高耸结构风振疲劳的随机裂纹扩展分析

采用随机裂纹扩展模型对高耸结构的风振疲劳问题进行分析,同时考虑平均风速的概率分布和时间相关性对裂纹扩展的影响,用ZMNL法模拟相关的平均风速时程样本,根据Monte-Carlo法得出裂纹长度的概率分布。推导出计算裂纹长度和疲劳寿命的二次矩近似法公式,用对数正态模型近似计算其概率分布。通过对一单杆输电塔的计算,证明上述方法的可行性,并对时间相关性对裂纹扩展的影响进行分析。     

循环荷载作用下钢筋与混凝土界面裂纹扩展的模拟

钢筋混凝土的界面脱粘是材料与结构破坏的一个重要方面,循环荷载作用下的界面疲劳问题研究越来越受到关注.基于剪切筒模型和常用加载方式,首先建立了循环荷载作用下钢筋与混凝土界面脱粘应力计算模型;借助断裂脱粘准则和描述疲劳裂纹扩展的Paris公式,得到了界面疲劳裂纹扩展速率、扩展长度以及脱粘界面上摩擦系数与循环加载次数的关系;对处于循环荷载作用下的钢筋与混凝土界面进行裂纹扩展的模拟计算与分析.     

变幅荷载下钢桥疲劳裂纹扩展规律及长度预测方法研究

为探明变幅荷载对钢桥疲劳裂纹扩展的影响,该文以钢桥面板顶板-竖向加劲肋为构造细节,开展了9组常/变幅疲劳试验,对比分析常/变幅荷载下疲劳裂纹扩展行为,探讨载荷次序、过载比、高/低载循环次数对疲劳扩展行为的影响。在此基础上,采用Kujawski扩展模型对常/变幅疲劳扩展规律进行预测分析,并建议复杂变幅荷载下疲劳裂纹扩展的预测方法。结果表明,变幅荷载下的裂纹扩展存在迟滞和加速行为,其中由高应力幅变为低应力幅时会产生明显的扩展迟滞现象,并且过载比越大、高载循环次数越多,所产生的迟滞现象越明显。变幅荷载下各应力幅加载阶段的扩展速率与对应常幅扩展速率较为接近,可以将复杂变幅荷载下的疲劳裂纹扩展近似等效为多段常幅裂纹扩展,并利用Kujawski扩展模型实现对实际疲劳裂纹扩展长度的初步预测。现场测试及跟踪结果也验证了该文所提出裂纹长度预测方法的合理性。     

基于名义应力法的工业钢烟囱风致疲劳损伤评估

文章基于名义应力法对某工业钢烟囱的风致疲劳安全性能进行了研究,并对于该钢烟囱的风振响应开展了分析。首先,运用通用有限元软件ANSYS建立了工业钢烟囱的杆系模型,并验证杆系模型的可靠性。然后,基于谐波叠加法进行了风速时程的模拟,并考虑钢烟囱所在地实际风速风向联合分布特性对风致疲劳损伤分析的影响。最后,通过雨流计数法、Goodman应力修正、S-N曲线和Pelmgren-miner线性累积损伤理论,并运用名义应力法对工业钢烟囱的顺风向和横风向进行疲劳损伤评估。结果表明,使用名义应力法仅考虑横风向作用时的疲劳寿命为11.1年,横风向和顺风向共同作用时的疲劳寿命为9.09年,工业钢烟囱报告中实际出现裂纹的时间为4年,计算的疲劳寿命与实际裂纹出现时间接近。     

钢丝裂纹扩展估算模型及其在预腐蚀疲劳寿命计算中的应用

为给桥梁缆索高强度钢丝损伤容限分析提供实用的裂纹扩展计算参数,根据钢材相关试验的结果统计了珠光体钢丝门槛值ΔKth和裂纹扩展计算数据,建立适用于不同屈服强度和应力比的钢丝裂纹扩展经验模型。在此基础上,提出基于一维裂纹扩展假定的预腐蚀钢丝疲劳寿命预测方法,并对锈蚀钢丝恒幅和变幅疲劳寿命进行实例分析。结果表明,珠光体钢材的屈服强度和门槛值之间的相关性随着屈服强度和应力比的提高而增强|提出的钢丝裂纹扩展模型和初始裂纹深度假定可较好地模拟腐蚀钢丝恒幅疲劳试验的离散性和疲劳极限性质|腐蚀钢丝变幅疲劳评估结果对门槛值变化较敏感|按保守门槛值的预测寿命显示,轻微均匀锈蚀钢丝若及时采取养护措施,可在桥梁常规检修期内继续使用。     

