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随机点蚀对槽钢柱力学性能影响分析

随机点蚀对槽钢柱力学性能影响分析

作者：董悦奇安徽理工大学

学位级别：硕士

钢结构相比于传统建筑材料具有很多优势,如结构本身自重轻、承载能力强、抗震性能较好和建材可回收利用等优点。然而,钢结构具有很多优势的同时也存在一些缺陷,如钢材长期处于自然环境下会发生腐蚀等。钢结构发生腐蚀后,整体结构安全性... 详细信息

钢结构相比于传统建筑材料具有很多优势,如结构本身自重轻、承载能力强、抗震性能较好和建材可回收利用等优点。然而,钢结构具有很多优势的同时也存在一些缺陷,如钢材长期处于自然环境下会发生腐蚀等。钢结构发生腐蚀后,整体结构安全性等性能降低,建筑内人员生命与财产安全遭受较大风险。本文主要通过试验与数值分析方法研究了槽钢构件发生随机点蚀后的力学性能变化,并将损伤构件引入整体结构中,分析了结构损伤后整体性能的改变情况,主要研究内容与结论如下:(1)将无损工况和三组随机点蚀区域不同的损伤工况,共计16个槽钢构件进行轴压试验,通过试验数据分析发现:三组点蚀区域不同的损伤试件均随着点蚀损伤强度(DOP)的增加,屈服承载力退化率(Ψ)和极限承载力退化率(η)不断升高;点蚀区域为腹板时,Ψ和η均虽较小,但随着损伤程度加深增速较快,增长幅度大,当DOP为11.69%,工况F-93Ψ值达到33.04%;点蚀区域为翼缘时,Ψ和η均相对较大,但随着DOP增加,增速相对较慢;总体上,单侧翼缘点蚀组5个工况Ψ和η均较高于同等DOP下另外两组。(2)利用有限元软件建立与试验构件相对应的槽钢构件数值模型,分析结果显示:模拟所得数据与试验数据差别不大,其中最大误差发生在MF-56工况为3.03%,最小误差发生在MF-74工况仅仅为-0.46%,数值模型较为合理。(3)基于槽钢构件数值模型,通过大量模型工况进一步分析了点蚀坑半径、深度和数量三种随机点蚀因素分别对构件翼缘处与腹板处损伤导致的屈服承载力的变化情况。分析发现:点蚀区域位于腹板处时,Ψ值对三种随机点蚀因素的关系均为正相关,且与点蚀坑半径和深度相关性较强;点蚀程度较低时,Ψ值变化不大,但三种点蚀因素均增强后,Ψ值增幅显著。点蚀区域位于翼缘处时,Ψ值与点蚀深度相关性最强;即便点蚀程度较低时,Ψ值也会达到10%左右。(4)将点蚀损伤构件引入钢吊盘结构中,分析显示:随着损伤程度的加深,损伤构件本身应力、位移明显增加;传导至整体结构后,结构应力、位移也缓慢增加,增加到一定数值时,最大应力与最大位移位置均发生改变。图[54]表[22]参[61]

关键词：槽钢随机点蚀钢结构有限元分析屈服承载力

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随机点蚀H形截面高强钢柱轴压性能研究

随机点蚀H形截面高强钢柱轴压性能研究

作者：程皓哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在我国进入新基建时代以来,高强钢结构开始广泛应用于工程建筑结构中。高强钢相比于普通钢材,具有更高的屈服强度和抗拉强度。在日常生活中,钢结构建筑会受到腐蚀作用使得其自身发生破坏,腐蚀已严重影响到钢结构的安全性和可靠性。据统... 详细信息

