低屈服点钢低周疲劳性能研究

近年来,低屈服点钢因其优越的耗能能力而广泛应用于结构抗震中。为了对国产低屈服点钢的低周疲劳性能进行研究,本文对牌号为LY100、LY160及LY225的低屈服点钢进行了大塑性变形下的低周疲劳试验,试验采用应变控制的等幅循环加载,分析了其破坏现象、循环应力响应特征、循环骨架曲线、滞回曲线特点等性能,并基于不同的模型对其低周疲劳寿命进行了预测。结果表明：国产低屈服点钢具有良好的抗低周疲劳能力;Ramberg-Osgood模型可以很好地拟合钢材循环应力-应变曲线;Manson-Coffin模型及Kuroda模型均可有效拟合低屈服点钢的低周疲劳寿命曲线,其中Manson-Coffin模型的拟合精度较好,而Kuroda模型更适用于大应变下疲劳寿命预测。     

部分填充混凝土箱形截面钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命预测

为研究部分填充混凝土箱形截面钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命,通过与既有试验结果对比,确定所采用的钢材混合强化模型和混凝土损伤塑性模型的准确性,并且验证了Ge模型(基于塑性应变幅的累积损伤模型)非局部法在预测部分填充混凝土钢桥墩超低周疲劳寿命时的有效性。针对50%填充率的部分填充混凝土钢桥墩试件,利用Ge模型的非局部法,在3种不同加载形式的往复荷载作用下,研究翼缘宽厚比、正则化长细比等参数对超低周疲劳裂纹萌生寿命的影响,并基于参数化分析结果,拟合了预测该类钢桥墩超低周疲劳寿命的计算式。结果表明:钢材的混合强化模型和混凝土的损伤塑性模型能准确预测部分填充混凝土钢桥墩的滞回性能; Ge模型中的非局部法同样适用于部分填充混凝土钢桥墩的裂纹萌生寿命预测,基于参数化分析结果,提出了预测部分填充混凝土钢桥墩超低周疲劳裂纹萌生寿命的经验式。     

基于OpenSEES数值模拟的工字形截面支撑低周疲劳性能研究

为研究工字形截面支撑低周疲劳性能,进行了18根Q235和21根ST12材质焊接工字形钢支撑在等幅轴向循环位移作用下的OpenSEES有限元分析,在验证模拟结果和试验结果吻合较好的同时,提出利用支撑几何参数(长细比、宽厚比、高厚比、屈服点)修正的表征应变作为预测支撑低周疲劳寿命的控制参量,给出了对应修正公式和寿命预测公式。表征应变与支撑低周疲劳寿命满足对数线性关系,据此预测的支撑低周疲劳寿命离散性较小且基本位于试验值1.5倍分散带内。对于变幅加载条件下的支撑寿命预测,利用Miner线性损伤理论对39组支撑试验数据进行以裂纹萌生寿命为终止点的损伤值统计,给出了容许损伤建议值作为预测寿命对应损伤值。而后,引入5组单斜工字钢支撑框架低周疲劳试验结果进行验证,其预测寿命均接近试验裂纹萌生寿命,可以较为保守地评估该类支撑的低周疲劳寿命,且支撑截面损伤分布与试验破坏模式保持一致。以上均证明该数值模拟方法和低周疲劳寿命预测方法的准确性和高效性,可为框架支撑结构低周疲劳性能的研究提供借鉴。     

考虑Lode参数影响的Q235B钢循环微孔扩展模型

基于微观机制的循环微孔扩展模型可以用来预测钢材的超低周疲劳断裂,但是该模型主要考虑应力三轴度的影响,而忽略了 Lode参数对钢材超低周疲劳断裂的影响.在循环微孔扩展模型(CVGM模型)的基础上,提出了考虑Lode参数影响的断裂模型(LCVGM模型).采用Q235B钢材设计并加工了一批可表征不同应力状态的试件,开展了试件的单调拉伸和超低周循环加载试验.根据试验和有限元计算结果,得到了 Q235B钢材的LCVGM模型参数.最后,利用考虑Lode参数影响的Q235B钢材的LCVGM模型预测了平面应变试件的超低周疲劳断裂过程,预测结果与试验结果的吻合很好,并且比CVGM模型的预测精度更高.     

