂纹。根据结构疲劳性能衰退机理的不同,将结构的整个服役过程分成了服役初期、服役中期和服役末期。分别提出了既有工业建筑钢结构在服役初期和中期阶段的疲劳损伤预后分析模型。在这两个阶段,结构的疲劳损伤是分布式微观裂纹的群体行为引起的,即萌生、扩展以及裂纹之间的相互作用,微观裂纹之间的相互作用是它们之间的应力屏蔽作用和应力放大作用相互抵消后的结果,是影响结构疲劳性能衰退速率的重要因素之一。新发展的既有工业建筑钢结构服役初期阶段的预后多尺度模型中不仅建立了微观裂纹的群体行为与结构宏观疲劳损伤变量之间的联系,尤其是考虑了微观裂纹之间的相互作用,而且考虑了蠕变损伤和疲劳损伤的耦合作用。新发展的既有工业建筑钢结构服役中期阶段的预后多尺度模型中采用了Weibull分布描述微观裂纹复杂群体行为引起的裂纹长度的离散性,也考虑了微观裂纹群体行为（包括裂纹之间的相互作用）与结构宏观性能衰退的关系以及蠕变损伤和疲劳损伤的耦合作用,本模型还可以用于确定结构进入服役中期的临界状态。建立了工业建筑钢结构的多尺度有限元模型,在新建的结构疲劳损伤预后分析模型的基础上,分阶段地分析了结构疲劳性能衰退过程。既有工业建筑钢结构的钢吊车梁上、下翼缘和腹板之间的连接焊缝附近、靠近熔炉的高温操作平台附近、钢吊车梁的支撑构件连接区域等位置应力集中现象比较明显,容易萌生宏观疲劳裂纹。在结构服役初期阶段,服役环境温度为500℃,当应力幅值（35）?=115.5MPa时,钢吊车梁的疲劳寿命为15年左右,论证了工业建筑钢结构的服役初期阶段是一个漫长的过程,占据了结构服役全寿命的绝大部分。在结构服役中期阶段,服役环境温度为450℃,当（35）?=202.5MPa时,结构疲劳寿命为40天左右,论证了工程实际中定期更换易损关键构件的合理性和必要性。在工业建筑钢结构的服役末期阶段,发展了结构疲劳寿命的预测方法,并利用数值模拟方法分析了在循环荷载和蠕变共同作用下的既有工业建筑钢结构的疲劳裂纹扩展过程。轨道偏心距对钢吊车梁下翼缘与腹板之间的连接焊缝处的疲劳裂纹的扩展影响非常小。随着吊车轮压值的增大,工业建筑钢结构的疲劳寿命显著降低。在吊车满载运行的工况下,裂纹增长0.9mm,吊车只需要来回运行约400次（约4天）,需要重点监控结构在吊车满载运行下的响应。在工业建筑钢结构的服役末期阶段,首次引入了考虑裂纹尖端约束效应的R6准则评估带裂纹的工业建筑钢结构的完整性,为解决实际工程中的带裂纹工业建筑钢结构的安全运行问题提供了理论依据。在结构的服役荷载作用下,钢吊车梁上翼缘与腹板之间连接焊缝处的裂纹前沿形成高水平的约束效应,即说明此工况下的钢吊车梁制材的断裂韧性会降低。本次研究的三组带裂纹等截面钢吊车梁在不同轨道偏心距工况下的结构完整性评估结果均为安全,说明此时的带裂纹结构仍可以安全服役。

关键词：既有工业建筑钢结构;疲劳性能衰退;预后分析;蠕变损伤;结构完整性

学科专业：工程力学

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 相关领域的研究现状

1.2.1 既有工业建筑钢结构疲劳性能衰退

1.2.2 损伤预后方法及其应用

1.2.3 结构完整性评估方法

1.3 本文的主要工作

第二章 既有工业建筑钢结构的当前损伤状态表征

2.1 工业建筑钢结构既有损伤的检测及其分类

2.2 服役荷载及复杂环境的分析

2.2.1 循环荷载及其动态效应的分析

2.2.2 高温环境及其影响的分析

2.3 工业建筑钢结构既有损伤的表征

2.3.1 分布式微观缺陷主导的损伤表征

2.3.2 宏观裂纹主导的损伤表征

2.4 本章小结

第三章 既有工业建筑钢结构疲劳性能分阶段预后策略及其建模方法

3.1 既有工业建筑钢结构疲劳性能衰退分析

3.2 工业建筑钢结构疲劳性能预后不同阶段的划分

3.2.1 服役初期的高周疲劳损伤预后

3.2.2 服役中期的高、低周交互疲劳损伤预后

3.2.3 服役末期的疲劳裂纹预后

3.3 以损伤预后为目标的既有工业建筑结构模拟方法

3.3.1 含分布式微观缺陷的结构疲劳损伤模拟方法

3.3.2 含裂纹的结构疲劳性能模拟方法

3.4 本章小结

第四章 既有工业建筑钢结构服役初期与中期的多尺度疲劳损伤预后分析模型

4.1 分布式微观裂纹群体行为的表征及广义自洽方法

4.2 结构服役初期和中期的疲劳损伤预后多尺度模型

4.2.1 服役初期的疲劳损伤多尺度模型

4.2.2 服役中期的疲劳损伤多尺度模型

4.3 模型参数反演及模型验证

4.3.1 服役初期的模型参数反演及模型验证

4.3.2 服役中期的模型参数反演及模型验证

4.4 本章小结

第五章 既有工业建筑钢结构服役初期与中期的疲劳损伤预后分析

5.1 既有工业建筑钢结构的数值模拟

5.1.1 结构的多层次有限元模型及其验证

5.1.2 结构的应力集中分析与易损局部的识别

5.1.3 易损局部的应力时程分析

5.2 服役初期与中期易损局部的疲劳损伤多尺度预后分析

5.2.1 服役初期易损局部的疲劳损伤多尺度预后分析

5.2.2 服役中期易损局部的疲劳损伤多尺度预后分析

5.3 本章小结

第六章 既有工业建筑钢结构服役末期的疲劳裂纹扩展过程预后分析

6.1 工业建筑钢结构服役末期易损构件的有限元模型

6.1.1 高温环境中的材料属性

6.1.2 带裂纹构件的有限元模型

6.2 工业建筑钢结构的疲劳寿命预测方法

6.3 结构服役末期的疲劳裂纹扩展过程预后分析

6.4 本章小结

第七章 既有工业建筑钢结构服役末期的结构完整性评估

7.1 基于疲劳性能预后分析的结构完整性评估方法

7.2 服役末期的工业建筑钢结构疲劳性能预后分析

7.2.1 T-应力表征的裂纹约束效应分析

7.2.2 裂纹尖端应力强度因子分析

7.3 考虑约束效应的结构完整评估准则

7.4 既有工业建筑钢结构服役末期的完整性评估及其影响因素分析

7.4.1 结构服役末期的完整性评估

7.4.2 裂纹短长轴比对结构完整性的影响

7.4.3 轨道偏心距对结构完整性的影响

7.5 本章小结

第八章 结论与展望

8.1 本文的主要研究工作和结论

8.2 本文的主要创新点

8.3 展望

参考文献

致谢