CN115544794B - 基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法，支撑钢框架包括：支撑杆和两个节点板，在支撑杆的两端分别通过一个节点板分别固定在钢梁和钢柱上，该方法包括：根据现有支撑钢框架，模拟出支撑钢框架的损伤关键位置应力应变场，并且得到支撑杆和节点板的相关的设计参数；计算出支撑杆的低周疲劳寿命方程；计算出与上述支撑杆对应节点板的低周疲劳寿命方程；确定支撑钢框架的选择参数；本发明方法基于试验分析数据和数值模拟数据并经统计得到的，准确度较高且考虑因素较全面，为中心支撑框架的低周疲劳损伤评估和寿命预测提供理论基础，可用于支撑框架抗震设计安全性评价工作。

Description

基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法
技术领域
本发明属于低周疲劳寿命预测技术领域，尤其涉及了用于板式连接中心支撑钢框架的基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法。
背景技术
中心支撑钢框架结构工厂化程度高，现场装配便捷，非常符合我国现大力倡导的绿色建筑发展理念，同时，该结构具有良好的水平刚度和承载力，在多高层工业与民用建筑中具有广泛应用前景。
对于板式连接中心支撑钢框架结构，支撑作为主要的抗侧力构件，在地震作用下会不可避免地发生反复的屈曲和屈服行为，某些钢支撑还可能因此发生低周疲劳断裂而过早退出工作，从而导致该楼层的抗剪能力和结构的抗侧刚度严重退化，易在结构的局部层间形成薄弱层甚至引起结构的整体倒塌。此外，支撑屈曲后的面外位移能达到轴向位移的10倍，很可能引起临近非结构构件的破坏。近几年的震害调查表明，中心支撑钢框架不仅在支撑发生低周疲劳损伤断裂，也有大量破坏发生在板式节点。连接节点过早发生损伤或断裂，会破坏传力路径，劣化框架结构整体承载力和延性性能。支撑和板式节点的低周疲劳性能直接影响中心支撑钢框架在弹塑性阶段的结构响应，因此，对中心支撑钢框架的低周疲劳寿命预测进行研究十分必要。
中国专利CN114254457A公开了一种基于数字孪生的矿山液压支架疲劳寿命预测方法，首先利用solidworks软件建立液压支架系统的整体仿真模型，并采用ANSYS有限元分析获得液压支架顶梁相关状态参数与疲劳寿命值的相关数据集，同时划定状态参数与寿命值的取值范围；然后利用ANSYS Twin Builder构建高置信度的数字孪生验证模型，并根据矿山液压支架顶梁的屈服强度和本构关系等真实的边界条件验证与优化有限元仿真模型；将通过ANSYS有限元分析得到的数据集划分为训练集与测试集，通过LSTM神经网络对得到的训练集进行训练，完成训练后利用测试集进行测试评估，以确定液压支架顶梁的疲劳寿命预测模型，从而据此实现对矿山液压支架顶梁疲劳寿命的准确预测。
中国专利CN103874807A公开了一种应用于土方工程设备的应力和/或累积损伤监测系统，其包括：多个应变仪(51-60)，每个应变仪测量多个对应的应力检测位中的一个的应力；用于从所述多个应变仪采集实时应力数据的数据采集单元(41)；用于处理所述采集到的实时应力数据以计算一个或多个实际累积损伤和/或者实际即时应力的测量值的处理器和存储器；以及用于提供所述测量值与相应的参考值的比较信息的至少一个输出设备(37)。
但是，上述两篇对比文件均没有公开用疲劳寿命来预测的支撑钢框架设计参数选取方法。已有研究得出的支撑低周疲劳寿命预测公式均基于某特定试验，由于试验数据和设计参数的局限性，预测公式的通用性和适用性均较低。此外预测公式均基于单独支撑构件低周疲劳试验结果，其在实际中心支撑钢框架中的应用性有待进一步探究。已有板式节点研究多为关于受压临界承载力方面，尚未得出板式节点的低周疲劳寿命预测方法，且少有考虑不同节点板连接形式、构件倾斜角度和梁柱转角等设计因素对组件和支撑框架低周疲劳寿命的影响，考虑因素不全面，这在一定程度上限制了该结构的推广和应用。
发明内容
本申请的发明目的是避免了现有的复杂低效的数值运算和花费巨大的结构疲劳试验，而提供了基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法，可据此方法获得支撑框架结构弹性和塑性阶段低周疲劳寿命，有助于结构抗震设计和安全水平评估。
