钢结构脆性断裂的力学机理及其工程设计方法研究

论文题目: 钢结构脆性断裂的力学机理及其工程设计方法研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 土木工程

作者: 武延民

导师: 江见鲸,王元清

关键词: 钢结构,力学指标,断裂指标,低温脆断,设计方法

文献来源: 清华大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着钢结构在我国的广泛应用,其工作环境也日益复杂,越来越多的钢结构应用于低温环境,尤其是高原严寒地区,同时高强度钢材和厚板开始在部分工程中得到应用,低温环境、高强度钢材和厚板的使用以及钢结构中常用的焊接连接使得钢结构脆性断裂的问题日趋突出。目前国内的钢结构设计规范中对钢结构低温脆断的控制还很不完善,不能够对构件是否发生脆性断裂进行定量的准确判断和分析。本文对结构钢材低温力学性能和断裂韧度性能进行了试验研究和计算分析,分析应力状态对构件脆性破坏的影响,进而提出了钢结构低温冷脆的实用设计方法。论文主要取得了如下成果: (1)对常用结构钢材(Q235、Q345 和Q390)和桥梁钢材(16Mnq、14MnNbq)低温下的力学性质进行了试验研究,获得了在20℃~-70℃范围内钢材的强度指标和塑性指标,并研究了其随温度的变化规律。(2)对结构钢材(Q235、Q345 和Q390)的断裂韧度指标进行了低温试验研究,重点测定了20℃~-70℃范围内12mm~48mm 厚度试样的断裂韧度CTOD指标,分析了其变化规律。本文根据试验结果对断裂判据指标进行了选取;同时通过理论模型和非线性有限元方法分析了温度对裂纹尖端张开位移的影响,提出了不同温度下裂纹尖端张开位移的计算公式。(3)采用有限元的方法分析了缺口和裂纹尖端的应力场分布规律;从理论角度分析了应力状态对构件破坏行为的影响。(4)提出了钢结构断裂模式的分析方法和钢结构低温脆断设计方法。首先根据试验结果对结构钢材的裂纹扩展阻力曲线进行分析,并对钢构件断裂行为进行了分析,提出了钢结构断裂模式的判断方法;本文提出的钢结构低温脆断设计方法分为三个级别,第0 级和第1 级适用于设计中和常规检查合格的构件,第2 级针对含有宏观裂纹的实际构件,设计方法以断裂力学为基础,可以对钢结构的低温脆断进行定量的计算分析。

论文目录:

摘要

ABSTRACT(英文摘要)

