循环荷载作用下结构钢材本构关系试验研究

为准确模拟结构的地震响应,寻找在循环荷载下钢材的本构关系,采用工程常用Q235B及Q345B钢材共50个试件,施加多种加载制度,分析其单调性能、滞回性能、宏观微观破坏形态、延性特征以及损伤退化特性,并采用Ramberg-Osgood模型对循环加载骨架曲线进行拟合,进而得到Q235B及Q345B钢材在循环荷载下的一维应力应变关系骨架曲线;在Chaboche钢材塑性本构模型的基础上,通过试验标定,确定了两种等级钢材本构模型的关键材料参数,并结合通用有限元程序ABAQUS对试验结果进行有效模拟,为今后准确计算结构在地震荷载下的反应提供重要依据.结果表明:钢材在循环荷载下的反应与在单调荷载下的本构关系有很大差别,循环荷载下的骨架曲线对于准确的数值模拟起到重要作用;循环的圈数以及幅值会严重影响构件的断裂延性,钢材在循环荷载下的破坏应变不能按照单调荷载来确定.     

循环荷载作用下锈蚀钢材滞回性能与本构模型

为研究循环荷载作用下锈蚀钢材的滞回性能,采用人工加速腐蚀及自然暴露腐蚀的方法获取了17组锈蚀试件,并对其开展单调拉伸及循环加载试验,分析了单调拉伸曲线、滞回曲线和骨架曲线等的差异性,得到了锈蚀钢材单调拉伸与滞回性能退化规律,基于混合强化模型提出了材料参数随腐蚀程度、等效塑性应变的退化表达式,进而建立了锈蚀钢材塑性本构模型。研究结果表明：单调拉伸作用下,锈蚀导致钢材屈服平台缩短、抗拉强度和断裂伸长率降低;锈蚀钢材单调曲线和滞回曲线存在显著差别,锈蚀加剧钢材循环强化,循环损伤累积则进一步加剧锈蚀钢材延性退化,造成峰值点应变、断裂应变和滞回耗能大幅降低,但对抗拉强度的影响较小。通过锈蚀钢材塑性本构模型应力 应变模拟曲线与试验曲线的对比,验证了所提模型的可靠性。     

结构消(耗)能元件芯材SN490B本构关系数值模拟

采用消(耗)能元件的结构在遭受地震作用时,元件芯材首先屈服进入塑性阶段,利用其滞回变形消耗地震输入能量,保护主体结构,元件芯材本构关系的数值模拟是对采用消(耗)能元件结构进行抗震分析与设计的基础。为更真实地模拟结构消(耗)能元件芯材在单调和循环荷载下的本构响应,更准确地对采用消(耗)能元件结构进行结构弹塑性地震响应分析,对常用作消(耗)能元件芯材的日本高延性钢材SN490B的单调、循环加载本构及循环骨架曲线进行了数值模拟,包括:采用Esmaeily-Xiao二次流塑性模型模拟材料在单调荷载作用下弹性段、屈服段、强化段和二次流塑段4个阶段;采用混合强化模型模拟材料循环荷载作用下的本构响应,运用大型通用有限元软件ABAQUS结合数值模拟参数对16种不同循环加载制度下的循环加载试验进行模拟,并与试验结果进行对比;采用Ramberg-Osgood模型、无量纲化的Ramberg-Osgood模型及两段式模型模拟循环骨架曲线。研究结果表明:所采用数学模型可以较好地模拟SN490B钢材单调、循环加载本构响应及循环骨架曲线,数值模拟与试验结果拟合较好。     

循环荷载作用下高强铝合金本构关系试验研究

为研究高强铝合金结构在地震作用下的响应、建立循环荷载作用下高强铝合金的本构关系,对17个7A04高强铝合金试件进行了单调拉伸和多种循环加载制度下的试验。分析了材料的单调性能、滞回性能、宏观破坏形态与电镜下的微观破坏形态。采用Ramberg-Osgood模型拟合了材料的循环骨架曲线,并与单调拉伸曲线做出了对比。试验结果表明：7A04高强铝合金延性较差,破坏突然、断面与拉应力方向成45度|循环荷载下表现出典型的循环硬化现象,在压应变达到1%后,其刚度和强度发生退化|材料在滞回中表现出了混合强化的特征,既包含各项同性强化又包含了随动强化。该高强铝合金在循环荷载作用下的本构关系与单调荷载作用下的本构关系存在较大区别,不能将单调荷载下的本构关系用于循环本构关系中。本文为准确计算高强铝合金结构在地震作用下的响应提供了重要基础与依据。     

