含损伤缺陷的大型钢结构架极限承载预测方法研究

　　1　引　言

　　目前对于大型钢结构架的研究大多集中在对局部杆件的损伤识别,并没有和极限承载能力联系在一起,更没有建立系统准确的模型用以定量评价其极限承载能力。在实际的工程应用中,钢结构架极限承载能力是一个重要的工作指标,准确地计量出极限承载能力是保证安全高效生产的前提。以石油钢结构井架为例,目前国内有一千多部井架应用于石油勘探和开发。在长期的使用过程中,井架杆件、杆件间的连接及整个结构整体都不同程度的存在着各种各样的损伤缺陷,从而导致设计载荷失效。为了保证安全生产,必须对承载能力等级进行评定,一般做法是由较大的安全系数来保证,这对已有的设备资源可能造成很大的浪费,同时由于对实际极限载荷的未知,在实际应用时对于突加过大载荷的安全认识具有盲目性,可能造成严重的安全隐患。因此为了保障大型钢结构架在工程生产及生活应用中的安全可靠性,对其进行准确地极限承载性能预报意义重大。本文提出基于双重非线性理论和测试应力为基准的大型钢结构架极限承载预测方法。通过实验室钢结构架模型极限承载实验验证了理论的正确性,为大型钢结构架的极限承载力预测提供了可靠的方法,也为钢结构架的测试与评定提供了科学依据。

　　2　双重非线性钢结构架计算理论

　　大型钢结构架在承受小载荷、发生小变形时,载荷与位移表征为线性关系,可按线弹性理论建立应力与应变的本构方程。但当钢结构架承受大载荷且具有大变形时,钢结构架由于其工程材料本构关系的非线性、结构本身变形引起的P-Delta效应等因素的影响,使结构整体、结构构件和构件截面对荷载的反应呈现既是几何非线性又是材料非线性状态,钢结构的载荷位移曲线显示非线性[1]。当钢结构架结构接近极限状态时,局部杆件可能进入塑性状态。因此分析钢结构架结构的极限状态,基于以往的线弹性理论的计算方法已不再适用,必须考虑双重非线性[2]的影响。

　　2.1　钢结构架材料非线性本构方程

　　考虑材料非线性,根据米赛斯屈服准则和普朗特-路斯塑性流动增量理论可以建立一般意义下的钢结构单元增量的弹塑性应力应变[3]关系为:

　　2.2　钢结构架几何非线性平衡方程

　　考虑几何非线性,假设材料处于线弹性状态,用虚位移原理建立单元增量的平衡方程。

　　2.3　钢结构架双重非线性平衡方程

　　对于双重非线性问题,在计算切线刚度矩阵时将其中的[D]用[D]ep代替,整理得,

式(7)就是在考虑几何和材料双重非线性条件下的单元增量平衡方程。