第一章 引言

1.1 钢结构的脆性断裂与低温冷脆

1.2 钢材断裂研究现状

1.2.1 概述

1.2.2 断裂判据指标

1.2.3 钢材的力学性能和韧性性能及其影响因素

1.2.4 世界各国的缺陷评定方法

1.3 结构钢材低温冷脆的研究现状

1.3.1 概述

1.3.2 低温冷脆的主要理论

1.3.3 钢结构低温脆断的研究现状

1.3.4 钢结构脆性断裂的设计方法

1.3.5 钢结构脆性断裂的防止措施

1.4 课题的意义和内容

1.4.1 背景和意义

1.4.2 目标

1.4.3 内容

1.4.4 相关的基金项目

第二章 低温条件下结构钢材和桥梁钢材力学性能的试验研究

2.1 试验过程

2.1.1 试验装备

2.1.2 操作过程

2.1.3 试验内容

2.1.4 试件规格

2.1.5 数据处理

2.2 低温拉伸试样破坏特点

2.2.1 宏观形貌

2.2.2 微观形貌

2.2.3 拉伸试验曲线

2.3 温度对钢材强度指标的影响

2.3.1 钢材低温强度指标的试验结果

2.3.2 钢材强度指标随温度变化的计算公式

2.4 低温下钢材的塑性指标

2.4.1 钢材低温塑性指标试验结果

2.4.2 钢材塑性指标随温度变化的计算公式

2.5 本章小结

第三章 低温对结构钢材断裂韧度影响的试验研究和计算分析

3.1 试验过程

3.1.1 试验设备

3.1.2 试验过程

3.1.3 试验内容

3.1.4 试样

3.2 试验现象

3.2.1 试验P-V 曲线类型

3.2.2 试样破坏外形

3.2.3 断口形貌

3.2.4 汇总

3.3 裂纹尖端张开位移指标的测量结果

3.3.1 裂纹尖端张开位移(CTOD)的特征值

3.3.2 裂纹尖端张开位移(CTOD)的测量结果

3.3.3 J 积分指标和KIC 指标

3.4 CTOD 指标随温度和厚度的变化关系分析

3.4.1 加载曲线和断裂形式

3.4.2 CTOD 特征值随温度的变化规律

3.4.3 CTOD 特征值随厚度的变化规律

3.4.4 最大载荷CTOD 值在温度、厚度平面内的分布规律

3.5 裂纹尖端张开位移判据指标分析

3.5.1 几种备选方案

3.5.2 方案对比分析

3.5.3 最大载荷CTOD 的计算公式

3.6 温度对裂纹尖端张开位移指标的影响分析

3.6.1 概述

3.6.2 基于含中心裂纹受拉平板的理论分析

3.6.3 基于含裂纹三点弯曲试样的理论分析

3.6.4 有限元计算与理论公式的对比分析

3.6.5 试验结果与理论公式的对比分析

3.6.6 结论

3.7 三点弯曲试样的弹塑性有限元分析

3.7.1 有限元模型

3.7.2 CTOD 沿厚度的变化

3.7.3 裂纹尖端的应力状态

3.7.4 裂纹前缘的形状及其影响

3.8 本章小结

第四章 应力状态对脆性破坏的影响分析

4.1 缺口尖端三维应力状态的线弹性研究

4.1.1 含缺口受拉平板模型

4.1.2 Neuber 理论解和相关研究

4.1.3 对已有研究成果的讨论

4.1.4 有限元模型和软件

4.1.5 厚度对平面内应力分布的影响

4.1.6 平面应变系数的分布

4.1.7 厚度和缺口半径对平面应变系数的影响

4.1.8 应力强化系数

4.2 缺口尖端三维应力状态的弹塑性分析

4.2.1 缺口区域进入塑性后的应力分布

4.2.2 厚度对缺口尖端应力分布的影响分析

4.2.3 缺口半径对缺口尖端应力分布的影响

4.2.4 厚度和缺口半径的对比分析

4.3 应力状态对钢材脆性断裂的影响分析

4.3.1 单元体的三向应力应变关系

4.3.2 三向拉应力状态对脆性断裂的影响

4.4 本章小结

第五章 钢结构低温断裂设计方法

5.1 结构钢材韧脆断裂方式的判别

5.2 裂纹扩展阻力曲线

5.2.1 裂纹扩展阻力曲线的测量方法

5.2.2 结构钢材的裂纹扩展阻力曲线形式

5.2.3 结构钢材裂纹扩展阻力曲线的参数试验结果

5.2.4 结构钢材裂纹扩展阻力参数计算公式

5.3 构件断裂行为与裂纹扩展阻力曲线的理论分析

5.3.1 裂纹尖端张开位移与裂纹扩展量的关系

5.3.2 钢构件不同情况下的断裂行为分析

5.4 结构钢材的韧脆断裂转变条件

5.5 低温断裂设计的基本思想

5.5.1 前苏联低温断裂设计规范分析

5.5.2 低温断裂设计的基本方法

5.5.3 等级划分的思想

5.6 钢结构低温断裂设计方法的实现

5.6.1 裂纹尖端张开位移的设计曲线

5.6.2 假想裂纹长度的取法

5.6.3 折减系数的计算

5.6.4 断裂设计中的参数取值

5.7 设计步骤

5.7.1 设计阶段或常规检查合格的结构

5.7.2 含裂纹构件的安全性评定

5.8 设计实例

5.8.1 实例一

5.8.2 实例二

5.8.3 实例三

5.9 本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢及声明

附录 论文中未列出的试验结果和表格

1. 电子显微镜扫描图像

2. 拉伸曲线

3. 断裂设计中的构件类别

个人简历、在学期间的研究成果及发表的论文

发布时间: 2005-11-16

参考文献

• [1].高层钢结构交错桁架体系与地基基础共同作用研究[D]. 蒋建国.湖南大学2003

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