【摘要】：近年來房屋建筑朝著結(jié)構(gòu)平面布局多樣化發(fā)展,這就對結(jié)構(gòu)的承重模式以及傳力途徑提出了更高要求。梁,柱作為結(jié)構(gòu)中的基本構(gòu)件,對建筑物強度有著重要影響。節(jié)點作為重要部位將梁,柱連接到一起,協(xié)同發(fā)揮作用。目前,對節(jié)點的擬靜力加載開展了較多研究。但是,梁柱節(jié)點在服役過程中可能要承受諸如爆炸載荷、沖擊載荷等動載荷的作用,動載荷作用下不只要考慮強度的影響,還需要考慮慣性力以及材料性能的影響,結(jié)構(gòu)受力情況較為復(fù)雜。實際使用過程中,大部分結(jié)構(gòu)都還帶有損傷,含損傷結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)更應(yīng)引起關(guān)注。因此,需要開展沖擊載荷下,含預(yù)制裂紋的梁-柱節(jié)點的動態(tài)斷裂研究。針對不同的節(jié)點形式,在不同位置,不同裂紋數(shù)目,不同邊界條件情況下,采用理論分析,數(shù)值模擬,實驗室實驗對節(jié)點試件的動態(tài)斷裂力學(xué)特性開展研究。研究成果具有理論意義和工程實際指導(dǎo)價值。(1)采用MTS多功能試驗機和透射式高速攝像機試驗系統(tǒng),獲得了含預(yù)制裂紋的T型、兩種門式梁-柱試件的準(zhǔn)靜態(tài)加載斷裂力學(xué)特性。柱端含有預(yù)制裂紋的T型梁柱試件承載力最小;對于梁端,柱端均含有預(yù)制裂紋的試件,梁端裂紋并未起裂,柱端裂紋起裂破壞,與只在梁端含有預(yù)制裂紋的試件承載力相差不大。裂紋擴展路徑較為平直,裂紋擴展軌跡的改變(曲裂)不明顯。速度的振蕩變化小于動態(tài)破壞,柱端裂紋在擴展過程中發(fā)生曲裂時,速度逐漸減小為0。對于門式試件,梁底部裂紋對承載力起到了“卸壓”作用,底部裂紋先起裂,擴展裂紋并未貫通試件。對于在梁端,柱端含有預(yù)制裂紋的試件,梁,柱端裂紋的起裂滯后于梁底部裂紋的起裂;梁裂紋以及柱裂紋擴展過程中發(fā)生曲裂并且快速止裂。加載-位移曲線出現(xiàn)三次加-卸載過程,加載過程曲線斜率遞減,說明裂紋起裂后,結(jié)構(gòu)的承載力逐漸降低。柱端含有預(yù)制裂紋的試件承載力最大值為1.9kN,較梁端含有預(yù)制裂紋的試件承載力高36%。梁底部不含預(yù)制裂紋門式試件承載力的最大值較梁底部含有預(yù)制裂紋試件大幅提高;梁端含有斜裂紋試件卸載過程表現(xiàn)出“塑性”特征,斷裂面較粗糙,承載力最大;柱端含有斜裂紋以及梁,柱均含有斜裂紋的試件出現(xiàn)了兩次加-卸載過程;梁,柱均含有直裂紋的試件在第二次卸載過程中表現(xiàn)出“塑性”特征。裂紋擴展軌跡滿足四次多項式擬合曲線,預(yù)制裂紋為直裂紋的試件斷裂時受剪力影響較小。(2)采用透射式數(shù)字激光焦散線系統(tǒng),對內(nèi)部預(yù)制單一裂紋、單一偏置裂紋、多裂紋等不同缺陷類型試件進行了沖擊斷裂試驗;結(jié)合數(shù)值模擬,揭示了應(yīng)力波與梁內(nèi)部缺陷相互作用過程以及運動裂紋的擴展規(guī)律。梁內(nèi)部裂紋位于對稱軸處時,裂紋下端先起裂,裂紋上端后起裂。裂紋下端貫穿試件激發(fā)的卸載應(yīng)力波使裂紋上端應(yīng)力強度因子顯著增加,加快了上部裂紋的起裂、擴展。隨著裂紋到試件下邊界距離增加,裂紋上、下端擴展速度差值逐漸減小,裂紋上端應(yīng)力強度因子最大值逐漸增加。對于同一偏置距離,裂紋到梁下邊界距離大的試件,裂紋上、下端的起裂角均較大;到梁下邊界距離相同,偏置距離大的裂紋,裂紋起裂時的起裂角較大,實驗結(jié)果與理論計算結(jié)果基本一致;對于內(nèi)部裂紋偏置距離相同的試件,上端裂紋擴展速度大的試件,則下端裂紋擴展速度較小。