钢支撑低周疲劳性能研究综述

总结了国际上有关钢支撑低周疲劳性能试验及有限元研究方面的现状,指出了钢支撑低周疲劳性能研究的方向。     

建筑用抗震钢HRB400EⅢ级钢筋焊接接头的低周疲劳性能

采用轴向应变控制方法,在MTS809拉扭复合疲劳试验机上开展了HRB400EⅢ级钢筋母材及焊接接头的低周疲劳试验,获得了母材及焊接接头的低周疲劳性能,如循环应力响应特征、循环应力-应变关系以及寿命预测公式等.通过断口电镜扫描发现,HRB400EⅢ级钢筋焊接接头的裂纹萌生于试件表面,且存在多处裂纹源.研究结果表明,焊接接头与母材的低周疲劳寿命及微观断裂机理方面均存在明显差异,并从力学性能变化的角度对引起差异的原因进行了解释.     

不同强度钢筋考虑屈曲的低周疲劳损伤模型

钢筋混凝土柱受力后期的重要非弹性特征之一是纵向钢筋受压屈曲，以及反复拉压之后断裂，但可考虑钢筋屈曲的低周疲劳损伤模型很少，且少数考虑屈曲的疲劳损伤模型无法直接用于不同强度钢筋的疲劳损伤计算和断裂分析。对长径比为6.25、9.375、12.0、15.0的HRB400钢筋、HRB500钢筋试件分别进行考虑屈曲的拉压相等循环加载、拉压不等循环加载试验，测量平均应力-平均应变(σˉs-εˉs)曲线和跨中横向屈曲位移。与HRB600钢筋的相应试验结果结合，形成系统性试验数据。基于试验数据分析屈服强度、长径比对屈曲钢筋极限变形能力的影响，考察传统C-M疲劳寿命模型、基于总平均应变幅εˉsa的修正C-M模型对屈曲钢筋的适用性，并分析误差原因；提出适用性较好的基于循环总平均应变幅εˉ_sa-cyc的修正C-M疲劳模型。结果表明：由于钢筋的εsu、εsult和fu等力学性能参数不同，不同强度钢筋试件屈曲后的低周疲劳受力性能存在差异；屈曲钢筋循环受力时的极限变形能力与低周疲劳损伤有关，仅根据单调受拉的极限拉应变εsu不能正确判断钢筋的断裂状态；基于总平均应变幅εˉsa的修正C-M模型无法合理考虑不同加载方式对屈曲钢筋低周疲劳寿命的影响，存在系统误差；基于εˉ_sa-cyc的修正C-M模型可合理考虑不同加载方式的影响，能直接用于不同强度、不同长径比钢筋，且误差较小。     

热处理工艺对GH33A合金高温低周疲劳寿命的影响

本文研究了不同热处理工艺对GH33A高温合金在550℃时的低周疲劳寿命和循环变形行为的影响。结果表明,当应变范围△ε_l<1.2％时,采用双级时效工艺(B工艺)可获得最长的疲劳寿命;当应变范围△ε_l>1.2％时,采用标准热处理工艺可获得较长的疲劳寿命。热处埋工艺不同,合金的循环变形行为也不同。应根据具体构件的受力条件来制定合理的热处理工艺。以发挥合金的潜力.     

Q235、Q345钢结构材料的低周疲劳性能

对Q235、Q345钢的低周疲劳性能进行了研究。采用轴向应变控制方法,在岛津电液伺服疲劳试验机上测定了2种钢低周疲劳过程中的循环应力响应特征、循环应力与应变的关系,通过拟合Basquin公式和Coffin-Manson公式得到了2种钢的疲劳寿命公式,据此计算了Nf=100周时的循环能量吸收率σa.Δεt值,并与别的钢筋进行了比较。通过断口扫描发现,Q235钢裂纹起源于试样表面,由于第二相质点和夹杂物的存在,形成微孔洞和微裂纹,互相连接形成疲劳断裂;Q345钢裂纹起源于表面,然后通过不断扩展形成微裂纹,再连接成宏观裂纹,最终导致材料断裂。     

