基于微观断裂机制的K型圆钢管相贯节点性能研究

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1、基于微观断裂机制的K型圆钢管相贯节点性能研究StudyonBehaviorofCHSK-JointsBasedonMicromechanicalFractureMechanism学科专业：土木工程作者姓名：李金龙指导教师：尹越副教授天津大学建筑工程学院二零一七年十一月摘要K型圆钢管相贯节点由于其出色性能被广泛应用于大跨空间结构之中。在目前已发生的地震中，延性断裂破坏是圆钢管相贯节点的一种常见破坏模式。然而在目前有限元分析中，对圆钢管相贯节点的极限承载力和抗震性能评估中很少考虑延性断裂的影响，导致对节点性能的评估出现一定误差。本文首先建立了圆管相贯节点实体焊缝有限元建模方法；

2、随后采用微观断裂判据分别对单调和超低周疲劳荷载下K型圆钢管相贯节点的开裂荷载、位置和极限承载力进行有限元分析，讨论几何参数对节点抗震性能的影响；同时在通用有限元软件ABAQUS的子程序模块VUSDFLD中，采用微观断裂判据对节点断裂扩展过程进行模拟；最后结合CVGM判据，考虑常幅往复荷载作用，讨论不同加载幅值和几何参数对K型圆钢管相贯节点超低周疲劳性能的影响和损伤累积规律。研究结果表明：(1)单调荷载下采用VGM判据考虑K型圆钢管相贯节点的延性断裂，能得到更为准确的极限承载力，支管间隙越小，发生延性断裂的可能性越大；(2)往复荷载下采用CVGM判据考虑K型圆钢管相贯节点的延

3、性断裂，能更准确地确定节点破坏模式，延性断裂对节点的抗震性能有较大影响；(3)在子程序模块中进行断裂扩展分析，单元尺寸对断裂承载力的影响较大，采用建议的单元尺寸能够保证计算精度，减小计算成本；(4)常幅往复荷载下K型圆钢管相贯节点的超低周疲劳性能受加载幅值和几何参数影响较大，疲劳寿命随着加载幅值增大而减小，两者呈非线性关系，节点超低周疲劳性能随着支主管外径比β、支管间隙a的增大而提高；(5)依据常幅加载下得到的累积损伤公式可以较为准确地预测变幅加载下节点的超低周疲劳寿命。关键词：K型圆管相贯节点，延性断裂，微观断裂判据，断裂扩展，抗震性能评估IIIABSTRACTCHSK-

4、jointsarewidelyusedinlarge-spanspacestructuresbecauseoftheirexcellentperformance.IthasbeengenerallyfoundthatthefailureofductilefractureisanimportantfailuremodeofCHSjointsinpreviousearthquakes.However,theinfluenceoftheductilefracturehasbeenhardlyconsideredintheultimatebearingcapacityandseis

5、micperformanceevaluationreasonablyincurrentfiniteelementanalysis,resultinginacertaindegreeoferrorintheevaluationoftheCHSjoints'performance.Firstly,finiteelementmodelingmethodofsolidweldinCHSjointswasestablishedinthispaper.Then,fractureload,fracturepositionandultimateloadbearingcapacityofCH

6、SK-jointsundermonotonicandultra-low-cyclefatigueloadingwasanalyzedbasedonmicromechanicalfracturemechanism.TheinfluencesofgeometricalparametersontheseismicbehaviorofCHSK-jointswerediscussed.FracturepropagationwassimulatedbyfiniteelementanalysiswiththeuseofVUSDFLDsubroutineofABAQUS.Finally,c

7、ombinedwithCVGMmodel,theconstantamplitudeloadingwasadoptedtodiscusstheultra-low-cyclefatiguebehaviorandtheruleofdamageaccumulationforCHSK-jointsunderdifferentamplitudeloadingandgeometricalparameters.Theresultsshowthat:(1)Moreaccurateultimateloadbearingcapacity