文摘

钢结构通常被灾难破坏。根据损伤的影响规律钢的弹性模量得到损坏的机械测试钢铁、h型的平均弹性模钢构件进行了分析。方程计算的平均弹性模损坏h型钢构件在不同损伤程度。通过分析横断面的方法,横断面M-Φ-P关系和无量纲参数方程的H-sections full-sectional弹性分布、单面塑料分布,并获得了双面塑料分布。的基础上的横断面M-Φ-P关系和无量纲参数实际钢构件损坏的横截面的近似计算公式。纽马克法分析损坏的钢柱的变形。分析结果与测试结果显示良好的协议。在这项研究中提出的方程和方法有很高的计算精度,而这些可以应用于横截面M-Φ-P关系和变形损坏的钢构件的计算。

1。介绍

自然灾害或其他因素往往导致局部损伤或钢构件的总伤害。受损的成员是否能满足承载力和刚度要求将直接影响破坏了钢结构的安全性和可靠性。大量的世界各地的学者在这个问题上进行了大量的研究。

通用电气(1)确定元素伤害的一栋9层钢框架结构的有限元模型的结构和受损结构的模态参数(模式形状和频率)。损坏的位置是由残余力法,和损坏的程度被确认通过使用矩阵冷凝法结合比例损伤模型。Gorl [2)使用有限元方法来识别损伤位置和程度的两层钢框架结构,结构损伤程度的识别的基础上刚度结构损伤前后的变化和受损结构的试验模态数据。下降(3]利用微观损伤模型预测钢在中心支撑框架struts的骨折导致结构失效。华锦(4)开发了一种多尺度疲劳损伤模型,以更好地了解钢结构的疲劳机制在高温下工作。在发达的模型中,金属材料的疲劳损伤是由于微裂隙的集体行为是通过使用广义自洽方法量化。七巧板(5)观察到裂纹梁的刚度小于无裂缝的梁的刚度,条件是反映在了梁的固有频率的降低和免费的动态响应。Altunışık [6)进行模态参数识别和vibration-based损伤检测通过使用有限元方法和实验测量多个裂纹悬臂梁空心圆形部分。他们发现裂缝强烈影响梁的固有频率;裂缝截面时,频率降低nonmonotonically回应梁的抗弯刚度的降低受损的部分。Chinka [7)注意到,使用模态分析容易观察裂缝的影响范围的固有频率和振型裂纹位置和裂纹深度。道(8)开发出一种方法,可以用来和本地化损害结构在地震荷载作用下的非线性。结构的非线性行为,如打开和关闭裂缝的混凝土和钢的屈服,可以注意到在现实结构。悦(9]分析了碳纤维增强塑料制成的疲劳性能(CFRP)加固钢吊车梁的试验,研究了碳纤维增强塑料对应力集中的影响。Tominaga et al。10]研究了超声冲击处理方法的疲劳改善效果通过分析加强平面衣袖和出平面钢起重机轨道梁的加固细节。沈(11]研究Q345 GJ钢的力学性能,包括单调加载方式、加载磁滞行为和能量耗散能力。基于GJ系列钢的循环行为,建议修改后的累积损伤模型。范(12)提出了一种实用的塑性损伤模型的校准S355和高强度钢S690Q S700 MC, S960Q基于拉伸优惠券的测试结果。结合线性和功率表达式是用来校准postnecking损坏调查钢的应力-应变关系,进一步的应力-应变关系的估计。Rabczuk et al。13]介绍了一种方法meshfree离散裂缝模型的方法。在这种方法中,裂纹可以任意的,但它的增长表示离散裂缝表面的活化在单个粒子,所以不需要表示裂纹的拓扑。模型应用于几个2 d问题和与实验数据相比。此外,Rabczuk et al。14]给出了一个三维meshfree造型方法任意裂纹萌生和裂纹扩展的钢筋混凝土结构。这个meshfree方法是基于单位分解的概念,制定的几何非线性问题。裂缝运动学是浓缩获得的解决方案空间为了获取正确的运动学。裂纹萌生后软熔带模型。桁架的强化模仿或梁元素是由债券模型到具体的连接。该方法应用于模型几个钢筋混凝土结构的裂缝。Hongping [15)提出了一个创新的机械impedance-based技术监测腐蚀损伤对钢结构的发展,有别于传统的基于导纳——(阻抗)的逆EMI技术。实验结果表明,结构机械阻抗对腐蚀损伤非常敏感,但检测范围是有限的。重度的实部可以采用钢结构腐蚀损伤的一个有效指标。该技术是发现在钢结构腐蚀损伤检测是有效的。萨贾德(16)解决应变时效影响部分受损结构低碳钢的力学性能。部分受损的低碳钢材料的应力-应变关系将应变时效效果由校准Ramberg-Osgood模型的参数表示。默罕默德(17]研究了h型钢柱研究了爆炸荷载下的性能。h型钢柱受爆炸载荷数值调查,以获得实际的损害评估评估公式。战略是基于参数化有限元(FE)模型(5600配置),对实验进行验证,并且作为一个广泛的数据银行进一步细化通过基因表达式编程。默罕默德(18]研究钢柱在爆炸压力下的动态行为,结果表明,横断面形状稍微影响全球钢柱的动态行为。