Q690D高强钢基于循环微孔扩展模型的断裂预测分析

高强钢材在实际钢结构中已经开始逐步得到应用,开展钢材的超低周疲劳断裂分析是评价高强钢结构在强震作用下断裂破坏的基础。传统断裂力学方法均假定裂纹已经存在,且在初始裂纹尖端存在高应变约束,因此主要适用于研究塑性变形极其有限的脆性断裂问题,对超低周反复荷载下无宏观初始缺陷部位和发生显著塑性变形部位的延性断裂问题不太适用,基于微孔扩展机制的超低周疲劳断裂模型在钢材韧性断裂分析中开始逐步得到应用。为研究循环微孔扩展模型(CVGM)是否适用于预测国产Q690D高强度结构钢材的断裂破坏,设计加工了17个圆棒试样和3个狗骨削弱型板状试样(DB)。应用MTS轴向伺服疲劳试验系统进行钢材圆棒试样在单调加载和超低周循环加载下的断裂破坏试验,获取了Q690D钢材的应力-应变关系、基本力学参数和试样的荷载-位移曲线,分析了加载制度对试样承载能力和变形能力的影响。试验结果表明:1)Q690D钢材没有明显的屈服平台,存在明显的缺口强化效应和循环软化现象,由于循环加载过程中材料发生了损伤,使得循环加载后再拉伸时的断裂位移小于单调加载情况。2)通过分析试样断口形貌,发现试样裂纹均起始于试样最小截面中心处,并采用扫描电镜观察了试样断口的微观形貌,断口呈现韧窝形式的延性断裂特征,符合微孔扩展断裂力学的机理,同时通过电镜扫描结果得到了Q690D钢材的特征长度约为0.3 mm。应用ABAQUS软件建立试样的有限元模型,基于Q690D钢材圆棒试样的试验结果,结合有限元分析,标定了Q690D高强度钢材的循环微孔扩展模型(CVGM)和退化有效塑性应变模型(DSPS)参数。单调加载时,循环微孔扩展模型和退化有效塑性应变模型退化为微孔扩展模型(VGM)和应力修正临界应变模型(SMCS)。最后,借助ABAQUS软件中的用户子程序USDFLD,采用Fortran语言对CVGM模型进行编程,在数值计算过程中,当材料单元达到破坏准则要求时,判定单元破坏,将单元的应力释放,然后按照新的状态继续进行有限元计算至试件破坏。应用钢材的CVGM,对狗骨削弱型板状试样在不同加载制度下的断裂破坏进行预测分析,得到试样的裂纹起始位置、荷载-位移曲线,断裂位移均与试验结果吻合良好,且试样极限荷载、断裂位移预测结果误差分别在2%、12%左右。     

往复荷载下网架平板支座锚栓超低周疲劳破坏试验研究

为研究往复荷载作用下网架平板支座超低周疲劳破坏,设计了长圆孔平板支座试件.在进行了平板支座大位移往复加载的超低周疲劳试验后,对锚栓破坏过程、变形特征、宏观断面特征展开研究.试验结果表明:平板支座在往复加载过程中,锚栓受到拉-弯双重作用产生不可恢复的塑性变形并逐渐积累成为试件的"薄弱"区域;随着根部裂纹产生并在加载过程中不断扩展,在锚栓开裂处产生应力集中最终发生疲劳断裂;平板支座锚栓断后的伸长率与缩颈率能直观反映其变形范围与塑性损伤累积程度;锚栓断口表面沿加载方向存在两个裂纹源,断面可见半月形贝纹线,断面中间区域比较粗糙,锚栓断口均呈现明显的疲劳源区、扩展区和瞬断区,具有疲劳断口的宏观基本特征,属于典型的疲劳破坏.     

循环非弹性应变下低碳钢对接焊缝的性能

评估钢结构构件的材质和细部构造在极限荷载作用下的无弹性需求范围。描述了对非弹性有要求部位(屈服应力相对较低的钢板和接头全部焊透的对接焊缝细部构造)的循环响应和低周循环疲劳寿命,对不同的基底材质和对接试样进行大振幅循环应变试验,设计了多种焊接方式来缓和焊接试样的应力集中现象、降低其残余应力、改善焊趾外观。采用单轴材料模型和低周疲劳模型描述试样的循环应力-应变响应和低周循环疲劳寿命。研究表明,线性累积损伤模型也适用于预测不同应变历史下试样的破坏情况。对接焊缝仅略微降低试样的低周循环疲劳寿命,不同的焊接方式对低周循环疲劳寿命的影响最小。     