为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案：
本申请的一种基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法，支撑钢框架包括：支撑杆和两个节点板，在支撑杆的两端分别通过一个节点板分别固定在钢梁和钢柱上，基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法包括：
(一)、根据现有支撑钢框架，模拟出支撑钢框架的损伤关键位置应力应变场，并且得到支撑杆和节点板的相关的设计参数
(a)、获取若干支撑钢框架的损伤关键位置应力应变场
从支撑杆的支撑长细比λB、节点板长细比λP、支撑腹板宽厚比h0/tw、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ和层间位移角δ，这七项设计参数的标准分类中设计每一种支撑钢框架，其中支撑杆的支撑长细比λB分别为50、60、70、80、90和100；节点板的长细比λP由节点板净距比Loff/tp决定，节点板净距比Loff/tp分别为-6、-2、2，其中Loff为净距，tp为节点板厚度，根据节点板净距比Loff/tp确定出L1、L2和L3,其中L1为节点板支撑端部距钢柱的距离，L2为节点板支撑端部距钢梁和钢柱交叉点的距离，L3为节点板支撑端部距钢梁的距离，通过计算公式
Figure GDA0004159105150000021
计算出节点板长细比λP；支撑腹板宽厚比h0/tw分别为20、21、22、23、25、27；支撑翼缘宽厚比b/t分别为6、7、8、9、10和11；连接系数k分别为1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5和1.6；梁柱高度比ξ分别为0.7、0.84和1；层间位移角δ分别为1/100、1/70和1/50，每一种支撑钢框架对应一种支撑杆和相应的节点板设计参数的组合，基于若干个设计参数的组合进行数值模拟得到每一种支撑钢框架的损伤关键位置应力应变场；
(b)、支撑杆的相关设计参数
与支撑杆相关的设计参数分别为支撑长细比λB、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ和层间位移角δ；
(c)、节点板的相关设计参数
与节点板相关的设计参数分别为支撑长细比λB、节点板长细比λP、连接系数k、梁柱高度比ξ和层间位移角δ；
(二)、计算出支撑杆的低周疲劳寿命方程
(d)、求出若干根支撑杆的低周疲劳寿命
根据步骤(a)得到的若干支撑钢框架的损伤关键位置应力应变场，通过力学矩阵变换，获得每一根支撑杆在其损伤关键位置的最大剪应变幅Δγmax；最大剪应变幅所在平面的最大正应力σn,max；单元临界面的法向正应变幅Δεn；并根据以下修正的临界面法的LZH公式分别求出若干根支撑杆的低周疲劳寿命
Figure GDA0004159105150000031
其中：σ′f为疲劳强度系数，a为疲劳强度指数，ε′f为疲劳延性系数，b为疲劳延性指数，E为钢材弹性模量，fy是钢材屈服强度，以上6项为钢材材料系数，由钢材材料试验获得，对于支撑杆，ω取1；
(e)、根据支撑杆低周疲劳寿命预测模型公式，计算出相应系数
将步骤(d)得到若干根支撑杆的寿命，及步骤(b)所选相应每支撑杆的相关设计参数代入公式中，
Figure GDA0004159105150000032
通过编程，运用最小二乘法和求解多元线性方程组，拟合得出各系数值b0、b1、b2、b3、b4和b5,即得到了支撑杆的寿命方程；
(三)、计算出与上述支撑杆对应节点板的低周疲劳寿命方程
(f)、求出若干个节点板的低周疲劳寿命
根据步骤(a)得到的若干支撑钢框架的损伤关键位置应力应变场，通过力学矩阵变换，获得每个节点板在其损伤关键位置的最大剪应变幅Δγ’max；最大剪应变幅所在平面的最大正应力σ’n,max；单元临界面的法向正应变幅Δε’n；并根据以下修正的临界面法的LZH公式分别求出若干个节点板的低周疲劳寿命
