【摘 要】
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在结构工程领域,钢结构由于其卓越的静力与抗震工作性能,得以在全世界广泛采用,而探索各种钢结构的规律性特征、精确预测结构承载能力,一直是该领域致力于解决的关键的、经典的问题。然而,这些研究主要是聚焦于结构极限/峰值状态的研究,此状态具有不稳定、不确定的属性或本质特征,导致至今不能精确预测结构的静力与拟静力承载能力,各国钢结构设计规范中钢结构的承载能力是经验性、统计性主导的,因而在工程中不得不采取保守
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在结构工程领域,钢结构由于其卓越的静力与抗震工作性能,得以在全世界广泛采用,而探索各种钢结构的规律性特征、精确预测结构承载能力,一直是该领域致力于解决的关键的、经典的问题。然而,这些研究主要是聚焦于结构极限/峰值状态的研究,此状态具有不稳定、不确定的属性或本质特征,导致至今不能精确预测结构的静力与拟静力承载能力,各国钢结构设计规范中钢结构的承载能力是经验性、统计性主导的,因而在工程中不得不采取保守的举措,即过度的材料使用来规避和最小化这种不精确性的负面效应。同时,衍生了另一个经典问题,就是巨大的科研投入获取了大量结构试验数据,但目前的理论与方法却没有从中发现结构一般的、能精确计算结构设计承载能力的工作规律——物理定律。结构受力状态分析理论及其发现的结构失效定律,为解释上述两个经典难题奠定了基础。本文基于这个新理论及其发现的物理定律,开展了装配式钢节点的静力与拟静力受力状态分析,意在从试验与模拟数据中揭示钢节点工作过程中体现的“结构失效定律”,揭示钢节点破坏过程的起点、正常工作过程中的弹塑性分支点,释解困扰钢节点研究的经典问题——不确定的承载能力,为钢节点设计规范的改进提供新的理论基础和新的设计准则。本文的研究包括:(1)总结归纳了结构受力状态理论与结构失效定律的内涵。结构受力状态理论与方法还处于开创和初步应用阶段,其概念、理论、方法在各种结构、构件、试件的受力状态分析应用中。这种综述将加深对结构受力状态理论中的基本概念、基本原理、基本方法的理解,可以促进其在结构分析中的应用。进而,对目前结构受力状态理论在各种结构试验数据分析中的应用成果进行了陈述,重点在各个荷载工况下的各种结构受力状态演变过程中存在的普遍的量变质变规律,深刻认知与传统研究理念和方法的区别,以引导本文课题追求的创新性研究。(2)对三个铸钢连接件节点试件的静力试验数据进行了受力状态建模分析。将应变数据转换为广义应变能增量形式数据,以其作为基本状态变量,用以构造钢节点的受力状态数值模式与表征受力状态模式的参数。进而,应用MannKendall准则判定钢节点受力状态特征参数演变过程的跳跃特征——结构失效定律体现,即量变质变规律在结构工作过程中的具体体现。所揭示的受力状态跳跃特征确定了钢节点工作失效过程的起点(失效点)、界定了钢节点正常工作过程中的弹塑性分支点,据此定义了钢节点的失效荷载与弹塑性分支荷载等新的特征荷载。进而,通过考察钢节点各组件受力状态子模式演变特征,进一步揭示了钢节点组成部分的受力状态模式在钢节点失效点、弹塑性分支点前后的受力状态演变特征。最后,将钢节点弹塑性分支点荷载作为其承载能力设计值,与传统组件设计法所得的钢节点承载力设计值进行比较,探讨了前者直接作为设计参考的合理性。(3)对三个铸钢连接件节点试件的拟静力——往复递增加载——试验数据进行了受力状态建模分析。类似地,将应变数据转换为广义应变能数据,以其作为钢节点基本状态变量构造其受力状态模式及其特征参数。然后,应用MannKendall准则判定受力状态特征参数演变过程的突变特征,揭示钢节点在拟静力荷载作用下失效的起点,并据此定义了拟静力失效荷载。进而,考察钢节点各组件受力状态子模式在失效荷载前后的突变特征,并考察钢节点骨架曲线拐点与失效荷载的关系,进一步验证了钢节点受力状态模式在拟静力失效荷载处发生的符合量变质变规律的跳跃特征。此外,探讨了应用广义应变能进行受力状态建模,分析钢节点各组件之间协调工作性能的思想和方法。(4)对钢节点有限元模拟数据进行了受力状态建模分析。将钢节点有限元模拟的应变能数据作为基本参变量,构造受力状态数值模式及其特征参数。其中,提出了有限元模拟中结构极限荷载的判定准则,使Mann-Kendall准则能够更精确地判定钢节点受力状态特征参数演变过程的突变特征。这样,从模拟数据受力状态分析中可以揭示钢节点工作过程中一般工作特征——结构失效定律。进而,用模拟数据构造钢节点受力状态模式,考察其演变过程中的跳跃特征,验证了受力状态模式同样体现结构失效定律。(5)进行了基于结构失效定律的钢节点高等设计方法探讨。基于结构受力状态理论中所提出的高等结构设计思想与方法,将目前钢节点设计规范和通常做法确定的钢节点极限荷载、承载力设计值,与钢节点受力状态分析揭示的失效荷载、弹塑性分支点荷载进行比较,鉴证了基于钢节点受力状态演变规律确定钢节点承载力设计值的合理性,为建立钢节点的高等结构设计规程提供了参考。
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