栓钉剪力连接件疲劳寿命预测模型研究与分析

作     者：田润安 

作者单位：中南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：匡亚川;资伟

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：钢-混凝土组合梁 栓钉 损伤力学 疲劳寿命预测 可靠性分析 

摘      要：钢-混凝土组合结构作为一种新型结构,与钢筋混凝土结构和钢结构相比有着施工、经济性等方面的优点,因此被广泛应用于桥梁结构领域,发展和应用前景十分广阔。剪力连接件是保证钢-混凝土组合梁组合作用充分发挥的关键部件,同时也是钢-混凝土组合梁抗疲劳的一个重要因素。而栓钉是钢-混凝土组合梁中较为常见的剪力连接件形式,已有试验研究表明,钢-混凝土组合梁的疲劳破坏大多是由栓钉的疲劳破坏造成的。综上所述,对钢-混凝土组合梁中栓钉的疲劳寿命进行研究,从而减少结构疲劳破坏带来的危害是十分重要的。本文依托国家自然科学基金项目,通过数值模拟研究栓钉的疲劳寿命影响因素,并基于损伤力学和可靠性理论对栓钉疲劳寿命预测模型展开分析,本文的主要研究工作总结如下:(1)基于已有的栓钉疲劳试验数据,对国内外典型栓钉疲劳寿命预测模型进行了精度研究与分析,研究结果表明:基于断裂力学的栓钉疲劳寿命预测典型模型的预测精度较高,且考虑因素较全面。(2)应用ABAQUS软件,建立了栓钉推出试验构件的有限元模型,依据课题组已完成试验数据对有限元模型进行了验证;将该有限元模型导入疲劳分析软件FE-SAFE中,对栓钉疲劳寿命的主要影响因素展开研究,研究结果表明:应力幅、应力比、栓钉规格、混凝土等级和栓钉抗拉强度对栓钉疲劳寿命都有不同程度的影响,其中应力幅和应力比对栓钉疲劳寿命影响较大。(3)结合栓钉的服役状态,应用损伤力学理论对栓钉疲劳损伤过程进行了描述分析,推导了基于损伤力学的栓钉疲劳寿命预测模型,通过算例验证了本文推导的预测模型,并与典型模型进行了精度对比,对比结果表明,基于损伤力学的栓钉疲劳寿命预测模型精度较典型疲劳寿命预测模型高,且疲劳寿命预测结果相对保守。同时基于本文推导的栓钉疲劳寿命预测模型分析了各因素对栓钉疲劳寿命的影响规律,分析结果与有限元分析基本吻合较好。(4)针对疲劳寿命随机性强、离散性大的特点,引入相关概率统计方法对栓钉疲劳寿命预测模型的可靠性展开分析。为解决栓钉疲劳试验样本量小的问题,应用蒙特卡洛法模拟抽样来增加样本量以达到更合理地概率统计结果;研究分析了极大似然估计法和随机疲劳法对栓钉疲劳寿命预测模型可靠性分析的差异;提出了一种基于概率损伤变量的栓钉疲劳寿命预测模型的可靠性方法,可靠性分析结果为各类预测模型在实际工程中的应用提供了参考。图60幅,表32个,参考文献123篇