根据以下修正的临界面法的LZH公式分别求出每个节点板的寿命
Figure GDA0004159105150000041
其中：σ′f为疲劳强度系数，a为疲劳强度指数，ε′f为疲劳延性系数，b为疲劳延性指数，E为钢材弹性模量，fy是钢材屈服强度，以上6项为钢材材料系数，由钢材材料试验获得，对于节点板，ω’取0.5；
(g)、根据节点板低周疲劳寿命预测模型公式，计算出相应系数
将步骤(f)得到每个节点板的寿命，及步骤(c)的相应每个节点板的相关设计参数代入公式(5)中，
Figure GDA0004159105150000042
通过编程，运用最小二乘法求解多元线性方程组拟合得出各系数值c0、c1、c2、c3、c4和c5,即得到了节点板的寿命方程(5)；
(四)、确定支撑钢框架的选择参数
(h)、选择要设计的支撑钢框架的参数
要设计的支撑杆和节点板具有与上述支撑杆和节点板相同的材料和结构，初选出支撑杆支撑长细比λB、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ、层间位移角δ和节点板的净距比Loff/tp，并且根据净距比Loff/tp计算出节点板长细比λP；
(i)、根据公式和公式(5)计算出要设计的支撑钢框架中支撑杆和对应的节点板的寿命
Figure GDA0004159105150000043
/>
Figure GDA0004159105150000044
得到N’B和N’C，
当N’B>N’C时，重复步骤(h),重新选择支撑杆支撑长细比λB、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ、层间位移角δ和节点板的净距比Loff/t中的任意一项或多项；
当N’B≤N’C时，步骤(h)选出的支撑杆支撑长细比λB、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ、层间位移角δ和节点板的净距比Loff/tp满足要求。
本申请的一种基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法，其中：所述支撑钢框架的损伤关键位置发生在支撑杆的长度方向的中心点附近。
本申请的一种基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法，其中：所述支撑钢框架的损伤关键位置发生在节点板的周边附近。
本申请的一种基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法，其中：所述支撑杆的结构为工字型钢或H型钢。
本申请的一种基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法，其中：在步骤(a)中，从支撑长细比λB、节点板长细比λP、支撑腹板宽厚比h0/tw、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ和层间位移角δ的标准分类的40824组合中，采用正交设计法，选择100-300个组合，所述组合在整个数据范围内均匀散布。
本申请的一种基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法，其中：所述支撑杆和节点板为同一型号的钢材。
本申请的基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法可直接通过结构设计参数获得其包括弹性阶段和塑性阶段不同结构极限状态下的低周疲劳寿命，避免了复杂耗时的数值分析和花费巨大的结构疲劳试验，同时可据此预测方法评估结构在不同等级地震作用下的安全水平，进一步达到结构抗震设计水平的可知和可控。
采用本发明方法，可根据寿命预测值进行各设计参数的调整，使其满足板式节点低周疲劳寿命大于支撑低周疲劳寿命的设计要求，即充分满足“强节点弱构件”的设计要求。
本发明的基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法，是基于试验分析数据和数值模拟数据并经统计得到的，准确度较高且考虑因素较全面，为中心支撑框架的低周疲劳损伤评估和寿命预测提供理论基础，可用于支撑框架抗震设计安全性评价工作。