B780CF钢焊接接头疲劳裂纹扩展速率可靠性研究

对B780CF钢在不同的焊接工艺下疲劳裂纹扩展行为进行试验,研究其概率疲劳规律。采用七点递增多项式拟合方法,计算了一系列不同焊接工艺下相同裂纹长度存活率分别为50%、90%、95%、99%、99.9%的裂纹扩展速率,得到了不同焊接工艺下疲劳裂纹扩展速率曲线及表达式。定量分析了在不同可靠度下焊接工艺对疲劳裂纹扩展速率及Paris公式中两个重要参数的影响。     

钢筋蚀坑对其疲劳断裂特性的影响

基于降载勾线法,对人工钻孔模拟蚀坑的3根HPB300钢筋试件开展了疲劳裂纹扩展试验,并结合FRANC3D软件对钢筋疲劳裂纹扩展规律进行了数值分析.在此基础上,以不同应力幅值对12种尺寸的半椭圆形蚀坑钢筋模型的裂纹扩展过程进行了数值分析.结果表明:钢筋裂纹扩展速率前期缓慢增长,后期迅速增大;初始裂纹深度较大的钢筋疲劳寿命明显缩短;初始裂纹深宽比越大的钢筋疲劳寿命越短;应力幅值增大会使缺陷钢筋疲劳寿命缩短,并且初始裂纹深宽比越大的钢筋,其后期裂纹扩展速率增长越快,疲劳寿命缩短越明显.     

碳纤维复材加固钢板表面裂纹疲劳扩展研究

提出半椭圆表面裂纹疲劳扩展的一种有限元计算方法,该方法利用有限元软件计算裂纹前缘应力强度因子,采用Paris公式预测裂纹扩展量,通过有限元网格的自动重构来模拟分析表面裂纹的疲劳扩展过程。以中心表面裂纹钢板为研究对象,验证了所提方法的有效性和可行性,在此基础上,对常幅疲劳荷载作用下碳纤维复材(CFRP)加固钢板的表面裂纹扩展特性及疲劳寿命预测进行了研究。研究结果表明:CFRP加固能有效降低表面裂纹的扩展速率,长度方向由于直接受到CFRP的约束作用扩展速率降幅更大;裂纹形状比对CFRP加固效果影响较大,形状扁平的表面裂纹的疲劳寿命提升效果更好;加固后裂纹形状比相对加固前有所增大,增幅与其初始裂纹尺寸有关。     

a-N曲线的微分方程拟合法

钢结构节点的疲劳裂纹扩展研究中 ,为了使裂纹扩展速率分散性尽可能小 ,需要高精度地拟合疲劳裂纹扩展a -N曲线。通过将试验得到的裂纹扩展数据 (ai,Ni) (i =1,… ,n)为一不等间距的时间序列 ,利用灰色建模的思想 ,用改进的不等间距的时间序列灰色微分方程GM(1,1)模型拟合a-N 试验曲线。进一步观察发现 ,a-N 曲线的形状与翻转 180°的S-N 曲线形状相似 ,由此引出拟合a-N 关系的四参数经验公式 ,四个参数用结合优化技术的微分方程拟合法估计。计算表明 ,基于微分方程模型的四参数拟合法拟合精度较高 ,可望在工程上推广应用     

酸雨环境下Q420B钢材腐蚀疲劳裂纹扩展试验与模型研究

为研究特高压输电塔所用Q420B结构钢在酸雨环境下的腐蚀疲劳裂纹扩展行为,开展了Q420B的CT试样在人工酸雨喷雾腐蚀环境下的腐蚀疲劳试验。试验采用背面应变法监测裂纹长度,研究喷雾方式、pH值、应力比对裂纹扩展速率的影响。试验现象及断口分析表明,CT试样的断裂类型主要为穿晶疲劳断裂,腐蚀疲劳机制主要为阳极溶解机制。对于各工况,基于Paris模型推导了考虑模型参数随机性及da/dN数据波动性的腐蚀疲劳裂纹扩展速率P-da/dN-ΔK模型。结果表明,腐蚀疲劳裂纹扩展速率的离散性随应力强度因子幅的增大呈先减小后增大的趋势,该现象与Paris模型参数的线性相关性有关;相较于浸泡腐蚀,喷雾腐蚀下的裂纹扩展阶段存在明显的裂纹闭合效应,导致在ΔK较低阶段喷雾工况裂纹扩展速率均低于纯疲劳工况;腐蚀液pH值越低,裂纹扩展速率曲线斜率越大,但其初始速率也越低;应力比方面,增大应力比能明显缓解裂纹闭合效应,且裂纹扩展速率随应力比的升高而升高。     