在我国进入新基建时代以来,高强钢结构开始广泛应用于工程建筑结构中。高强钢相比于普通钢材,具有更高的屈服强度和抗拉强度。在日常生活中,钢结构建筑会受到腐蚀作用使得其自身发生破坏,腐蚀已严重影响到钢结构的安全性和可靠性。据统计我国每年锈蚀的钢铁将近一亿吨。钢结构的腐蚀通常以点蚀的形式存在,点蚀使得钢结构的受力性能急剧退化,严重威胁到钢结构的稳定。在自然环境下,点蚀的生成具有随机性,包括蚀坑分布、蚀坑形状、蚀坑大小等,造成了钢结构表面的不均匀性。不同的蚀坑形状、蚀坑位置、蚀坑深度对钢结构的受力性能均产生巨大影响。本文针对随机点蚀H形截面Q690高强钢柱轴压性能开展系统地研究,主要完成了以下几个方面工作:(1)基于ANSYS有限元软件提出了随机点蚀H形截面Q690高强钢柱的有限元建模方法。分别建立Q690轴心受压焊接H形截面高强钢柱模型及带有均匀分布蚀坑的钢板模型,与文献的试验结果进行对比分析,从破坏模式、荷载-位移曲线以及构件承载力等方面验证了模型的正确性,并利用此建模方法研究随机点蚀H形截面高强钢柱极限承载力的劣化规律。(2)建立随机点蚀H形截面Q690高强钢柱轴压下有限元模型,完成162个算例的参数分析,研究腐蚀体积损失(DOV)、最大蚀坑深度,点蚀密集程度(DOP)和蚀坑位置对构件轴压极限承载力的影响规律。(3)完成了728个随机点蚀H形截面Q690高强钢柱轴压下有限元模型的建立,将模型的截面尺寸、长细比、蚀坑位置、蚀坑深度、腐蚀体积损失及极限承载力数据进行汇总,形成人工神经网络训练用的数据库,搭建应用于轴压H形截面Q690高强钢柱极限承载力预测的神经网络。围绕神经网络进行软件开发,得到一个应用于随机点蚀H形截面Q690高强钢柱极限承载力预测的应用软件。

关键词： Q690高强钢柱随机点蚀有限元分析神经网络轴压性能

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随机点蚀角钢轴心受压稳定性能研究

随机点蚀角钢轴心受压稳定性能研究

作者：邱钧钧武汉大学

学位级别：硕士

输电铁塔结构的安全可靠性对于电力系统的正常运转至关重要,而随着对输电量需求的增加、输电距离的变大,输电铁塔对其构件的要求也越来越高,因此,安装便捷、承载力高的Q420等边角钢在输电铁塔的建设当中得到广泛的应用。但是,随着输电... 详细信息

输电铁塔结构的安全可靠性对于电力系统的正常运转至关重要,而随着对输电量需求的增加、输电距离的变大,输电铁塔对其构件的要求也越来越高,因此,安装便捷、承载力高的Q420等边角钢在输电铁塔的建设当中得到广泛的应用。但是,随着输电铁塔服役时间的增加,其构件会产生腐蚀从而导致承载性能发生不同程度的退化,随机点蚀作为一种常见的腐蚀形态,对输电铁塔的危害尤为严重。因此,以Q420等边角钢为研究对象,探究随机点蚀影响下角钢轴心受压承载性能的变化规律具有重要的现实意义。本文采取了数值模拟的研究方式,基于试验得出的蚀坑参数统计规律,以蚀坑深度、蚀坑直径、蚀坑位置为主要参数得到蚀坑参数矩阵,从而建立了较为真实的随机点蚀角钢有限元模型,并以有限元模型为基础,开展了各项参数对两种常用截面(宽厚比超限和宽厚比不超限)的Q420等边角钢轴心受压承载性能影响的研究,最后建立BP神经网络模型对极限抗压承载力进行预测和评估,获得了两种截面的随机点蚀角钢的极限抗压承载力折减系数计算公式。本文的主要内容如下:(1)将蚀坑形状简化为圆柱形,基于试验所得出的大气腐蚀下钢构件蚀坑径深比统计规律以及Q420钢材蚀坑深度统计规律,以蚀坑深度、蚀坑直径以及蚀坑圆心坐标为参数,使用Matlab软件建立蚀坑参数矩阵,采用Ansys软件建立了较为真实的随机点蚀角钢有限元模型;采用该种建模方式可通过修改程序精确地控制构件各项参数以及获得最小截面面积;通过将初始变形峰值取为L/600来综合考虑残余应力与初始几何变形的影响;按照本文建模方法建立与试验构件相同的模型计算,相对误差不超过3%,验证了本文建模方法的准确性。(2)对不同参数的共计360个轴心受压的随机点蚀角钢有限元模型进行计算分析,研究了蚀坑分布形式(随机点蚀和均匀分布的点蚀)、锈蚀率(DOV)、角肢腐蚀程度差异、蚀坑深度均值、腐蚀范围、局部腐蚀位置以及长细比等参数对两种截面构件的影响规律,结果表明:总体上,构件的极限承载力和最小截面面积与DOV的大小成反比;相同DOV下,随机点蚀构件的极限承载力低于均匀分布的点蚀构件,幅度在2%～12%之间,以均匀分布的点蚀的方式研究点蚀损伤下角钢的受力性能偏不安全;随机点蚀的随机性会引起构件的强度突变,部分DOV更小的构件的极限承载力低于DOV更大的构件;相同DOV下,两种截面的构件的极限抗压承载力随着角肢腐蚀程度差异的增大而减小,随着腐蚀范围的减小而减小,而蚀坑深度均值、局部腐蚀位置以及长细比对其影响较小;宽厚比不超限角钢对随机点蚀造成的损伤更敏感,相同DOV下,长细比为30、40、50、60的宽厚比超限角钢的极限承载力折减系数相较于对应的宽厚比不超限角钢高出4.62%、7.89%、8.69%、9.25%。(3)建立BP神经网络模型对两种截面的随机点蚀角钢构件的极限抗压承载力折减系数进行预测,拟合各项参数与折减系数之间的计算公式,通过与现有随机点蚀角钢极限承载力计算方法对比,预测结果与有限元结果的相对误差为3.44%,远小于其他方法,验证了该种方法的准确性与可行性。