本发明可直接利用中心支撑钢框架设计参数预测其低周疲劳寿命，避免了繁琐耗时的数值模拟和花费较高的结构疲劳试验，可同时考虑多种设计因素对框架低周疲劳寿命的影响，寿命预测准确度相对更高，并可基于各构件低周疲劳寿命判断框架低周疲劳损伤次序，可帮助工程师在结构设计阶段调控中心支撑钢框架抗震设计安全水平。
附图说明
图1是在本发明基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法中的支撑钢框架示意图；
图2是采用本发明方法对Q355B中心支撑框架中支撑低周疲劳寿命的预测模型结果和数值计算结果的对比图,在图2中，横坐标表示NB数值模拟计算值，纵坐标表示NB预测模型计算值，两个点划线之间为1.5倍分散带，两个虚线之间为2倍分散带；
图3是采用本发明方法对Q355B中心支撑框架中板式节点低周疲劳寿命的预测模型结果和数值计算结果的对比图，在图3中，横坐标表示NC数值模拟计算值，纵坐标表示NC预测模型计算值，两个点划线之间为1.5倍分散带，两个虚线之间为2倍分散带；
图4是本发明在连接系数k＝1.2，梁柱高度比ξ＝1和层间位移角δ＝1/50条件下支撑框架结构中支撑低周疲劳寿命预测模型示意图；
图5是本发明在连接系数k＝1.2，梁柱高度比ξ＝1和层间位移角δ＝1/50条件下支撑框架结构中板式节点低周疲劳寿命预测模型示意图。
在图1中，标号1为钢梁；标号2为钢柱；标号3为支撑杆；标号4为节点板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，支撑钢框架包括：支撑杆3和两个节点板4，在支撑杆3的两端分别通过一个节点板4分别固定在钢梁1和钢柱2上，支撑杆3的类型为工字型钢或H型钢,支撑杆3和节点板4为同一型号的钢材，基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法包括：
(一)、根据现有支撑钢框架，模拟出支撑钢框架的损伤关键位置应力应变场，并且得到支撑杆3和节点板4的相关的设计参数
(a)、获取若干支撑钢框架的损伤关键位置应力应变场
选择支撑杆3的结构为工字钢，从支撑杆3的支撑长细比λB、节点板4长细比λP、支撑腹板宽厚比h0/tw、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ和层间位移角δ，这七项设计参数的标准分类中设计每一种支撑钢框架，其中支撑杆3的支撑长细比λB分别为50、60、70、80、90和100；节点板4的长细比λP由节点板净距比Loff/tp决定，节点板净距比Loff/tp分别为-6、-2、2，其中Loff为净距，tp为节点板厚度，根据节点板净距比Loff/tp确定出L1、L2和L3,其中L1为节点板4支撑端部距钢柱2的距离，L2为节点板4支撑端部距钢梁1和钢柱2交叉点的距离，L3为节点板4支撑端部距钢梁1的距离，L1和L3的起点分别为支撑端部垂直支撑长度方向延长线与30°力扩散角线的两个交点(L1、L2和L3出于期刊《Journal of ConstructionalSteel Research》发表的文章“Representative strain-based fatigue and fractureevaluation of I-shaped steel bracing members using the fiber model”中的图16，该文章是2019年发表于该期刊第160卷的476-489页)。
通过计算公式
Figure GDA0004159105150000071
