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钢桥厚板冲击韧性与断裂机理研究

叶兵  
【摘要】:随着国民经济迅速发展,钢材产能保持长期快速增长态势,钢材已经成为一种常用建筑材料,被广泛应用到大跨度桥梁中,导致对厚板钢材需求日益增加。随着厚度的增加,钢桥厚板中裂纹或类裂纹缺陷尖端的应力应变状态由平面应力向平面应变转变,约束增加而使脆性断裂倾向增大。加上我国北部地区气候严寒,最低气温在-40℃以下,低温环境下厚钢板(厚度超过50mm)韧性会表现得更差,从而更容易发生脆性断裂。基于上述情况,为了保证低温下钢结构桥梁厚板不发生脆性断裂事故,因此对钢桥厚板冲击韧性与断裂机理研究具有现实意义。本文主要工作如下:(1)通过对几种经典断裂力学理论(应力场强度因子理论、J积分临界值理论、裂纹尖端张开位移)进行分析探讨,得出在一定条件下,冲击韧性指标和断裂韧性指标存在一定相关性,当钢板厚度不超过一定数值时,可以用通过夏比V型冲击韧性实验,对钢材断裂韧性进行评价,超过一定数值时,钢材需要进行CTOD实验进行校正(2)在+20,0,-20,-40℃四个温度点下,对结构钢Q345B厚板(60,90,120mm三种厚度)进行冲击试验,得出相应冲击功值A_K。并对实验结果值进行线性分析,并与规范值进行比较,最终提出利用分权平均值法对厚板冲击功进行修正。(3)为了了解理想裂纹尖端的应力场分布规律,利用有限元软件LS-DYNA,考虑材料本构关系、侧向约束条件、网格划分密度、初始裂纹缺陷等因素的影响,建立三点弯曲试样有限元模型。通过模型加载P-V曲线,定性判断Q345B钢材在不同温度环境下的断裂韧性好坏,并确定其CTOD临界值大小。(4)结合以上研究,对Q345B钢材冲击韧性试验实验结果和CTOD断裂韧性数值分析结果,与相关文献、规范进行比较分析。本文提出了钢结构桥梁厚板冲击韧性简化计算方法和CTOD临界值确定办法,为工程相关试验以及钢桥相关设计参数提供一定参考价值。


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