国产钢材LYP225的低周疲劳试验研究

目前,对于低屈服点钢材的低周疲劳性能试验的研究不多。对两组不同尺寸的国产低屈服点LYP225钢材进行低周循环加载试验,研究其循环骨架曲线、滞回环特点、低周疲劳寿命等特性;同时探讨长细比对低屈服点钢材疲劳寿命的影响。通过Ramberg-Osgood模型对不同应变幅加载下的滞回环进行拟合,得出钢材循环骨架曲线;通过Coffin-Manson模型拟合得到钢材的低周疲劳寿命S-N（应变-寿命）曲线;通过试验数据确立了混合强化参数并将其输入ABAQUS软件中,所得结果能很好地模拟LYP225钢材的滞回曲线。试验结果表明:国产LYP225钢材滞回环饱满,表现出良好的延性,低周疲劳特性好于国外相同试样尺寸的同等级钢材;国产LYP225钢材低周疲劳寿命受试样长细比的影响较大,相同应变幅下,长细比越大其低周疲劳寿命越低;通过试验数据拟合得到的强化参数可用于构件在整体结构中的地震反应分析。     

焊接工字形截面钢支撑低周疲劳性能试验研究

通过21根铰支焊接工字形截面支撑在6倍试件的受拉屈服位移幅值下的对称循环轴向加载试验,研究了具有不同几何特性的该类支撑构件的低周疲劳和耗能性能。研究发现,支撑翼缘直到断裂的疲劳损伤发展过程可分为可见裂纹萌生,穿透裂纹形成和穿透裂纹扩展3个阶段,并根据试验数据提出了估算支撑构件疲劳寿命和循环耗能能力的经验公式。统计分析表明,裂纹萌生疲劳寿命与弹塑性局部屈曲密切相关,当支撑翼缘的宽厚比越小,支撑的长细比越大时,其裂纹萌生疲劳寿命就越长。试验还表明,低周疲劳性能较优的支撑构件亦具有较高的耗能能力。为了防止框架-中心支撑结构中的支撑构件在强震下过早发生断裂破坏,在实际设计中除要限制板件的宽厚比之外,还应适当放宽现行规范对支撑构件长细比的限制。     

630MPa超高强钢筋低周疲劳性能试验研究

630MPa超高强钢筋已应用于实际工程,而目前针对国产630MPa超高强钢筋的低周疲劳性能研究尚未见报道。为此,以我国国产630MPa超高强钢筋为研究对象,对其进行了静力拉伸试验,得到其静拉力学性能参数。通过恒应变幅加载低周疲劳试验,得到疲劳寿命、循环响应特征及应力-应变滞回曲线等指标,研究了630MPa超高强钢筋的疲劳性能,进行了低周疲劳特性评价。在试验研究的基础上,得到了630MPa超高强钢筋疲劳性能参数,建立了其疲劳寿命预测公式。采用OpenSees软件进行了630MPa超高强钢筋材料低周疲劳试验数值模拟,分析表明利用得到的超高强钢筋疲劳性能参数可以较精确地进行630MPa超高强钢筋低周疲劳数值模拟。     

考虑屈曲效应的混凝土柱纵筋低周疲劳性能和变形能力研究

屈曲导致的局部塑性应变集中将使钢筋损伤加重,并提前断裂。传统低周疲劳损伤模型(如Coffin-Manson模型,简称C-M模型)中未考虑屈曲效应的影响,这将高估屈曲钢筋的低周疲劳寿命。为研究屈曲对钢筋疲劳寿命的影响,完成了30个原状钢筋试件考虑屈曲的循环加载试验,得到了钢筋断裂时的极限塑性平均应变的测量结果,分析了局部应变与试件平均应变的差别。建立有限元模型,对屈曲钢筋循环加载试验进行模拟,验证了模型的可靠性,并提取了屈曲钢筋关键截面的局部应变,将塑性平均应变幅、塑性局部应变幅分别代入传统C-M模型,得到了累积疲劳损伤指数计算结果,并与试验结果进行了对比分析。建立了可合理考虑钢筋屈曲效应影响的改进低周疲劳损伤模型,可更准确地计算屈曲钢筋循环受力试验的疲劳寿命。研究结果表明：基于塑性局部应变幅的传统C-M模型高估了屈曲钢筋的低周疲劳损伤,基于塑性平均应变幅的传统C-M模型低估了屈曲钢筋的低周疲劳损伤;基于塑性局部应变幅平均值的改进C-M模型精度更高,但测量、计算局部应变困难;基于塑性平均应变幅的改进疲劳损伤模型精度相对稍低,但使用方便。改进低周疲劳损伤模型可有效考虑屈曲对钢筋低周疲劳寿命的影响,能更准确地预测钢筋混凝土柱纵筋的屈曲断裂时刻。     