关键词：随机点蚀 Q420等边角钢轴压性能有限元分析 BP神经网络

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随机点蚀对Q460等边角钢抗拉性能的影响

科学技术与工程 2021年第12期21卷 4882-4890页

作者：王雪飞郭耀杰孙云鲍超武汉大学土木建筑工程学院武汉430072

为了揭示点蚀损伤对构件破坏模式和极限承载力的影响机理,完善腐蚀角钢构件的力学性能评估体系,基于腐蚀试验数据和数值模拟,提出针对随机点蚀角钢构件的有限元模型构建方法,研究腐蚀损伤体积、蚀坑尺寸和蚀坑分布位置对Q460点蚀等边角... 详细信息

为了揭示点蚀损伤对构件破坏模式和极限承载力的影响机理,完善腐蚀角钢构件的力学性能评估体系,基于腐蚀试验数据和数值模拟,提出针对随机点蚀角钢构件的有限元模型构建方法,研究腐蚀损伤体积、蚀坑尺寸和蚀坑分布位置对Q460点蚀等边角钢构件极限抗拉承载力的影响,并根据其极限抗拉承载力劣化规律,采用非线性回归的方式拟合了点蚀角钢极限抗拉承载力的折减公式。结果表明,随机点蚀角钢的极限抗拉承载力退化整体上与腐蚀损伤体积呈正相关,蚀坑半径和蚀坑分布位置对承载力的影响较小,但蚀坑深度和蚀坑分布范围的影响不容忽视,拟合的点蚀角钢极限抗拉承载力的折减公式较刚度折减法和厚度折减法误差更小,准确度较高,可见其适用于点蚀角钢构件极限抗拉承载力的计算,可以应用到实际工程分析中。

关键词：随机点蚀等边角钢极限承载力有限元

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含点蚀损伤U型环金具承载力分析

机械设计与制造 2024年

作者：王彦海马琪雍杰龚昕玺三峡大学电气与新能源学院广东电网有限责任公司佛山供电局

为研究腐蚀作用下输电线路中的碳素结构钢构件U型环金具的承载力折损规律及计算方法，结合有限元仿真与拉伸试验建立了含点蚀损伤U型环模型，并对其进行了承载力计算。结果显示，设计工况下均匀点蚀模型承载力比随机点蚀模型高出近4.5%... 详细信息

为研究腐蚀作用下输电线路中的碳素结构钢构件U型环金具的承载力折损规律及计算方法，结合有限元仿真与拉伸试验建立了含点蚀损伤U型环模型，并对其进行了承载力计算。结果显示，设计工况下均匀点蚀模型承载力比随机点蚀模型高出近4.5%；当随机点蚀的表面积腐蚀率为40%，点蚀深度为U型环直径的0.25倍时，U型环承载力折损率达29.08%。对计算结果进行拟合，得到以表面积腐蚀率和点蚀深度为变量的U型环承载力计算公式，经验证，该公式与数值试验结果平均相对误差约1.372%，可应用于实际工程中U型环承载力的评估。

关键词：输电线路碳钢腐蚀电力金具随机点蚀拉伸试验承载力折损规律

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随机点蚀圆钢管柱力学性能试验与应用分析

安徽建筑大学学报 2022年第4期30卷 20-26页

作者：杨明飞董悦奇程华瑞沙志平陈宜网安徽理工大学土木建筑学院安徽淮南232001 中国二十冶集团有限公司工程设计研究院上海201900 安徽圣沃建设集团有限公司安徽合肥230001

为研究随机点蚀损伤对圆形钢管柱的力学性能影响,对带有随机点蚀损伤的构件进行了轴压试验,试验中考虑了不同的内径和点蚀损伤强度。结果显示,在文中所选点蚀损伤范围内,随着点蚀损伤强度的增加,点蚀损伤构件的屈服载荷和弹性模量均呈... 详细信息