目前,只有少数研究力学性能受损钢梁和列。在这项研究中,的平均弹性模量的计算方法破坏截面根据损伤的影响规律研究钢的弹性模量。的米-Φ-P关系的h型钢构件的计算是通过使用分析横断面的方法,和损坏的钢柱的变形进行了分析运用纽马克法。验证了这些方法的可行性与测试结果进行比较。成员与其他部分的损伤特性也可指方法。

2。损坏的钢力学性能测试

损坏的钢的机械性能被拉伸获得优惠券测试。初始弹性模量的钢E₀。标本被卸载时塑性变形发生在不同程度,和卸载线的斜率是记录为卸载弹性模量_。然后执行二次加载测试在损坏的标本,并加载线的斜率是记录为加载弹性模量Ě。通过这种方法,加载卸载模量之间的交互和弹性模量在二次加载和现有的钢的塑性变形。

2.1。样本设计

摘要Q345钢样品分为8组,每组有3个标本。试样的尺寸如图1。

2.2。测试过程

第一组的标本受到单轴拉伸试验在测试机器,当标本达到极限强度、加载结束。发现变形的流动成型阶段(屈服阶段的终点)大约是0.8毫米,强化阶段的结束时,大约8.4毫米。

结果显示第一组测试数据,第二组的变形控制价值第八组是0.8毫米,2毫米,3毫米,4毫米,5毫米,7毫米,8.4毫米,分别。

第二至第八组的标本被加载变形控制的值,然后卸载,然后加载到每组标本摧毁。测试过程和变形前后的对比拉伸试验数据所示2和3,分别。

2.3。测试的结果

8组标本的拉伸试验结果如表所示1。

从表可以看出1,平均弹性模量约为185 GPa,屈服强度350 MPa,极限强度520 MPa没有损伤。

2.4。测试数据分析

初始弹性模量之间的关系,卸载弹性模量,和加载的弹性模量和变形控制价值8组的标本绘制成曲线,如图4。

从图可以看出4,加载Q345钢的弹性模量不同塑性变形中等载荷作用下塑性变形的控制价值有关。变形控制价值越大,越小的值加载弹性模量和卸载弹性模量。测试结果与理论相一致,损伤导致的减少钢材的弹性模量19]。

受损的Q235钢的单轴拉伸试验进行了(20.),相比之下,Q345钢本文的测试结果,如图5。比较分析,加载弹性模量比初始弹性模量 采用纵向坐标,如图5。

从图可以看出5Q235和Q345钢的加载模量与变形控制价值的增加,减少和降低Q235钢的弹性模量略高于Q345钢。当ε≤0.19%,加载Q345钢的弹性模量与初始弹性模量是一致的。当≤0.19%ε≤1.6%,Q345钢的弹性模量开始迅速下降。当ε≥1.6%,Q345钢的弹性模量开始慢慢减少。Q235钢的曲线平行段明显长于Q345钢。当ε达到1.6%,加载迅速Q235钢的弹性模量开始减少,以及弹性模量的降低显然比Q345钢。当ε钢达到4%,Q235钢的弹性模量开始慢慢减少,和Q235钢的弹性模量的降低比Q345钢。

