基于断裂机制的圆钢管相贯节点性能研究

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圆钢管相贯节点由于其出色的性能被广泛应用于空间结构之中。现有的试验研究表明,断裂破坏是圆钢管相贯节点的一种重要的破坏模式。但是在有限元分析中,目前尚无法对节点的断裂行为做出合理且准确的预测,使得在分析中无法合理的预测节点的破坏模式和极限状态,从而造成对节点性能的评估出现一定程度的误差。本文采用有限元分析方法,应用微观断裂机制和断裂扩展模型,首先讨论了焊缝尺寸对于相贯节点断裂预测的影响,而后分别对在单调荷载作用下的XK型相贯节点、超低周疲劳荷载作用下的X型相贯节点平面外受弯性能和超低周疲劳荷载作用下的N型相贯节点的断裂行为和极限承载能力进行了分析,并将其与试验数据进行对比,以此对有限元模拟结果的适用性和可靠性进行评估。研究结果表明:合理考虑焊缝尺寸在相贯节点断裂预测中的具有重要意义;验证了VGM模型用于预测相贯节点在单调荷载作用下延性断裂的适用性;XK型相贯节点在单调荷载作用下既可能发生强度破坏,也可能发生过度塑性破坏,破坏模式与节点几何构造和腹杆受力状态有关;微观断裂模型CVGM可以较为准确的预测X型相贯节点在平面外弯矩作用下的断裂行为,裂缝一经产生便标志着X型相贯节点在平外面弯矩作用下达到极限状态;对于X型相贯节点受平面外弯矩而言,由于断裂发生在骨架曲线上升段,因此并不能按原始方法采用有限元预测将其荷载—位移曲线的极值点作为极限承载力,也不能将承载力下降至85%时对应的时刻作为其极限状态,采用断裂判据对其进行断裂预测对于节点抗震性能进行判定是极为必要的;微观断裂模型CVGM可以较为准确的预测N型相贯节点在超低周疲劳荷载作用下的开裂行为,但是裂纹产生时并不是N型相贯节点的极限状态;基于裂纹扩展的断裂模型可以有效地模拟N型相贯节点在超低周疲劳荷载作用下的裂纹开展行为,从而较为准确的预测节点的极限状态。
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