为研究随机点蚀损伤对圆形钢管柱的力学性能影响,对带有随机点蚀损伤的构件进行了轴压试验,试验中考虑了不同的内径和点蚀损伤强度。结果显示,在文中所选点蚀损伤范围内,随着点蚀损伤强度的增加,点蚀损伤构件的屈服载荷和弹性模量均呈现线性下降趋势;内径越小,点蚀损伤对其屈服荷载和弹性模量影响越大;点蚀损伤强度为4%时,点蚀坑之间环向应变发展明显快于纵向应变发展。利用ANSYS有限元软件分别建立了无损伤构件和损伤构件的数值模型,利用试验结果对数值模型进行校核,最大误差分别为-4.17%、-11.78%,说明文中所建立的数值模型合理。最后,利用该数值模型分析了不同点蚀损伤区域对结构构件力学性能的影响,研究发现当点蚀损伤区位于2L/5~3L/5柱脚处时,构件屈服荷载降低了26.96%,此区域为构件的随机点蚀敏感区。

关键词：随机点蚀圆钢管柱力学性能点蚀损伤强度敏感区

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加筋板的轴压强度受加筋随机点蚀的影响研究

海洋工程 2023年第4期41卷 159-167页

作者：王仁华刘耀阳江苏科技大学土木工程系江苏镇江212100

船舶与海洋结构在服役期间会遭受电化学和微生物侵蚀等多种腐蚀环境影响,加筋板作为此类结构的主要受力构件,其表面易产生不规则形态的点蚀,引起构件的强度退化。利用ANSYS有限元软件构建加筋腹板遭受随机点蚀损伤的加筋板有限元模型,... 详细信息

船舶与海洋结构在服役期间会遭受电化学和微生物侵蚀等多种腐蚀环境影响,加筋板作为此类结构的主要受力构件,其表面易产生不规则形态的点蚀,引起构件的强度退化。利用ANSYS有限元软件构建加筋腹板遭受随机点蚀损伤的加筋板有限元模型,研究带板长宽比、带板长细比、加筋长细比和腐蚀体积损失率对加筋板极限强度的影响。研究结果表明,加筋遭受同等腐蚀体积损失率下,带板长宽比变化对极限强度退化的影响很小,但带板长细比和加筋长细比变化产生的影响明显;带板长细比越大,极限强度退化越严重,而加筋长细比越大,极限强度退化反而越小。针对文中研究的加筋板,当加筋长细比为0.2时,腐蚀体积率为14%的随机点蚀导致结构极限强度退化程度达到约14.0%。因此,加筋的随机点蚀损伤会显著削弱加筋板结构的极限强度,其影响不可忽略。

关键词：加筋板随机点蚀加筋点蚀极限强度

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随机点蚀损伤钢管桩码头的地震易损性分析

随机点蚀损伤钢管桩码头的地震易损性分析

作者：徐玉明中国矿业大学

学位级别：硕士

在码头工程设计领域,国外的主流标准规范已采用基于位移的抗震设计方法,而国内仍采用《水运工程抗震设计规范》(JTS146-2012)这一基于力的设计规范,未能体现基于性能的抗震设计理念。此外,海洋环境中的氯离子侵蚀会导致结构产生损伤,影... 详细信息