Q235焊接工字形钢支撑的低周疲劳性能试验及数值模拟

对19根Q235材质焊接工字形钢支撑进行了等幅轴向循环位移作用下的低周疲劳性能试验,基于观测到的翼缘出现可见裂纹时的循环次数提出了估算支撑低周疲劳寿命的经验公式。在试验基础上,对支撑滞回性能和低周疲劳性能进行了数值模拟。试验及数值模拟结果表明:试件在第1个弹塑性循环受压时就发生了出平面的整体失稳;从第3或第4个循环开始,支撑的抗压、抗拉承载力及单循环耗能进入到稳定退化阶段。将试验及数值模拟得到的支撑稳定承载力及跨中最大横向变形与相关规范、文献计算结果进行了对比,证实了相关规范、文献的可信性。总体上,数值模拟结果与试验结果吻合较好,但离散性小于试验结果。在数值分析得到的应力-应变结果基础上,利用2种临界面损伤模型预测了支撑裂纹萌生时的低周疲劳寿命,预测的裂纹萌生位置与实测位置一致,预测结果基本位于实测结果的3.5倍分散带以内,偏于安全一侧,同时发现残余应力对支撑的低周疲劳寿命基本没有影响。     

预应变亚稳态奥氏体不锈钢（S30408）深冷低周疲劳性能

为了研究冷成形和温成形对深冷容器低周疲劳性能的影响,通过液氮温度（77 K）下的拉伸试验和低周疲劳试验,分析预应变（0和0.35）和预应变温度（293 K和363 K）对亚稳态奥氏体不锈钢（S30408）深冷低周疲劳性能的影响机制. 0.35预应变使试样内部位错密度增加和产生强化相体心立方马氏体,与母材试样相比,293 K预应变试样初始循环应力幅增大,疲劳辉纹宽度减小,深冷低周疲劳寿命增加显著. 随着预应变温度由293 K升高到363 K,奥氏体相稳定性增加,马氏体相变受到抑制,初始循环应力幅减小,疲劳辉纹宽度增大,预应变对深冷低周疲劳寿命的增益作用减弱. 总体来看,0.35预应变对S30408深冷低周疲劳性能有明显增益作用,但增益程度受预应变温度的限制.     

DD419镍基单晶高温合金980℃下低周疲劳行为研究

对DD419镍基单晶高温合金在980℃下的低周疲劳行为进行试验研究,并对疲劳数据进行分析,获得该温度下合金疲劳参数。结果表明：该合金低周疲劳变形过程中,弹性变形起主要作用,塑性变形较低;循环应力响应行为以先循环软化、再趋于稳定为主要方式,并且随着应力幅的增加,循环寿命不断降低。低应变幅下,合金的疲劳断裂表现为脆性断裂的特征,并呈现出明显的多源疲劳特征,微观断口形貌的主要特征是出现准解理台阶,可判断准解理断裂是主要的断裂机制。     

AS41压铸镁合金的低周疲劳行为

为了探索AS41压铸镁合金在室温下的低周疲劳变形与断裂行为,分别对压铸态和固溶处理态的AS41镁合金进行了应变控制疲劳实验,并利用S 3400N型扫描电子显微镜对合金的低周疲劳断口形貌进行了观察与分析.结果表明,在低周疲劳加载条件下,合金均表现为循环应变硬化;合金的塑性应变幅、弹性应变幅与断裂时的载荷反向周次之间分别服从Coffin Manson和Basquin公式;AS41压铸镁合金经固溶处理后的组织比压铸态更均匀,强化相分布更弥散,在相同的外加总应变幅下表现出更高的疲劳寿命.断口形貌观察结果揭示,对于两种加工状态的AS41镁合金,疲劳裂纹均以穿晶方式萌生于试样表面并以穿晶方式扩展.     

磷对GH984G高温低周疲劳性能的影响

在部分镍基高温合金中加入适量磷可以有效提升材料的高温持久蠕变性能,本文对四种磷含量的镍基高温合金GH984G进行了高温低周疲劳试验。结果表明:随着磷含量增加,GH984G高温低周疲劳寿命呈现先升高再降低的趋势。适量磷使合金晶内硬度增大,晶界处大块MC碳化物变少,变形孪晶数量增加,疲劳源数量减少,材料循环软化程度下降,裂纹扩展受阻,进而提升疲劳寿命。过量磷的加入使GH984G合金的晶粒尺寸变大,二次裂纹数量增多,不利于疲劳寿命。     

