风沙冲蚀作用下钢结构涂层应力计算及其分布特征研究

作     者：魏亚鹏 

作者单位：兰州交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蔺鹏臻

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：钢结构涂层 本构模型 涂层应力 界面应力 破环准则 

摘      要：在“一带一路和“十四五规划的指导下西北地区修建了大量的输电铁塔、钢结构厂房、钢结构桥梁和风力发电塔等,而钢结构的化学腐蚀和物理腐蚀问题历来是钢结构行业的重点研究对象。在西北地区以风沙粒子的冲击、磨损为代表的物理腐蚀对钢结构建筑物带来了严重的灾害,极大地增加了后期管理维护的成本。因此研究风沙冲蚀作用下钢结构涂层的力学性能,对钢结构涂层的设计和应用具有指导意义。本文以西北地区的风沙环境特征为背景,对呈现空间分层异性的沙粒在高度、冲蚀角度和冲蚀速度的耦合条件下冲蚀钢结构建筑物时涂层的应力问题开展了以下主要研究工作:（1）为研究钢结构涂层的力学本构模型,以两种钢结构涂装体系为试验对象分别进行单轴拉伸试验,得出每种涂装体系的面漆、中间漆和底漆的力学本构模型,再对复合涂层的力学本构模型进行研究。研究结果表明:H06-X环氧富锌底漆（80%锌含）、H52-DM环氧厚浆防腐中间漆和长效型复合涂层的本构关系表达式均满足分段二次多项式。H06-C2环氧厚浆云母氧化铁中间漆和转锈型复合涂层的本构关系表达式均可用一元二次函数表征。E01-JY氟碳面漆和B04-TQ防紫外线抗磨聚氨酯面漆的本构方程满足线性关系。（2）为研究风沙冲蚀作用下钢结构涂层的应力及其分布特征,基于接触力学和结构动力学理论,建立了风沙侵蚀钢结构涂层时的冲蚀荷载表达式,利用位势理论推导出在冲蚀荷载作用下钢结构涂层的应力计算公式,同时结合西北地区风沙流特征研究了钢结构涂层不同位置处的应力分布规律。研究结果表明:涂层的面漆和中间漆厚度宜分别取在165μm～210μm和145μm～165μm范围内。面漆应具有良好的抗拉、抗压和抗剪切性能,以防止发生表面开裂和次表层塑性屈服现象;中间漆的抗剪和抗压强度应分别不小于250k Pa和800k Pa。（3）为研究风沙冲蚀作用下涂层与钢材基体的界面应力及其分布规律,基于分析双层复合材料界面问题的镜像点法,通过Dirichlet等值性原理和边界条件,推导出了涂层与钢材基体界面应力的计算公式。进一步研究了沙粒在高度、冲蚀速度和冲蚀角度的耦合条件下冲蚀钢结构建筑物时涂层与钢材基体的界面应力变化特征。结果表明:在距离地面1.5m高度处涂层与钢材基体的界面应力值最大,且1.5m高度处的界面应力最大值约为3.0m和5.0m高度处界面应力最大值的5倍和8倍。当沙粒以相同的速度冲击同一位置时,界面压应力在冲击角度为75°～90°范围内较大,界面切应力在冲击角度为30°～45°范围内较大。界面应力与沙粒粒径和冲击速度均成正相关,并且随着距沙粒冲击点距离的逐渐增大,界面压应力和切应力均呈现出先增大后减小的变化规律。（4）为建立风沙冲蚀作用下钢结构涂层的界面应力破坏准则,基于界面力学和断裂力学理论,通过有限元分析方法研究了钢结构涂层的界面起裂位置,探究了起裂位置处的界面应力与涂层厚度累积损失量之间的变化规律,建立了钢结构涂层的界面应力破坏准则。研究结果表明,钢结构涂层的界面起裂位置为最大界面剪应力位置;起裂位置处的界面应力值与涂层厚度累积损失量之间满足多项式相关性;风沙冲蚀作用下钢结构涂层的界面应力破坏准则,形式与莫尔—库伦强度准则相似,其斜率的大小取决于沙粒的冲蚀角度。