(该公式是结合L1,L2和L3的定义以及国家规范《钢结构设计标准》(GB 50017-2017)7.2.2中的长细比计算公式得出的)计算出节点板长细比λP；支撑腹板宽厚比h0/tw分别为20、21、22、23、25、27；支撑翼缘宽厚比b/t分别为6、7、8、9、10和11；连接系数k分别为1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5和1.6；梁柱高度比ξ分别为0.7、0.84和1；层间位移角δ分别为1/100、1/70和1/50，每一种支撑钢框架对应一种支撑杆3和相应的节点板4设计参数的组合，基于若干个设计参数的组合进行数值模拟得到每一种支撑钢框架的损伤关键位置应力应变场，从支撑长细比λB、节点板长细比λP、支撑腹板宽厚比h0/tw、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ和层间位移角δ的标准分类的40824组合中，采用正交设计法(正交设计法源于南京东南大学出版社出版的《试验方案优化设计与数据分析》，该书出版日期为2018年03月，作者庞超明和黄弘，国际标准书号ISBN：978-7-5641-7675-4)，通过软件Allpairs选择具有代表性的192个组合，所述组合在整个数据范围内均匀散布；
(b)、支撑杆3的相关设计参数
与支撑杆3相关的设计参数分别为支撑长细比λB、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ和层间位移角δ；
(c)、节点板4的相关设计参数
与节点板4相关的设计参数分别为支撑长细比λB、节点板长细比λP、连接系数k、梁柱高度比ξ和层间位移角δ；
(二)、计算出支撑杆3的低周疲劳寿命方程
(d)、求出若干根支撑杆3的低周疲劳寿命
根据步骤(a)得到的若干支撑钢框架的损伤关键位置应力应变场，支撑钢框架的损伤关键位置发生在支撑杆3的长度方向的中心点附近,通过力学矩阵变换(力学矩阵变换源于期刊《Thin-Walled Structures》发表的文章“Low-cycle fatigue life predictionof I-shaped steel brace components and braced frames”，该文章是2021年发表的第163卷，页码是107711)，获得每一根支撑杆3在其损伤关键位置的最大剪应变幅Δγmax；最大剪应变幅所在平面的最大正应力σn,max；单元临界面的法向正应变幅Δεn；并根据以下修正的临界面法的LZH公式(2)分别求出若干根支撑杆3的低周疲劳寿命,
Figure GDA0004159105150000072
公式(2)源于期刊《International Journal of Fatigue》发表的文章“Multiaxial fatigue life prediction for various metallic materials based onthe critical plane approach”，该文章发表于2011年发表的第33卷的90-101页。
其中：σ′f为疲劳强度系数，a为疲劳强度指数，ε′f为疲劳延性系数，b为疲劳延性指数，E为钢材弹性模量，fy是钢材屈服强度，以上6项为钢材材料系数，由钢材材料试验获得，对于支撑杆3，ω取1；
表1 Q355B钢材LZH模型各参数值
Figure GDA0004159105150000081
(e)、根据支撑杆3低周疲劳寿命预测模型公式，计算出相应系数
通过数据分析发现，支撑钢框架中支撑杆3的低周疲劳寿命与设计因素呈指数函数关系，如公式(3)。而且，中心支撑钢框架中支撑构杆低周疲劳寿命亦只与5因素有关，它们分别为支撑长细比λB、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ和层间位移角δ，
将步骤(d)得到的若干根支撑的寿命，及步骤(b)所选相应每根支撑杆3的相关设计参数代入公式(3)中，
Figure GDA0004159105150000082
NB是大于0的变量，故将公式两边取对数，获得关于lnNB的线性函数：
lnNB＝lnb0+b1lnλB+b2ln(b/t)+b3lnk+b4lnξ+b5lnδ
通过编程，运用最小二乘法和求解多元线性方程组，拟合得出各系数值，b0＝0.168、b1＝0.732、b2＝-1.664、b3＝-0.31、b4＝0.472和b5＝-1.266；即得到以下支撑杆3的寿命方程，N’B＝0.168λB 0.732(b/t)-1.664k-0.31ξ0.472δ-1.266；