“空孔”能夠顯著增加試件二次起裂韌度,增幅超過100%,二次起裂后裂紋擴展速度大幅增加;內(nèi)部含有不對稱縱向裂紋的試件易起裂,距沖擊加載頭較近的一端起裂,斷裂韌度較小;含對稱裂紋的試件,兩端都起裂,且二次起裂韌度略小于第一次起裂韌度。試件內(nèi)含有兩條裂紋時,對稱軸處裂紋先起裂;兩條裂紋均偏置,裂紋均起裂,裂紋下端貫穿試件促進上端裂紋的擴展。主裂紋下端擴展軌跡會偏向次裂紋下端擴展軌跡;次裂紋上端裂紋擴展偏向主裂紋上端擴展形成的新表面。(3)采用透射式數(shù)字激光焦散線系統(tǒng),對梁端含有不同位置、不同傾斜角的預(yù)制裂紋以及柱端含不同傾角預(yù)制裂紋的懸臂梁-柱試件進行沖擊實驗,得到預(yù)制裂紋擴展軌跡、裂紋擴展速度、裂尖應(yīng)力強度因子等動態(tài)斷裂力學(xué)參量演化規(guī)律。含單一垂直邊裂紋的懸臂梁試件,裂紋擴展過程中,拉應(yīng)力起主要作用,斷裂模式為I型;具有斜裂紋試件的斷裂模式為Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型。梁端斜裂紋使得裂紋擴展過程中速度、加速度振蕩性增強。直裂紋能量積累過程較短,先于含單一傾斜邊裂紋懸臂梁構(gòu)件達到動態(tài)斷裂韌度,擴展路徑較為平直。預(yù)制裂紋距節(jié)點核心區(qū)距離增加,預(yù)制裂紋起裂時間縮短,斷裂模式逐漸由拉伸斷裂向斜拉斷裂轉(zhuǎn)變,裂紋貫通點與預(yù)制裂紋的水平距離逐漸增加,曲裂程度增大;裂紋擴展的平均速度減小,裂紋從起裂到貫穿所需時間增加;試件斷裂時K_Ⅰ~d值逐漸減小,K_Ⅱ~d值逐漸增加,試件平均擴展韌度逐漸減小。裂紋到節(jié)點核心區(qū)距離為32mm時,復(fù)合斷裂特征最明顯。對節(jié)點核心區(qū)附近含微裂紋的結(jié)構(gòu),應(yīng)在其擴展路徑上采取加固措施,抑制動態(tài)裂紋的擴展。柱端含不同角度預(yù)制裂紋試件的斷裂模式均是Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型。隨著預(yù)制裂紋角度增加,能量在裂尖積累的越慢,裂紋起裂所需時間較長,裂紋擴展曲裂程度增大。斜裂紋對速度影響較大,預(yù)制裂紋傾斜角度增加導(dǎo)致擴展速度的最大值、平均值均增加。傾斜裂紋使得試件起裂時的K~d_(ⅠC)減小,K~d_(ⅡC)增加,剪應(yīng)力比重增加。(4)采用動焦散線方法,研究了不同型式T型梁-柱試件支承條件、預(yù)制裂紋位置、數(shù)目的改變對裂紋起裂韌度、擴展速度、裂尖應(yīng)力強度因子變化規(guī)律的影響。采用超動態(tài)應(yīng)變儀和CEEMD波形去噪方法得到T型梁-柱試件的應(yīng)力場分布特征。在應(yīng)力波作用下靠近加載頭的梁端裂紋易起裂,在反射拉伸波作用下,梁柱交點處形成應(yīng)力集中,裂紋擴展。對梁的一側(cè)自由端施加約束,位于柱端的裂紋較難起裂,裂紋短暫擴展后很快止裂;遠(yuǎn)離加載頭一側(cè)梁端以及柱端含有裂紋的試件,兩條裂紋均起裂,梁端裂紋的起裂,促進了柱裂紋的擴展,二者速度交替變化,梁裂紋擴展軌跡偏向柱裂紋形成的斷裂面。在梁的一側(cè)自由端施加約束,含有不同數(shù)目裂紋的試件表現(xiàn)出不同的斷裂特征:在兩個梁端以及柱端含有預(yù)制裂紋的試件,靠近加載點的梁裂紋起裂;只在梁端含有裂紋的試件斷裂后,由于沖擊引起試件的振蕩變形,梁柱交點處形成擴展裂紋,呈“C”字形在核心區(qū)擴展。含內(nèi)部裂紋的T型試件,應(yīng)力集中程度大的一端先起裂,擴展貫通后,裂紋另一端起裂。在卸載應(yīng)力波的作用下,后起裂的裂紋尖端應(yīng)力強度因子大幅提升,提升幅度最大為166%。含有兩條內(nèi)部裂紋的試件,后起裂的裂紋對先前擴展裂紋的速度,擴展軌跡都有較大影響。