Reliability analysis of wind turbines under non‐Gaussian wind load

Based on translation models, both Gaussian and non‐Gaussian wind fields are generated using the harmony superposition method for examining the reliability of a typical wind turbine at operational and parked conditions. Using the blade aerodynamic model and multibody dynamics, wind turbine responses are calculated and then probability characteristics are analyzed in details. The short‐term extreme response distribution is estimated by the average conditional exceedance rate method at each mean wind speed bin, and the long‐term extreme response distribution is then determined by further integrating the short‐term extreme response distribution conditional on wind speed with the distribution of mean wind speed. Additionally, crack initiation life and crack propagation life are evaluated using the linear cumulative damage theory and linear crack propagation theory, respectively. The results indicate that non‐Gaussian characteristics of wind inflows have a noticeably greater influence on both extreme response and fatigue damage, and the Gaussian assumption cannot suit wind turbine in complex terrain.     

斜拉桥拉索风雨激振参数联合概率分布模型

为了研究拉索风雨激振特征,在洞庭湖大桥建立了现场观测系统并开展了长期观测,得到了拉索风雨激振主要影响参数--风速、雨量、风向的一维边缘分布模型。采用Archimedean Copula函数建立了风速-雨量、风速-风向、雨量-风向的二维联合概率分布模型,及风速、风向和雨量三维联合分布模型,根据拟合优度评价指标确定了各联合概率分布的分布函数和参数值。综合风雨激振发生的风速、雨量、风向的一维边缘分布、二维联合分布及三维联合分布,得到了风雨激振发生的三维联合不超越概率和三维联合超越概率模型。该模型可以计算三维超越/不超越联合概率、联合条件概率以及不同组合条件下的概率密度,评价各种风、雨条件下拉索风雨激振的发生概率。     

爆生气体驱动岩石裂缝动态扩展分析

爆燃产生的气体压力以脉冲荷载形式随裂缝扩展作用于裂缝表面,不仅使裂缝壁岩体产生动态响应,而且爆生气体随裂缝扩展而发生动态变化,进而对岩体的劈裂过程产生耦合影响,这一机理的数值仿真分析尚未见报道。模型中用特殊的裂缝单元模拟裂缝张开和闭合,用Newmark法求解反映接触问题的动态有限元方程,并采用与时间相关的爆生气体压力分布模型,模拟爆生气体驱动下裂缝扩展过程。分析结果指出:①爆生气体在压裂过程中起主要作用,弹性应力波的劈裂作用范围很小;②地应力值越大起裂越晚,且裂缝扩展速度越小;③初始裂缝越长裂缝起裂越早,裂缝扩展速度也越大;④钻井中气体升压越快起裂相对时刻越晚,但对裂缝扩展速度没有明显影响。而裂缝起裂时刻越早以及裂缝扩展速度越快,可以得到更长的裂缝长度。     

Wind-induced fatigue of structures under neutral and non-neutral atmospheric conditions

The authors of this paper have carried out a wide research project aimed at determining the wind-induced fatigue of structures, hypothesising the wind field as neutrally stratified, as it is typical of evaluations addressed to ultimate loading conditions. As wind-induced fatigue is sensitive to moderate wind velocities, for which stable or unstable atmospheric conditions can occur, this paper extends the procedures previously established to non-neutral thermal stratifications. The mean wind velocity profile and the cross-power spectral density functions of the atmospheric turbulence are expressed in terms of the Monin–Obukhov length. The occurrence of stable, unstable and neutral conditions is taken into account by means of the joint probability distribution of the mean wind velocity and direction and of the Monin–Obukhov length. The effects of non-neutral stratifications on the structural response and on the mean fatigue life are preliminary discussed with reference to an example concerning a steel chimney.     