循环荷载作用下钢管拱桁架结构滞回性能试验研究

通过3个跨度为6 m、矢跨比分别为0.2、0.3、0.4的钢管拱桁架结构试件在竖向循环荷载作用下的拟静力试验,分析结构的失效过程和破坏机理,研究结构的滞回曲线、骨架曲线、耗能能力、延性性能和刚度退化等抗震性能。结果表明:钢管拱桁架试件的失效始于受力最大节间最大受拉腹杆与下弦杆相贯焊缝处的微裂纹,而后逐步形成该区域的局部开裂,最后在该区域发生断裂并形成机构而破坏;结构失效时只有少部分杆件进入塑性工作状态,试件的整体变形不大,耗能能力一般;进入塑性工作状态的杆件和节点产生的累积损伤导致结构发生低周疲劳断裂破坏。     

高温后结构钢材单调拉伸和循环荷载试验研究

现有的火灾后钢材残余特性研究大多着眼于钢材在高热下或升温后的残余静力特性,而对过火后钢材在循环荷载作用下的滞回和抗震特性鲜有研究。对于建筑结构和桥梁中常用的Q235和Q355两种钢材,对其进行了500～1 000℃的模拟火灾加热处理,并进行自然冷却或浸水冷却。对于冷却后的钢材试样进行了单向拉伸试验和2种不同荷载变化规律下的循环加载试验,得到了模拟温度和不同降温方式对于两种钢材滞回特征的影响规律。由试验结果可得,在受到的最高温度不高于600℃时,Q235和Q355钢材在自然冷却和浸水冷却后的单向拉伸和往复荷载工况下,其强度等级和弹塑性强度发展特征均与相应的未进行加热处理的钢材相似。当过火温度高于600℃时,自然冷却后Q235和Q355钢材的初始屈服强度会随过火极限温度的升高而逐渐下降。但在循环荷载影响下,钢材存在循环硬化效应,且该效应将随着过火极限温度的升高而逐渐显著。高温经历所导致的强度削弱会逐渐恢复。Q235和Q355钢材在循环荷载作用下的滞回刚度会逐渐下降,且极限温度和冷却方式会影响滞回刚度的下降幅度。高温过火且浸水冷却条件下,Q235和Q355钢材循环硬化效应显著,弹性域增长显著...     

循环荷载作用下钢材的试验及本构模型研究

为了研究钢材的超低周疲劳性能及循环荷载作用下的本构关系,对50组Q235-B和Q345-B钢材进行超低周疲劳试验。研究了Q235-B和Q345-B钢材的力学性能,如:单调加载性能、滞回性能及滞回准则。通过对钢材全过程滞回性能的研究,建立了循环荷载作用下钢材的简化单轴本构模型。基于有限元软件ABAQUS的用户子程序接口UMAT,用户可自定义钢材的单轴本构属性。通过引入纤维梁单元,可利用单轴本构模型进行结构分析。通过对比各种荷载作用下Q235-B和Q345-B钢材的试验数据,验证了本模型的正确性,利用本模型可进行钢框架的非线性时程分析。试验和数值分析结果均表明:Q235-B和Q345-B钢材在循环荷载和单调荷载作用下的性能有很大不同,钢材屈服后,循环荷载作用下的骨架曲线比单调荷载作用下更高;循环次数和振幅大小对材料韧性的影响很大。当受循环荷载作用时,钢材提前发生颈缩和断裂,这表明累积损伤降低了钢材的韧性。     

高强度钢材箱形柱滞回性能试验研究

为研究Q460高强度钢材箱形柱的抗震性能,对5个足尺试件进行了水平往复加载试验研究,分析了板件宽厚比、轴压比等因素对试件的承载力、破坏模式、耗能能力、变形能力和延性的影响。试验结果表明,Q460高强度钢材箱形柱具有很好的耗能能力和抗震性能,适用于抗震钢框架;除试件HB-1外其他试件本身及其柱脚节点均未发生焊缝开裂,证明设计合理、质量合格的Q460高强度钢材焊缝连接具有足够的承载力和良好的抗震性能;板件宽厚比越大,试件局部屈曲出现得越早,最大荷载对应的位移级越小,达到破坏时的位移级也越小;试件发生局部屈曲的范围及屈曲中心位置相对于试件截面高度的比值依次减小,所有试件最大屈曲位置距固定端0.25B~0.50B（B为等边箱型截面外边长）,塑性区范围距离固定端0.72B~1.06B。根据试验结果,建议在轴压比不大于0.2时,Q460钢材箱形截面压弯构件板件宽厚比限值不应大于30;同时,钢框架柱在进行抗震设计时,其板件宽厚比限值应与轴压比相联系,轴压比越大,板件宽厚比限值应越小。     

三向荷载作用下圆钢管材料本构模型研究

空间网格结构在地震作用下,材料塑性发展严重,材料损伤将对结构的性能产生重要影响。为得到能够精确反应空间网格结构在复杂荷载作用下材料损伤累积的本构模型,设计空间结构常用圆钢管进行三向加载试验,通过不同的加载方案考察试件的空间滞回特性;编制考虑损伤和裂纹效应的ABAQUS用户子程序对试验进行数值模拟,利用试验曲线与数值曲线...     