下部柱邊界條件的改變對倒T型試件預(yù)制裂紋擴展軌跡有較大影響。上端固支、下端鉸支時,上部柱裂紋起裂擴展,在梁柱核心區(qū)內(nèi)發(fā)生曲裂,擴展速度較小;上、下端均固支時,柱裂紋沒有起裂,梁柱交點處形成應(yīng)力集中,試件斷裂,裂紋擴展過程中,速度的振蕩變化較小。上部邊界條件的變化影響下部柱含有裂紋試件的斷裂,上端沒有約束時,含有柱裂紋的試件在柱裂紋以及梁柱交點處均起裂。倒T型試件裂紋數(shù)目變化,試件的斷裂形態(tài)存在差異。梁端含有裂紋的試件,梁端裂紋起裂;梁端不含裂紋,梁柱交點處起裂擴展。隨著裂紋數(shù)的增加,在結(jié)構(gòu)破壞過程中,結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性增強,速度振蕩變化增加。含有多裂紋的試件,每條裂紋尖端都會形成應(yīng)力集中,隨著梁端或者梁柱交點處起裂,其他裂紋尖端應(yīng)力集中消失。柱端含有預(yù)制裂紋的試件動態(tài)應(yīng)力場分布有以下規(guī)律:水平方向,關(guān)于梁中性軸對稱的點,受力對稱,拉-壓應(yīng)變幅值基本相等;梁上側(cè)受拉,梁中部應(yīng)變節(jié)點內(nèi)應(yīng)變;梁下側(cè),隨著到核心區(qū)距離減小,應(yīng)變完成從拉到壓的轉(zhuǎn)變。豎直方向,加載頭下方的應(yīng)變片變化特征明顯,能夠反映應(yīng)力波的變化規(guī)律。含有兩條預(yù)制裂紋的試件應(yīng)力場分布有以下規(guī)律:水平方向,關(guān)于中性軸對稱的兩點一側(cè)受拉,另一側(cè)受壓。到梁柱核心區(qū)距離減小,兩應(yīng)變片的差值逐漸減小。豎直方向,加載頭下方應(yīng)變片拉,壓特征明顯,受應(yīng)力波的影響最為顯著。梁中部受力方向相反,應(yīng)變幅值基本相等,節(jié)點核心區(qū)內(nèi)一側(cè)受拉,另一側(cè)受擴展裂紋的影響,處于拉-壓變化應(yīng)力場中。(5)采用動焦散線實驗方法,得到了對稱梁-柱試件沖擊斷裂力學(xué)特性;采用超動態(tài)應(yīng)變儀對梁底部含預(yù)制裂紋的門式試件與H型試件進行超動態(tài)應(yīng)變測量,得到?jīng)_擊斷裂試件應(yīng)力場分布規(guī)律。沖擊應(yīng)力波作用下,對梁底部含預(yù)制裂紋的門式試件,梁底部裂紋最先起裂;其次梁端裂紋,柱端裂紋起裂。梁端、柱端均含裂紋的試件,柱端裂紋形成應(yīng)力集中,但未起裂。隨著預(yù)制裂紋數(shù)的增加,梁端,柱端裂紋擴展的平均速度逐漸減小,速度振蕩變化增強。梁底部不含有預(yù)制裂紋的門式試件,裂紋起裂時間顯著增加。只在梁端或者柱端含有預(yù)制裂紋的試件,梁柱交點處先起裂,完全擴展后,梁端或者柱端裂紋擴展。梁端,柱端均含有裂紋的試件,柱端裂紋先起裂,在擴展到柱中部時,裂紋止裂,梁柱交點處裂紋起裂,完全擴展后,柱中裂紋繼續(xù)擴展,且梁端裂紋也開始擴展,梁裂紋擴展韌度大于柱裂紋。含有內(nèi)部裂紋的門式試件,內(nèi)部裂紋位于梁端時,梁柱交點處首先起裂,擴展至梁上邊界時,梁內(nèi)部裂紋上端起裂。30μs后裂紋貫通試件,激發(fā)的“卸載”應(yīng)力波增大了下端裂紋應(yīng)力強度因子,裂紋下端起裂韌度為1.85MN/m~(3/2)。柱內(nèi)部含有裂紋的試件,柱內(nèi)裂紋并未起裂,在梁柱交點處擴展形成兩條對稱裂紋。梁底部含有預(yù)制裂紋的H型梁-柱試件,梁底部裂紋先起裂,之后梁端裂紋起裂;柱端含有裂紋的試件,梁柱交點處先于柱裂紋起裂;梁端,柱端均含有預(yù)制裂紋的試件,梁底部裂紋起裂后,梁端裂紋起裂、擴展,柱端裂紋最后起裂,梁端擴展裂紋在梁柱交點處受到壓應(yīng)力作用,裂紋止裂。