加载Q345钢弹性模量曲线在图5由多行分段拟合拟合。拟合结果如图所示6。

从图可以看出6,拟合结果与原始数据良好的协议。根据测试数据,受损的Q345钢的弹性模量的变化可获得不同损伤程度下的屈服强度σ_y= 350 MPa,初始弹性模量E₀= 1.85×105 MPa。

3所示。损坏的钢筋截面的平均弹性模量

钢的应力-应变关系在不同截面的一部分改变钢构件的截面后大大受损。钢表现出不同程度的损伤和弹性应力状态下。方便的计算极限承载力和变形,破坏截面的平均弹性模量是用于替换的钢的弹性模量。

h型,只在法兰钢损害发生时,部分法兰损伤不会引起重大变化在整个截面的平均弹性模量由于法兰的瘦。因此,这种情况可以被假定为截面的轻微损伤。这时,截面的平均弹性模量作为钢的弹性模量。

当web的法兰和部分截面的破坏,截面的力学性能变化明显。因此,这种情况下可以认为一般截面的破坏。

当损伤程度进一步加剧,一些菌株受损区域的部分超过1.6%;也就是说,严重损害存在的部分。因此,这种情况可以被假定为截面的严重损害。

鉴于轻微损伤对结构影响甚微,本研究只考虑截面的一般伤害和严重的伤害。加载的弹性模量的分布特征通常受损,严重破坏截面数据所示7和8,分别。

一个₁=部分面积的区域,一个₂=部分面积一般受损区,一个₃=部分面积严重受损区,h₁=的截面高度,和H= h型的截面的高度。

为了简化计算,以下假设:(1)损害主要是指部分或全部产量的现象造成的截面弯矩产生的h型外部负载。(2)假设平面部分满足截面后受损;即截面截面后仍然在同一个平面上受损。(3)横截面的最大应变值小于18%。这种假设的物理意义是,所有材料的破坏截面没有逾越加强阶段,也没有严重的非均匀变形发生在颈缩阶段。

通常破坏截面的应变分布特征和严重破坏截面可以得到如图9和10,分别。

根据静力平衡条件(21),受损的横截面的平均弹性模量可以表示为 在这=破坏截面的平均弹性模量=截面面积。

在方程(1)- (3)代入方程(4),表达式计算的平均弹性模量通常破坏截面和严重破坏截面得到如下:

通常破坏截面方程:

严重破坏截面方程:

4所示。Moment-Curvature-Axis力破坏截面的成员关系

研究钢的机械性能成员进行交互的轴向力和弯矩,弯矩之间的关系米和曲率Φ(米-Φ-P轴向力时使用关系)P是一个固定值。当会员在轴向力的轴向变形大,轴向力之间的关系P和轴向应变ε(P- - - - - -ε- - - - - -米关系)(22的弯矩米应该建立在一个固定值。然而,对于一般梁柱成员,弯曲变形通常是大于轴向变形,和横截面的力学性能可以反映在moment-curvature-axial力的关系(米-Φ-P关系)。为了简化计算,假设的应力-应变特征代表性的理想弹塑性材料,未损坏的钢的应力-应变关系的理想弹塑性模型中曲线1所示图11,损坏的钢的应力-应变关系是理想弹塑性模型曲线2所示图11。

图12(一个)显示了h型的钢构件的横截面轴向力P和时刻米作用于横截面。轴向力的价值P是不固定的,如图12 (b)。轴向力和弯矩的相互作用下,三种不同的应力状态可能观察到:full-sectional弹性应力分布,单面塑料分布,和双面塑料分布,如图12 (c)- - - - - -12 (e),分别。

根据静力平衡条件,轴向力和弯矩截面可以计算如下:

根据材料力学的方法(23),方程计算弯矩,曲率和构件截面的轴向力可以获得如下: 在这=中性轴截面的惯性矩,=屈服应力,=最远的点的纵截面的中性轴,和=弹性模量。

为了便于数值计算,米-Φ-P关系是用无量纲形式表示的。为此,初始参数和无量纲变量定义如下:

4.1。Full-Sectional弹性应力分布

当轴向力和时刻相对较小,相互作用下的弯矩和轴力,成员的横截面的最大应力不超过钢的屈服强度,和整个截面的成员处于弹性状态。部分的应力分布如图12 (c)。此时,截面的极限应力状态是最外缘的截面达到屈服应力σ_y相互作用下的压应力σm产生的弯矩米和压应力σ_p产生的轴向力P的屈服应力,最低外缘尚未达到屈服应力。因此,可以得出结论

以下可以得到方程(8),(9)和(10):

以下可以得到方程(8 b),(9 b)和(10 b):

4.2。单面塑料分布

与截面弯矩的增加的成员进入单面塑料分布和应力分布的部分如图12 (d)。在图中,y₁和−y₁纵坐标的外缘上、下法兰的h型的截面,分别。y₁=H_1/2。y₂和−y₂内部边缘的纵坐标是上、下法兰的h型的截面,分别。y₂=H_1/2。y₃结的纵坐标的塑性区和弹性区上端的横截面。在这种情况下,极限应力状态的部分是拉伸侧边缘截面达到屈服应力σ_y。

当弯矩米低于一定数值时,塑性区在横截面上缘;也就是说,y₁≥y₃≥y₂。当弯矩米高于一定数值时,塑性区超过截面上缘;也就是说,0 <y₃<y₂。

根据坐标N(−f_y,y₃),米(f_y,−y₁)两个端点的应力曲线在弹性区,压力方程σ_z=f(y)在弹性区域可以获得如下:

K被定义为

C被定义为

当y₃=y₂,以下可以得到方程(7一个),(8 c),(9 c)和(11):

当 _和 ,以下可以得到方程(7一个),(8 c),(9 c)和(11): 然后

我们有 。

以下可以得到方程(7 b),(8),(10)和(11):

以下可以得到方程(8 b)和(9 b): 当 和 ,以下可以得到方程(7一个),(8 c),(9 c)和(11): 然后 在哪里 。

以下可以得到方程(7 b),(8),(9)和(11): 当上层的外缘法兰达到应变为-1.6%时,可以得到如下:

用方程(22)方程(17),我们得到以下方程:

问被定义为 当 ,——(0.29H+ 0.21t_f)≤y₃≤y₂横断损伤一般损伤,以下可以得到方程(5),(8 b)和(9 b)如下: 当问≤p≤1,-y₁≤y₃≤- (0.29H+ 0.21t_f受损区域),通常可以找到和严重受损区域的截面损伤区。以下可以得到方程(6),(8 b)和(9 b): 在哪里y₄= 1.855H+ 4.71y₃;y₄通常是纵坐标结的受损区域和严重损坏区域的截面;也就是说,纵截面的应变−1.6%。

4.3。双面塑料分布

与极限弯矩的增加,成员的截面进入双面塑料分布和横截面的应力分布如图12 (e)。这里,截面的极限应力状态是full-sectional产量、横向弯矩米到达极限弯矩米_个人电脑。

当y₃=−y₂,以下可以得到方程(7一个),(8 c)和(9 c): 当 和−y₂≤y₃≤0,以下可以得到方程(7一个),(8 c)和(9 c):

以下可以得到方程(7一个),(8)和(9 c):

用方程(28)上面的方程,我们可以获得 当 和 ,以下可以得到方程(7一个),(8 c)和(9 c):

以下可以得到方程(7一个),(8)和(9):

总结上述方程后,计算的表达式M-Φ-Ph型的钢构件,如表所示2。

然而,弹性模量E和屈服强度y受损的h型的横截面的损伤截面不同,但上面米₁,米₂,米_个人电脑,ϕ₁,ϕ₂是无量纲变量。是否破损或损坏的横截面,E和σ_y在推导可以消除。因此,上面的推导过程和结果适用于h型的损伤和损坏的横截面的钢构件。