温度作用设计中气象参数代表值的确定

在结构温度作用计算中需气象参数作为其边界条件,主要有日照辐射、气温日较差、风速这三个参数。根据上述环境气象参数的变化规律,在对上海地区最近30年的气象资料分析的基础上,确定了太阳辐射日最大值、夏季最大气温日较差、年最大气温日较差的概率分布接近极值I型分布,日平均风速最小值的概率分布接近正态分布。根据概率分布模型,可得到对应于不同重现期的气象参数代表值。本文所提出的方法使得结构温度作用计算中边界条件的确定建立在概率统计分析的基础上,从而使结构温度作用的计算与工程结构可靠度设计方法相协调。     

Dynamic response and reliability analysis of tall buildings subject to wind loading

This paper explores the wind stochastic field from a new viewpoint of stochastic Fourier spectrum (SFS). The basic random parameters of the wind stochastic field, the roughness length z₀ and the mean wind velocity at 10 m height U₁₀, as well as their probability density functions (PDF), are obtained. It provides opportunities to use probability density evolution method (PDEM), which had been proved to be of high accuracy and efficiency, in computing the dynamic response and reliability of tall buildings subject to the wind loading. Principals and corresponding numerical solving algorithm of the PDEM are first presented. Then, the adopted model of the wind stochastic field is described briefly. The simulation method of the fluctuating wind velocity based on the SFS is introduced. Finally, as an example of the application of the PDEM, a 20-storey frame subject to wind loading is investigated in detail. The responses, including the mean value and the standard deviation, and the reliabilities of the frame are evaluated by the PDEM. The results demonstrate that the PDEM is applicable and efficient in the dynamic response and reliability analysis of wind-excited tall building.     

基于罚函数的平均风速统计时距划分方法

针对目前结构风工程中风速特性统计分析均采用固定时距且不考虑统计时距内平均风速变化的假定,以三峡库区青草背长江大桥及舟山西堠门大桥桥址处实测风速资料为对象,采用罚函数对比法探讨了以风速样本均值和方差作为风速序列突变判据的时距划分方法,对比分析了风速样本的稳定时距的峰度、偏度、概型分布等统计特性。通过研究发现：采用P-variance方法得到的风速序列稳定时距远大于P-mean方法,风速平均值的波动趋势明显快于表征风速脉动能量的风速根方差的变化;基于罚函数对比法计算得到的风速稳定时距呈现出明显的正偏态分布特征,且Weibull分布可以较好地拟合风速稳定时距;采用罚函数对比法P-mean算法得到西堠门大桥桥址风场的风速稳定时距为569s,与规范中600s的计算时距非常接近,在一定程度上为规范600s时距的取值提供了依据,也证明了罚函数对比法在计算平均风速统计时距上的合理性;相比于传统10min固定时距,基于罚函数对比法的可变时距下风速序列的顺风向紊流强度和阵风因子的标准差均有不同程度的下降。     

弹丸撞击下花岗岩靶破坏效应实验与数值分析

 对不同速度弹丸撞击花岗岩靶产生的弹坑深度和裂纹长度进行实验和数值分析。利用轻气炮进行五发实验,得到3种撞击速度下的弹坑直径、弹坑深度、靶板表面裂纹分布等破坏效应,并对撞击速度为654 m/s的正侵彻实验靶进行切割,得到靶板内部的裂纹分布情况。采用非线性动力学软件Autodyn对正侵彻花岗岩实验进行数值模拟。将Johnson-Homquist损伤本构模型(JH–2模型)与拉伸断裂软化模型相耦合,来模拟靶板内高应力区材料的压缩和剪切破坏效应,以及低应力区靶板在主拉伸应力作用下产生的损伤和裂纹扩展。相对于传统有限元计算中删除单元形成裂纹的处理方法,本文采用SPH算法,通过定义损伤来描述材料的压缩破坏以及由剪切和拉伸断裂形成的裂纹。模拟得到的弹坑尺寸以及裂纹长度与实验结果符合较好。根据模拟结果进行数值试验,拟合出不同撞击速度下的弹坑深度和裂纹长度的经验关系式。相关方法及材料模型参数可为后继实验和相关数值模拟提供参考。     

既有高耸钢结构风致疲劳寿命时域分析方法及实例

以某港区高杆照明装置为例,探讨了既有高耸钢结构风致疲劳寿命的时域分析方法。该方法首先通过现场实测校正结构动力分析模型,而后采用谐波叠加法模拟脉动风场,计算脉动风动力作用下结构控制细节应力谱,最后基于现场风向风速监测资料统计得到的各风向概率及相应的风速分布,采用热点应力法估算各控制细节年疲劳损伤度及剩余疲劳耐久年数。实例计算结果与现场实际情况吻合较好,可供类似结构的风致疲劳分析参考。