在這段時間柱端裂應(yīng)力強度因子顯著增加,增幅為33%。裂紋的起裂時刻與裂紋數(shù)目緊密相連,裂紋多的結(jié)構(gòu)易破壞,穩(wěn)定性弱。裂紋數(shù)目、位置對上部柱含有裂紋的H型試件的動態(tài)斷裂有較大影響。梁底部、上部柱含有裂紋的試件,只有梁底部裂紋擴展。下部柱含有預(yù)制裂紋的試件,由于下部柱裂紋的擴展,結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性降低,上部柱裂紋在梁-柱核心區(qū)內(nèi)擴展。梁端、上部柱、下部柱均含有預(yù)制裂紋的試件,梁端裂紋,下部柱裂紋起裂,裂紋擴展平均速度較小。裂紋擴展到梁柱節(jié)點處速度逐漸減小,裂紋止裂;裂紋二次起裂后,擴展速度小于第一次裂紋擴展速度。研究了只在節(jié)點含有預(yù)制裂紋的H型試件的動態(tài)斷裂特性。含梁端裂紋試件擴展過程中,裂紋逐漸出現(xiàn)分叉,主裂紋尖端的應(yīng)力強度因子減弱,主裂紋擴展速度減小,次裂紋擴展一段時間后消失。含柱端裂紋的試件,柱端裂紋未起裂,梁柱上交點處裂紋起裂,在核心區(qū)內(nèi)擴展,貫通于梁柱下交點處。分叉裂紋導(dǎo)致主次裂紋擴展速度均下降。內(nèi)部含裂紋的試件破壞機制與含有邊裂紋的試件存在較大不同,應(yīng)力波作用下,含邊裂紋試件只有一個裂紋尖端,應(yīng)力波作用下,裂尖起裂;而對于試件內(nèi)部裂紋,應(yīng)力波同時與兩個裂紋尖端相互作用,產(chǎn)生應(yīng)力集中。這種能量的分散造成了含有內(nèi)部裂紋的試件起裂所需時間較長。距邊界較近的裂紋尖端應(yīng)力集中程度較大,容易開裂,先擴展的裂尖對起裂較晚的裂尖擴展起到了促進作用。對梁底部含有預(yù)制裂紋的門式試件進行超動態(tài)應(yīng)變測試。柱端含有預(yù)制裂紋的試件應(yīng)變具有以下規(guī)律:梁底部裂紋在起裂時刻拉應(yīng)變達到最大值1320με;到加載點距離增加,梁上、下側(cè)應(yīng)變逐漸減小,核心區(qū)內(nèi)受力狀態(tài)對稱。梁端含有預(yù)制裂紋的試件水平方向動態(tài)應(yīng)力場有以下分布規(guī)律:梁底部裂紋受拉應(yīng)力,靠近加載頭處先受壓應(yīng)力,由于反射波的影響,逐漸受拉;梁端裂紋附近先受拉后受壓。梁底部含有預(yù)制裂紋的H型梁柱試件應(yīng)力場分布具有以下規(guī)律:水平方向,梁底部裂紋附近拉應(yīng)力作用強烈,梁柱下交點處壓應(yīng)力較大,節(jié)點核心區(qū)內(nèi)受力對稱。隨著梁底裂紋的擴展,靠近加載頭處壓應(yīng)變逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)變,梁端裂紋處由受拉逐步變?yōu)槭軌�。豎直方向,距加載點較近處受較強的壓應(yīng)力,梁底裂紋加載初期受壓,隨后逐步受拉。梁端含有預(yù)制裂紋時,上部柱內(nèi)、外側(cè)應(yīng)變變化趨勢一致,外側(cè)應(yīng)變值略大于內(nèi)側(cè);下部柱內(nèi)、外側(cè)受力狀態(tài)相反,柱內(nèi)側(cè)壓應(yīng)變幅值較大。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU473.1
【圖文】：

MTS試驗機Fig.2.1TheMTStestingmachine

170μs 190μs 210μs 230μs 250μs(c)試件 S-M-3圖 2.8 裂紋擴展軌跡Fig.2.8 The diagram of crack path.3 試件斷裂的裂紋擴展速度

【參考文獻】

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本文編號：2735491