采用本发明方法对Q355B钢支撑框架中支撑杆3的低周疲劳寿命预测结果，如图2所示。预测结果基本位于数值分析结果的1.5倍分散带内，表明该预测模型具有良好的准确性。
(三)、计算出与上述支撑杆3对应节点板4的低周疲劳寿命方程
(f)、求出若干个节点板4的低周疲劳寿命
根据步骤(a)得到的若干支撑钢框架的损伤关键位置应力应变场，支撑钢框架的损伤关键位置发生在节点板4的周边附近,通过力学矩阵变换，获得每个节点板4在其损伤关键位置的最大剪应变幅Δγ’max；最大剪应变幅所在平面的最大正应力σ’n,max；单元临界面的法向正应变幅Δε’n；并根据以下修正的临界面法的LZH公式(4)分别求出若干个节点板4的低周疲劳寿命
根据以下修正的临界面法的LZH公式(4)分别求出每个节点板4的寿命；
Figure GDA0004159105150000091
其中：σ′f为疲劳强度系数，a为疲劳强度指数，ε′f为疲劳延性系数，b为疲劳延性指数，E为钢材弹性模量，fy是钢材屈服强度，以上6项为钢材材料系数，由钢材材料试验获得，对于节点板4，ω’取0.5；
表1 Q355B钢材LZH模型各参数值
Figure GDA0004159105150000092
(g)、根据节点板4低周疲劳寿命预测模型公式，计算出相应系数
通过数据分析发现，支撑钢框架中节点板4的低周疲劳寿命与设计因素亦呈指数函数关系，如公式(5)。而且，中心支撑钢框架中支撑构杆低周疲劳寿命亦只与5因素有关，它们分别为支撑杆3的支撑长细比λB、节点板4长细比λP、连接系数k、梁柱高度比ξ和层间位移角δ，
将步骤(f)得到每个节点板4的寿命，及步骤(c)的相应每个节点板4的相关设计参数代入公式(5)中，
Figure GDA0004159105150000093
NC是大于0的变量，故将公式两边取对数，获得关于lnNC的线性函数：
lnNC＝lnc0+c1lnλB+c2lnk+c3lnξ+c4lnλP+c5lnδ
通过编程，运用最小二乘法求解多元线性方程组拟合得出各系数值c0＝0.00626、c1＝0.308、c2＝0.926、c3＝1.302、c4＝0.654和c5＝-1.169；即得到以下节点板4的寿命方程，
N’C＝0.00626λB 0.308k0.926ξ1.302λP 0.654δ-1.169；
采用本发明方法对Q355B钢支撑框架中节点板4的低周疲劳寿命预测结果，如图3所示。预测结果基本位于数值分析结果的1.5倍分散带内，表明该预测模型具有良好的准确性。
(四)、确定支撑钢框架的选择参数
(h)、选择要设计的支撑钢框架的参数
要设计的支撑杆3和节点板4具有与上述支撑杆3和节点板4相同的材料和结构形式，即要设计的支撑杆3为工字钢或H型钢，初选出支撑杆3支撑长细比λB、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ、层间位移角δ和节点板4的净距比Loff/tp，并且根据净距比Loff/tp计算出节点板4长细比λP；
(i)、根据以下公式计算出要设计的支撑钢框架中支撑杆3和对应的节点板4的寿命
N’B＝0.168λB 0.732(b/t)-1.664k-0.31ξ0.472δ-1.266
N’C＝0.00626λB 0.308k0.926ξ1.302λP 0.654δ-1.169
得到N’B和N’C，
当N’B>N’C时，重复步骤(h),重新选择支撑杆3支撑长细比λB、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ、层间位移角δ和节点板4的净距比Loff/t中的任意一项或多项；
当N’B≤N’C时，步骤(h)选出的支撑杆3支撑长细比λB、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ、层间位移角δ和节点板4的净距比Loff/tp满足要求。
本实施例的支撑构件和板式节点低周疲劳寿命预测模型，可预测包括弹性设计阶段(即层间位移角δ为1/100的情况)和塑性设计阶段(即层间位移角δ为1/50的情况)在内的中心支撑框架中支撑和板式节点的低周疲劳寿命，便于其用于各设计阶段和极限状态下中心支撑钢框架的抗震设计。