钢筋的高应变低周疲劳性能分析

利用MTSNEW810电液伺服材料试验机,对HRB400,HRB500钢筋的高应变低周疲劳性能进行研究。采用控制总位移幅不变、保持应变率恒定并通过引伸计监测记录应变值的方法,测定HRB500钢筋高应变低周疲劳过程中的循环应力应变曲线,通过Basquin和Manson-Coffin公式拟合得到各规格钢筋的疲劳寿命方程,从而得到循环应力与应变、应变与疲劳寿命的关系。实验结果表明,HRB500高强钢筋比HRB400钢筋在高应变低周疲劳性能方面具有明显的优势。     

混杂纤维混凝土疲劳性能试验研究

对素混凝土(C)和钢-聚丙烯混杂纤维混凝土(HFRC)两种材料进行了弯曲疲劳试验,同时在试件底部粘贴应变片,通过应变动态采集仪采集试件的应变值。将两种材料的疲劳试验结果进行对比,并分析在不同应力水平时循环荷载作用下的应变-疲劳寿命曲线,研究HFRC新材料的耐疲劳性能。通过回归分析进行材料的疲劳寿命威布尔(Weibull)分布拟合检验,建立工程中常用的双对数形式的疲劳方程。为HFRC在工程中的应用提供理论依据。     

基于应变能的不锈钢复合钢材低周疲劳性能研究

为了研究不锈钢复合钢的低周疲劳性能，在已有试验的基础上，从应变能的角度对不锈钢复合钢(复层钢材为S31603、基层钢材为Q355B)和基层低合金钢Q355B的疲劳性能进行分析，基于应变能引出标准滞回环的概念，分析循环应变能和材料的Masing特性，并提出一种基于能量的疲劳寿命预测模型。研究结果表明：应变幅是影响不锈钢复合钢和基层低合金钢应变能和低周疲劳寿命的主要因素；两种材料的循环硬化特征主要发生在前几次循环内，而后呈现循环软化特征；在整个加载过程中，两种钢材表现出循环稳定性，且稳态过程占据大部分循环周期；提出的基于应变能的低周疲劳寿命预测模型可以有效拟合不锈钢复合钢和基层低合金钢的低周疲劳寿命曲线，其可以作为应变-疲劳寿命预测的替代方案。     

火灾后Q690高强钢超低周疲劳性能研究

为评估经历火灾的钢结构剩余抗震性能,需要明确火灾后结构钢材超低周疲劳性能。以受火温度、冷却方式和疲劳应变幅为变量,对23组高温后的Q690高强钢进行了超低周疲劳试验,获得了高温后Q690高强钢的疲劳寿命和循环应力-应变曲线。在此基础上,分析了Q690高强钢的超低周疲劳性能以及耗能能力,讨论了火灾后Q690高强钢的超低周疲劳破坏形态,并对其微观金相组织进行了观测,讨论了微观组织对超低周疲劳性能的影响。结果表明：高温后Q690高强钢仍具有良好的耗能能力,其循环应力-应变曲线呈现出饱满的梭形;经历600℃后自然冷却可以起到回火的效果,使Q690高强钢的疲劳寿命较常温的提高了23.4%;经历900℃高温后,冷却方式对Q690高强钢的峰值应力影响显著,浸水冷却的Q690高强钢的峰值应力是自然冷却的1.77倍;高温后Q690高强钢金相组织发生变化并影响其超低周疲劳性能;除经历900℃浸水冷却的Q690高强钢外,断口可以观察到明显的疲劳源、疲劳弧线和瞬断区,疲劳应变幅的增加使疲劳弧线间距增大。     