高强度钢材在±10%大应变下的循环加载试验

为实现高强度结构钢材拉压大应变循环加载试验,避免受压失稳,采用了标距与直径比为1.13的特小标距试件。有限元分析结果表明,在此标距范围内,钢材屈服后应力、应变仍是均匀的。标准尺寸试件与特小标距试件的单调拉伸试验结果对比表明,为去除大应变范围内试件面积变化影响而采用真实应力-真实应变表达钢材力学行为是必要和有效的。针对屈服强度达到510MPa的国产高强度结构钢材,采用了循环拉伸、等幅升幅、等幅降幅和等幅交替4种不同的循环加载制度,使最大循环应变幅达到了±10%。试验获得了大应变范围内钢材的应力-应变关系及滞回特性,结果显示,大应变范围内循环加载时钢材的应力强化将有显著趋缓现象,与常用的双折线模型有显著不同。     

空间H形梁柱节点的节点域滞回性能试验研究

为研究空间效应对节点域滞回性能及稳定性的影响,设计了4个不同构造的空间H形梁柱节点试件,于柱端施加恒定轴向荷载,于柱弱轴平面梁端施加恒定反对称荷载,于柱强轴平面梁端施加反对称往复荷载。试验及分析结果表明：基于平面梁柱节点试验提出的考虑竖向连接板对提高节点域稳定性的推荐公式仍适用;柱弱轴平面不平衡弯矩通过竖向连接板及横向加劲肋传递至柱翼缘,当该荷载不致引起节点域周边构件过早屈服时,若传力路径连续,节点域不直接抵抗该荷载作用;在本试验的柱弱轴平面荷载应力水平下,构造设计合理的空间试件节点域的承载力、变形能力、稳定性、耗能能力均不低于相应的平面试件。     

Q460C高强度结构钢焊接H形和箱形截面柱低周反复加载试验研究

为充分了解高强度结构钢构件的抗震性能,采用Q460C高强度结构钢焊接制作H形和箱形截面柱试件各4个,进行固定轴压比为0.3的低周反复加载试验。试验测得了Q460C高强度结构钢H形和箱形截面柱的荷载 位移滞回曲线和弯矩 曲率滞回曲线。试验结果表明：宽厚比接近GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》中“一级抗震”限值的试件试验破坏模式为板件局部屈曲,而宽厚比远小于“一级抗震”限值的试件在柱底部可形成具有充分转动能力的塑性铰;宽厚比小于“二级抗震”限值的Q460C焊接 H形截面柱和小于“一级抗震”的Q460C焊接箱形截面柱具有良好的耗能能力和抗震性能。在试验基础上提出了Q460C高强度结构钢焊接H形和箱形截面柱的弯矩 曲率滞回模型,为高强钢结构在地震作用下的弹塑性静力分析和时程分析提供参考。     

斜向受力十字形钢管混凝土柱抗震性能试验研究

为研究十字形钢管混凝土柱在斜向受力下的抗震性能,以加载角度(0°和45°)、混凝土强度等级(C50和C70)、轴压比(0、0.25和0.5)以及是否设置加劲肋为试验参数,进行了9根十字形钢管混凝土柱在往复荷载作用下的试验研究,获得了柱的破坏形态、水平荷载-位移滞回曲线、骨架曲线、延性、累积耗能、变形等特性,分析了不同参数对柱抗震性能的影响规律。并建立了十字形钢管混凝土柱的有限元模型,有限元分析结果与试验结果吻合良好。试验结果表明:十字形钢管混凝土柱具有较好的滞回性能,所有柱的位移延性系数均高于3.5;轴压比对十字形钢管混凝土柱的抗震性能影响较大,轴压比越大,柱承载力越低,刚度退化越快,延性和耗能能力也越差;随着混凝土强度的增加,柱承载力增加,轴压比较大时,混凝土强度越高,延性下降越明显;内部间断焊接加劲肋的柱比未设置加劲肋柱的承载力提高约8%,但延性和耗能能力提高不大;加载角度为45°柱的滞回性能稍优于0°的柱。     