采用本发明方法，以连接系数k＝1.2，梁柱高度比ξ＝1，和层间位移角δ＝1/50为基础条件，对中心支撑钢框架中支撑低周疲劳寿命NB和板式节点低周疲劳寿命NC进行预测，预测结果如图4和图5所示，可以看出，不同设计参数取值下，NB和NC差别显著，故应用本发明方法对设计参数进行选择是十分必要的，可据此来保证节点低周疲劳寿命大于支撑低周疲劳寿命，从而达到“强节点弱构件”的设计目标。图4和图5可以直观地表示出：在规范和实际工程设计的一般条件下，支撑和板式节点的低周疲劳寿命预测模型。可以看出设计参数对支撑和板式节点低周疲劳寿命的影响显著。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法，支撑钢框架包括：支撑杆(3)和两个节点板(4)，在支撑杆(3)的两端分别通过一个节点板(4)分别固定在钢梁(1)和钢柱(2)上，基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法包括：
(一)、根据现有支撑钢框架，模拟出支撑钢框架的损伤关键位置应力应变场，并且得到支撑杆(3)和节点板(4)的相关的设计参数
(a)、获取若干支撑钢框架的损伤关键位置应力应变场
从支撑杆(3)的支撑长细比λB、节点板(4)长细比λP、支撑腹板宽厚比h0/tw、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ和层间位移角δ，这七项设计参数的标准分类中设计每一种支撑钢框架，其中支撑杆(3)的支撑长细比λB分别为50、60、70、80、90和100；节点板(4)的长细比λP由节点板净距比Loff/tp决定，节点板净距比Loff/tp分别为-6、-2、2，其中Loff为净距，tp为节点板厚度，根据节点板净距比Loff/tp确定出L1、L2和L3,其中L1为节点板(4)支撑端部距钢柱(2)的距离，L2为节点板(4)支撑端部距钢梁(1)和钢柱(2)交叉点的距离，L3为节点板(4)支撑端部距钢梁(1)的距离，通过计算公式
Figure FDA0004100459580000011
--公式(1),计算出节点板长细比λP；支撑腹板宽厚比h0/tw分别为20、21、22、23、25、27；支撑翼缘宽厚比b/t分别为6、7、8、9、10和11；连接系数k分别为1、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5和1.6；梁柱高度比ξ分别为0.7、0.84和1；层间位移角δ分别为1/100、1/70和1/50，每一种支撑钢框架对应一种支撑杆(3)和相应的节点板(4)设计参数的组合，基于若干个设计参数的组合进行数值模拟得到每一种支撑钢框架的损伤关键位置应力应变场；
(b)、支撑杆(3)的相关设计参数
与支撑杆(3)相关的设计参数分别为支撑长细比λB、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ和层间位移角δ；
(c)、节点板(4)的相关设计参数
与节点板(4)相关的设计参数分别为支撑长细比λB、节点板长细比λP、连接系数k、梁柱高度比ξ和层间位移角δ；
(二)、计算出支撑杆(3)的低周疲劳寿命方程
(d)、求出若干根支撑杆(3)的低周疲劳寿命
根据步骤(a)得到的若干支撑钢框架的损伤关键位置应力应变场，通过力学矩阵变换，获得每一根支撑杆(3)在其损伤关键位置的最大剪应变幅Δγmax；最大剪应变幅所在平面的最大正应力σn,max；单元临界面的法向正应变幅Δεn；并根据以下修正的临界面法的LZH公式(2)分别求出若干根支撑杆(3)的低周疲劳寿命；
Figure FDA0004100459580000021
其中：σf′为疲劳强度系数，a为疲劳强度指数，εf′为疲劳延性系数，b为疲劳延性指数，E为钢材弹性模量，fy是钢材屈服强度，以上6项为钢材材料系数，由钢材材料试验获得，对于支撑杆(3)，ω取1；
(e)、根据支撑杆(3)低周疲劳寿命预测模型公式，计算出相应系数
将步骤(d)得到若干根支撑杆(3)的寿命，及步骤(b)所选相应每支撑杆(3)的相关设计参数代入公式(3)中，
Figure FDA0004100459580000022