弯曲荷载作用下平板贯穿裂纹钻孔止裂试验研究

通过对15个预制裂纹平板试件进行疲劳加载,研究了弯曲荷载作用下钢桥面板钻孔止裂的止裂机理、钢板疲劳性能与影响止裂效果的因素。分析了钻孔后孔边萌生裂纹的起裂点、扩展路径与测点应力变化,对比了不同止裂孔孔位及孔径对试件剩余疲劳寿命的影响。研究结果表明:在弯曲荷载作用下,打孔后的再次开裂点位于原裂纹尖端前方孔壁点,并沿原裂纹方向扩展,孔边裂纹在钢板上、下表面共同扩展;随着裂纹的扩展,裂纹尖端区域能承受的最大应力值逐渐降低;该试验结果表明:止裂孔孔位在0.5 D～1.0 D之间的止裂效果较好,增大孔径可以延长钢板的剩余疲劳寿命。     

含粗骨料超高性能混凝土单轴受压疲劳性能EI北大核心CSCD

对含粗骨料超高性能混凝土(UHPC(CA))进行单轴受压疲劳试验,重点考察其疲劳破坏形态、疲劳变形、疲劳寿命及疲劳强度.在此基础上,分析了UHPC(CA)疲劳破坏全过程,建立了基于Weibull分布的存活率-应力水平-疲劳寿命(p‑S‑N)方程.结果表明:UHPC(CA)疲劳破坏形态为剪切破坏,破坏时试件呈现1条或2条主裂缝;UHPC(CA)疲劳破坏断面分为疲劳区和裂纹扩展区,疲劳区有明显的反复摩擦痕迹;UHPC(CA)疲劳变形发展呈现明显的三阶段特征,即微裂纹萌生发展阶段、微裂纹稳定发展和宏观裂缝萌生阶段、宏观裂缝发展阶段;UHPC(CA)单调应力-应变曲线仅在高应力水平(S≥0.8)下可作为其疲劳变形的包络线;UHPC(CA)具有95%存活率的疲劳强度为61.78 MPa,对应的应力水平为0.520.     

黏弹性阻尼器大变形性能试验研究

通过对黏弹性阻尼器缩尺试件进行不同应变幅值、加载频率和环境温度下的基本力学性能试验、老化性能试验以及低周、高周疲劳性能试验，研究试件在不同工况下的剪切存储模量、剪切损失模量和损耗因子等力学参数，及其力学性能的变化规律。其中，力学性能试验的应变幅值100%~420%；低周疲劳试验最大应变达300%。试验结果表明：黏弹性阻尼器力学性能与加载频率相关性较小，与温度相关性相对明显，随应变幅值的增加阻尼器表现出软化特征，但其损耗因子始终保持在比较高的水平；阻尼器在小位移和大位移下都有稳定耗能能力，可用于风振控制和地震响应控制；阻尼器表现出良好的变形能力，在200%大应变下仍保持稳定的力学性能，应变420%时仍未破坏。     

免涂装耐候钢腐蚀后的疲劳试验研究

裸露使用的耐候钢,表面带锈的同时还可能承受疲劳荷载。为了获得腐蚀后耐候钢的疲劳性能,对经过24 d乙酸盐雾循环试验后的Q355NHD耐候钢及其焊接试件的疲劳性能进行了试验研究,并对涂装后的Q345qD普通钢进行了疲劳试验。试验结果显示:腐蚀后的耐候钢疲劳裂纹均起始于腐蚀较严重的试件上表面;相同疲劳寿命下,腐蚀后的耐候钢疲劳强度介于焊接试件与普通钢之间。通过试验数据确定试件的应力-疲劳寿命(S-N)曲线,并利用极大似然估计等方法计算存活率-应力-疲劳寿命(P-S-N)曲线以及置信水平-存活率-应力-疲劳寿命(γ-P-S-N)曲线。计算结果表明,随着存活率以及置信区间的提高,估算的疲劳寿命偏于保守。     

E319全铸铝合金材料低周疲劳试验研究

针对汽车发动机零部件工作中的低周疲劳效应,影响发动机寿命的情况。对E319全铸铝合金材料在不同温度下进行拉伸试验和低周疲劳试验,分析试验结果,得到了疲劳寿命受到应变幅的影响,并且温度与材料的疲劳寿命呈反比趋势。通过试验得到材料寿命及寿命均值数据,并对数据进行拟合数值曲线,得到E319铸铝合金材料的过渡疲劳寿命,当实际寿命小于计算得到的过渡疲劳寿命时,材料的弹性变形损伤将大于塑形变形损伤。