钢质往复弯曲耗能铰滞回性能试验研究及理论分析

提出一种销轴连接新型钢质往复弯曲耗能铰,可用于装配式结构预制梁柱连接,并实现梁端耗能和塑性铰外移。对两个该新型耗能铰进行滞回试验,试验结果表明:新型耗能铰整体绕销轴转动,试件的破坏形式为耗能元件受压翼缘屈曲或受拉翼缘断裂;其滞回曲线饱满,能量耗散系数达3.0以上,具有良好的耗能能力,无明显的刚度退化和强度退化;量测完整的耗能铰塑性转角达0.055rad,两个试件的延性系数均大于4.0,均满足规范要求。建立该类耗能铰的有限元模型,对比可得有限元模拟结果与试验结果吻合较好。基于有限元模型对钢质往复弯曲耗能铰开展机理分析和参数分析。结果表明:耗能铰达峰值荷载时,耗能元件中心可达全截面塑性,具有塑性设计要求的转动能力,且在转动过程中承载力不降低;耗能铰削弱程度、耗能铰长度对该类耗能铰的初始刚度、承载力和转动能力有较大的影响,耗能铰削弱范围对滞回曲线影响较小。基于参数分析,给出耗能铰主要构造参数的取值范围,并建议了该类耗能铰的简化滞回模型,简化计算结果和试验结果、有限元计算结果吻合较好。     

AQ315钢材单调与循环加载试验研究

对新型抗震结构用钢AQ315进行单调拉伸和循环加载试验研究,分析其各项力学性能及相应破坏形态,并利用Ramberg-Osgood模型对循环荷载下的骨架曲线进行拟合。根据试验数据标定基于Chaboche模型的混合强化参数,通过有限元软件ABAQUS对循环加载试验进行数值模拟。结果表明：AQ315钢材屈服强度平均值为290MPa,抗拉强度平均值为450MPa,断后伸长率平均值高达35.6%;循环荷载作用下,AQ315钢材表现出明显的循环强化特征;Ramberg-Osgood模型能较准确地拟合出AQ315钢材在循环荷载下的骨架曲线;利用标定的强化参数模拟出的结果和试验曲线吻合程度较好。     

Mechanical behavior of concrete filled double skin steel tubular columns under cyclic pure torsion

为研究中空夹层钢管混凝土柱在扭矩作用下的滞回性能,以截面形式和空心率为主要参数,开展了4个中空夹层钢管混凝土柱试件在扭矩作用下的拟静力试验,得到了中空夹层钢管混凝土柱在往复扭矩作用下的破坏模式和扭矩-转角关系曲线。试验结果表明：中空夹层钢管混凝土柱在往复扭矩作用下的扭矩-转角滞回曲线较为饱满,没有出现“捏拢”现象,卸载刚度与初始弹性刚度接近,具有较好的耗能能力。往复扭矩作用下,圆形截面中空夹层钢管混凝土柱的扭转性能较方形截面中空夹层钢管混凝土柱更优。在截面外轮廓形状和尺寸相同的条件下,空心率对中空夹层钢管混凝土柱在往复扭矩作用下扭转性能的影响不大。     

三类钢板剪力墙结构试验研究

防屈曲钢板剪力墙已被试验证明是优秀的抗侧耗能构件,但墙板嵌入受弯框架时,二者之间的相互作用尚需进一步研究。为此进行了两层单跨钢框架内嵌防屈曲钢板剪力墙的试验研究,作为比较同时进行了两层单跨钢框架内嵌非加劲钢板剪力墙与两层单跨钢框架内嵌组合钢板剪力墙结构的试验研究。在试验的基础上,对试件进行有限元分析,比较了三类钢板剪力墙之间的性能差异。研究表明,防屈曲钢板剪力墙能够消除无加劲钢板剪力墙在水平荷载下产生的巨大屈曲噪声,具有较大的初始刚度与承载力,拥有良好的延性与滞回耗能性能,而且由于其屈服先于屈曲发生,对周边框架产生的附加弯矩很小;组合钢板剪力墙的性能与防屈曲钢板剪力墙相似,但由于后期外包的混凝土发生脱离,内嵌钢板剪力墙会产生拉力带,不仅对框架产生不利影响,而且自身承载力、刚度与耗能能力均有不同程度的退化。图32表1参12     

型钢混凝土十字形柱复合受扭滞回性能试验研究

为研究型钢混凝土十字形柱在压弯剪扭反复荷载作用下的的滞回性能,以扭弯比和配钢形式为变化参数,对9根柱试件进行了拟静力试验,对比分析各柱的破坏形态、滞回曲线、骨架曲线、承载能力、延性等。研究表明:恒定轴力反复弯剪扭作用下,型钢混凝土十字形柱表现为弯扭破坏和扭剪破坏两种破坏模式;荷载-位移滞回曲线与扭矩-扭转角滞回曲线均呈捏拢的S形;位移延性系数、开裂位移角及破坏位移角均能满足GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》要求;弯剪黏滞阻尼系数随位移的增加呈上升趋势,而扭转黏滞阻尼系数则相反;当扭弯比小于0. 21时,扭矩的存在并未降低试件受弯承载力,但是对弯曲位移、延性及耗能能力均会有不利影响。