通过编程，运用最小二乘法和求解多元线性方程组，拟合得出各系数值b0、b1、b2、b3、b4和b5,即得到了支撑杆(3)的寿命方程(3)；
(三)、计算出与上述支撑杆(3)对应节点板(4)的低周疲劳寿命方程
(f)、求出若干个节点板(4)的低周疲劳寿命
根据步骤(a)得到的若干支撑钢框架的损伤关键位置应力应变场，通过力学矩阵变换，获得每个节点板(4)在其损伤关键位置的最大剪应变幅Δγ’max；最大剪应变幅所在平面的最大正应力σ’n,max；单元临界面的法向正应变幅Δε’n；并根据以下修正的临界面法的LZH公式(4)分别求出若干个节点板(4)的低周疲劳寿命；
根据以下修正的临界面法的LZH公式(4)分别求出每个节点板(4)的寿命
Figure FDA0004100459580000023
其中：σf′为疲劳强度系数，a为疲劳强度指数，εf′为疲劳延性系数，b为疲劳延性指数，E为钢材弹性模量，fy是钢材屈服强度，以上6项为钢材材料系数，由钢材材料试验获得，对于节点板(4)，ω’取0.5；
(g)、根据节点板(4)低周疲劳寿命预测模型公式，计算出相应系数
将步骤(f)得到每个节点板(4)的寿命，及步骤(c)的相应每个节点板(4)的相关设计参数代入公式(5)中，
Figure FDA0004100459580000031
通过编程，运用最小二乘法求解多元线性方程组拟合得出各系数值c0、c1、c2、c3、c4和c5,即得到了节点板(4)的寿命方程(5)；
(四)、确定支撑钢框架的选择参数
(h)、选择要设计的支撑钢框架的参数
要设计的支撑杆(3)和节点板(4)具有与上述支撑杆(3)和节点板(4)相同的材料和结构，初选出支撑杆(3)支撑长细比λB、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ、层间位移角δ和节点板(4)的净距比Loff/tp，并且根据净距比Loff/tp计算出节点板(4)长细比λP；
(i)、根据公式(3)和公式(5)计算出要设计的支撑钢框架中支撑杆(3)和对应的节点板(4)的寿命
Figure FDA0004100459580000032
Figure FDA0004100459580000033
得到N’B和N’C，
当N’B>N’C时，重复步骤(h),重新选择支撑杆(3)支撑长细比λB、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ、层间位移角δ和节点板(4)的净距比Loff/t中的任意一项或多项；
当N’B≤N’C时，步骤(h)选出的支撑杆(3)支撑长细比λB、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ、层间位移角δ和节点板(4)的净距比Loff/tp满足要求。
2.如权利要求1所述的基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法，其特征在于：所述支撑钢框架的损伤关键位置发生在支撑杆(3)的长度方向的中心点附近。
3.如权利要求2所述的基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法，其特征在于：所述支撑钢框架的损伤关键位置发生在节点板(4)的周边附近。
4.如权利要求3所述的基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法，其特征在于：所述支撑杆(3)的结构为工字型钢或H型钢。
5.如权利要求4所述的基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法，其特征在于：在步骤(a)中，从支撑长细比λB、节点板长细比λP、支撑腹板宽厚比h0/tw、支撑翼缘宽厚比b/t、连接系数k、梁柱高度比ξ和层间位移角δ的标准分类的40824组合中，采用正交设计法，选择100-300个组合，所述组合在整个数据范围内均匀散布。
6.如权利要求5所述的基于疲劳寿命预测的支撑钢框架设计参数选取方法，其特征在于：所述支撑杆(3)和节点板(4)为同一型号的钢材。
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