在码头工程设计领域,国外的主流标准规范已采用基于位移的抗震设计方法,而国内仍采用《水运工程抗震设计规范》(JTS146-2012)这一基于力的设计规范,未能体现基于性能的抗震设计理念。此外,海洋环境中的氯离子侵蚀会导致结构产生损伤,影响结构抗震性能,如何描述结构的锈蚀程度是一个值得研究的问题。针对以上问题,本文考虑了码头结构不同程度的锈蚀损伤,对一处典型的高桩码头结构进行地震易损性分析。本文的主要研究内容如下:1)考虑客观自然锈蚀现象的不确定性,利用随机过程理论来描述锈蚀。首先提出了一种生成随机点蚀模型的算法并根据单轴拉伸试验得到Q345钢材的应力应变曲线,然后基于此构建了200个随机点蚀损伤的单轴拉伸试件有限元模型,展开非线性分析,研究在多种点蚀强度、蚀坑深度和蚀坑半径下,试件的屈服强度和极限强度退化规律;基于足够的样本进行线性回归分析,探究含蚀坑钢材的断裂位置;根据随机过程理论中预测了点蚀损伤结构的屈服强度和极限强度,最终利用Gamma模型得到了点蚀损伤结构的屈服强度和极限强度的概率退化模型,即以体积损失率为自变量的概率密度函数。2)考虑桩土效应,基于OpenSEES计算平台构造了一个由五排钢管桩与多层土壤海床土体组成的高桩码头结构的三维有限元模型,主要模拟结构和岩土系统的地震响应,并且利用已有实验对本文的桩土模型进行了验证。动力时程分析的内容包括:靠海侧与靠陆侧土层各高程位置的位移与加速度响应、桩顶(甲板)位移、桩身位移、桩轴力、桩剪力、桩身弯矩、桩截面曲率、桩身各处加速度响应和震后残余位移等。3)考虑地震动不确定性以及随机锈蚀导致的材料性能不确定性,基于前文得出的锈蚀钢材强度退化概率模型对应不同的锈蚀率生成地震动-结构样本、建立结构的概率地震需求模型。选用峰值加速度(PGA)作为地震动强度参数,甲板位移延性系数和钢管截面曲率延性系数作为结构损伤参数,考虑锈蚀的影响进行码头结构的地震易损性分析,绘制结构地震易损性曲线,得到结构在遭受某种强度地震灾害时损伤破坏的概率与程度。该论文有图70幅,表24个,参考文献106篇。

关键词：随机点蚀钢管桩码头地震易损性动力时程分析

随机锈蚀H型钢梁腹板承载力退化及概率分布特征研究

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随机锈蚀H型钢梁腹板承载力退化及概率分布特征研究

作者：代博志辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

H型钢梁已被广泛应用于高层建筑结构、海洋建筑结构及工业化结构中。然而,长期处于腐蚀环境下的钢结构工程最容易发生锈蚀,锈蚀能引起钢结构截面的减小,使钢材表面变得粗糙不规则,严重影响钢构件的强度及稳定性。在实际情况下,钢梁腹板... 详细信息

H型钢梁已被广泛应用于高层建筑结构、海洋建筑结构及工业化结构中。然而,长期处于腐蚀环境下的钢结构工程最容易发生锈蚀,锈蚀能引起钢结构截面的减小,使钢材表面变得粗糙不规则,严重影响钢构件的强度及稳定性。在实际情况下,钢梁腹板的表面最容易发生点蚀。本文使用随机有限元的方法研究点蚀对钢梁腹板承载力的影响,考虑了质量损失率、几何参数以及锈蚀厚度、大小和位置等参数分析钢梁腹板承载力的退化规律,揭示了钢梁腹板承载力折减系数对锈蚀厚度概率分布模型的影响。在经过大量随机有限元的分析结果提出了预测钢梁残余承载力的解析方法,结果表明,该方法预测锈蚀H型钢梁腹板残余承载力具有较高的精度,为评估钢梁使用寿命及维护条件提供理论和方法。具体的研究内容如下:(1)揭示了随机点蚀对H型钢梁腹板抗剪承载力的影响,并验证了有限元模型的准确性。研究特定锈蚀厚度和随机锈蚀厚度对钢梁腹板抗剪承载力的影响,探讨了质量损失率与抗剪承载力之间的关系,提出了一种预测锈蚀钢梁残余抗剪承载力的理论方法,该方法对预测锈蚀H型钢梁的抗剪承载力具有较高的准确性。所提出的方法适用于正则化长细比λ小于1的钢梁。(2)研究了锈蚀对单向受压矩形简支板屈曲后强度的影响。通过理论分析与有限元结果对比,验证了有限元模型的可靠性。根据随机有限元的大量分析结果研究不同宽厚比b/t钢板的适用性,提出了预测锈蚀钢板屈曲后强度折减系数的概率分布模型理论计算公式。提出了锈蚀钢板等效厚度b/t的测定方法,研究结果为揭示锈蚀钢板的屈曲行为奠定了基础。(3)分析了随机锈蚀对H型钢梁腹板局部承载力的影响,探讨了特定锈蚀位置和随机锈蚀位置对钢梁腹板局部承载力的变化规律。通过随机有限元的大量分析结果,揭示了局部承载力折减系数随锈蚀厚度概率分布模型变化规律,提出了用于预测局部承载力折减系数上限和下限曲线的理论计算公式。所提出的方法可以准确预测随机锈蚀H型钢梁腹板局部承载力折减系数的随机概率分布模型。该论文有图90幅,表2个,参考文献60篇

关键词： H型钢梁腹板随机点蚀质量损失率抗剪承载力局部压应力屈曲后强度概率分布模型