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结构钢断裂破坏面理论及试验研究

张建军  
【摘要】: 断裂已经成为许多行业最为苦恼的问题之一,它直接关系到构件承载能力和使用寿命,钢结构这一领域同样也不例外。在1994年北岭地震和1995年阪神地震中,梁柱连接发生了大量的脆性破坏,显示出了人们对结构钢断裂破坏机理认识的不足。为避免钢结构脆断所造成的人员伤亡和财产损失,美日两国成立了专门的研究机构,也提出了很多改进方案,但这些方案是否真正有效还有待实践的检验。 目前国内外对钢结构断裂的研究主要集中在梁柱连接节点的改进上,试图通过改进节点的连接方式来达到解决断裂的目的,并没有从力学上寻找结构钢断裂的真正原因。本文从理论和实验着手,探寻防御结构钢断裂的力学准则。 本文在综合考虑了金属宏观强度理论、断裂力学、损伤力学和材料科学等多门学科的基础上,提出了旋转抛物面形式的结构钢宏观断裂准则。为对该断裂准则进行验证,本文进行了开孔板和刻痕杆断裂试验,应用有限元软件ANSYS的数值模拟结果对断裂准则进行了量化验证,结果表明,本文建议的结构钢旋转抛物面断裂准则具有足够的精度。 鉴于已有试验对Mises准则的支持以及其本身的试验基础,本文建议在σ_m<0的范围内仍然沿用Mises准则,该旋转抛物面断裂准则与Mises准则的后继破坏面在纯剪切平面上相互衔接。在三维应力空间中,断裂准则的空间模型犹如一粒子弹,外形平滑简洁,便于数学处理。 此外,为了方便将本文所提断裂准则应用于理论研究和工程实际当中,对该断裂准则的抗断设防进行了详细叙述。 研究内容比较系统新颖,研究思路摆脱了现有研究成果及理论的束缚,开拓了新的宏观断裂研究方向,提出的结论及建议对于工程设计和理论研究具有一定的参考价值。


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