5。近似方程M-Φ-P对h型钢构件

测试钢柱的横截面尺寸如下(24]:H= 125.43毫米,H₁= 113.09毫米,B= 124.88毫米,B₁= 59.45毫米,t_f= 5.98毫米,t_w= 6.17毫米,一个= 2217毫米²,我_x= 6.21×10⁶毫米⁴进行了分析。方程的表2的无量纲参数截面在不同加载条件下可以得到如表所示3。

考虑构件截面的破坏之间的关系米₂,ϕ₂,米_个人电脑,p在表2绘制相关曲线,如图13。通过拟合曲线在图13用数值分析方法的近似表达式M-Φ-P对h型钢铁成员可以获得,如表所示4。

6。损坏的钢构件的变形分析

一旦米-Φ-P损坏的钢构件截面的关系,建立了变形的成员都可以进行分析。纽马克法(22)和它的导数方法广泛应用于梁柱分析。该方法特别有效解决梁柱的最大承载力载荷下弹性或弹塑性范围内。

钢柱测试的数据(24使用),横截面是H125×125×6×6毫米,和Q345钢材料。列是1.02米高,与固定端受到偏心载荷,加载方案和钢柱试验数据所示的照片14和15。实验标本是由有限元软件模拟,有限元分析。Q345钢的本构模型是基于拉伸试验的结果。S4R元素(4-node通用壳元素)被用于啮合钢。列的失效模式在有限元分析模型与试验结果一致,如图16。

钢柱变形的具体计算过程采用纽马克法(22)如下:(1)钢柱分为四个相等的部分,每个分段点的数量显示在图17。(2)在测试期间,钢柱加载两次,和钢柱达到每个加载的极限承载力。钢柱的残余变形在每个分段点第一次加载后被作为初始缺陷的价值在钢柱的计算,k= 0∼4,分段点的变形值下的轴向力和力矩。(3)计算弯矩米_k每一个分段点,k= 0∼4: 在哪里一阶弯矩产生的负载和吗二阶弯矩引起的吗P-δ的效果。(4)根据已知的弯曲moment-curvature-axial力关系的横截面,计算曲率Φ_k每一个分段点,k= 0∼4。(5)一个新组钢柱分段点位移值的计算采用共轭梁法,分段点之间和曲率分布假定为分布式根据图的特点18。等效节点荷载计算通过使用图中给出的方程18。方程在图(18日)应该使用在分段点的端点或曲率点突然变化的突然改变米或EI在分段点。由此产生的节点加载被用作共轭梁的加载计算共轭梁的剪力和弯矩。此时,剪力和弯矩等效斜率和真正的梁的挠度。(6)比较挠度计算步骤5的变位认为第2步。如果可以被忽视的区别,那么解决方案被认为是获得。否则,以计算变形量为一组新的假设的变位,并重复步骤3到5,直到收敛。

通过使用这种方法,损坏的钢柱的变形影响下的每个测试负载后二次加载计算,分别。表5显示了钢柱的变形的计算结果,当轴向压力是150 kN - 260 kN。

表6显示了测试结果,理论结果和有限元结果受损的钢柱在不同负荷水平。

表6表明测试结果之间的相对误差和理论结果5水平的负荷在10%以下。测试结果,理论结果和有限元结果受损的钢柱的荷载位移曲线下二次加载如图19。

上述分析表明,受损的钢柱的理论计算方法在这项研究中的应用是在良好的协议与测试结果。

7所示。结论

根据上面的分析,主要得出如下结论:(1)的平均弹性模量是用来考虑不同程度的损害的影响h型的截面的力学性能。损伤的h型的横截面分为三个层次:轻微的损伤,一般的损害,严重的损害。平均弹性模的计算公式在不同程度的损害。(2)通过使用横断面分析方法,计算方程M-Φ-P受损的h型钢铁成员的关系。根据实际部分的计算,计算的近似方程M-Φ-P关系的h型钢构件安装。(3)纽马克法用于分析损坏的钢柱的变形,结果与试验结果有很好的一致性。方程和方法推导出在这项研究中有很高的精度,可以应用于计算M-Φ-P关系和损坏的钢构件的变形。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持中国湖南省自然科学基金(2020 jj4943)和科技项目的湖南农村住房和城市发展部(KY202002)。