钢材的低周疲劳特性及双曲面本构模型的改进

为合理评估钢结构的地震损伤,研究结构钢的塑性变形与低周疲劳之间的耦合关系以及循环软化特性.通过对Q345qC钢材进行高应变反复加载试验,获得了相应的低周疲劳破坏和循环软化特性.通过研究承载力下降与塑性耗能密度之间的关系及对边界面进行缩放和移动,将循环软化特征引入材料的本构关系模型.在此基础上,采用改进后的本构关系模型对钢桥墩进行了反复荷载作用下的力学行为分析,讨论了循环软化对构件承载能力的影响.结果表明:Q345钢材具有较好的延性和较强的抗低周疲劳性能,试验未发现钢材塑性变形与低周疲劳之间存在明显的相关性;循环软化特征在较大的塑性应变状态下表现得更明显,修正后的双曲面本构关系模型可以较好地模拟钢材循环软化行为;考虑材料循环软化效应后,钢桥墩在反复荷载或地震作用下的承载力略有降低.     

建筑用不锈钢的抗火性能

通过分析高温材料性能试验结果,描述了建筑用不锈钢在高温下的材料力学性能,并与建筑结构中常用的碳素钢及合金钢进行了比较.给出了不锈钢的弹性模量、屈服强度、抗拉强度等材料性能随温度折减的计算公式.提出了应变为应力函数的完整的不锈钢高温本构关系表达式,并与试验数据进行了比较.结果表明,与碳素钢和合金钢相比,不锈钢具有更为优越的抗火性能,在高温下不锈钢的材料性能折减系数更高;提出的计算公式基本正确地反映了不锈钢在高温下的材料性能折减规律;提出的本构关系表达式能够精确地描述不锈钢在高温下的完整应力 应变关系.     

锈蚀疲劳后混凝土中钢筋力学性能试验

为研究锈蚀疲劳后混凝土中钢筋的力学性能退化规律,对锈蚀钢筋混凝土梁疲劳破坏后取出的梁内主筋进行轴向拉伸试验,结合试验得到的锈蚀疲劳钢筋的应力-应变曲线,定量化地提出了锈蚀疲劳后混凝土中钢筋的本构关系模型,并对模型计算值与试验实测值进行对比验证.试验结果表明,未锈蚀钢筋在疲劳循环200万次后表现出与原状钢筋相同较好的延性破坏特征,疲劳作用对未锈蚀钢筋的力学性能没有实质影响;锈蚀疲劳后钢筋的应力-应变曲线发生了显著变化:屈服台阶特征改变、延伸率减小、屈服强度降低,变化幅度的大小与锈蚀疲劳程度有关,软钢不同程度地硬化;疲劳裂纹的出现使得钢筋在极低的延伸率下即突然拉断破坏,强度大幅降低,延性几乎完全丧失.     

电化学修复后钢筋疲劳性能试验研究

为了探明电化学修复对钢筋疲劳性能的影响,开展电化学除氯和双向电迁处理后钢筋的轴向拉伸疲劳试验. 基于断裂力学原理及断口微观形貌分析,揭示电化学修复技术引起钢筋疲劳性能变化的机理. 结果表明,电化学除氯会引起钢筋疲劳裂纹门槛值的减小及疲劳弹性模量的退化,宏观表现为钢筋疲劳寿命减小;电化学除氯后钢筋疲劳裂纹起源于钢中白点,裂纹扩展区疲劳辉纹间距增大,瞬断区韧窝变小变浅. 掺入阻锈剂的双向电迁方法对钢筋疲劳性能的负面影响较小,双向电迁修复后钢筋的疲劳断口微观形貌相对于普通钢筋未见明显变化.     

316LN钢高温塑性及其断口特征

利用Gleeble-1500D热力模拟试验机,对316LN钢进行温度为950~1200℃,应变速率分别为0.005、0.05、0.5和1s-1的热力模拟试验。借助扫描电镜(SEM)对断口进行观察,研究316LN钢的高温塑性及高温断裂机制。结果表明:316LN钢高温断裂为韧性断裂,随着温度和应变速率的增加,韧窝尺寸增大,深度增加,塑性增加。同时,采用回归方法构建了断裂应变、塑性指标(延伸率和断面收缩率)分别与变形条件(温度和应变速率)的关系模型,应用这些模型可以计算一定条件下316LN钢的断裂应变、延伸率和断面收缩率,对制定316LN钢的锻造工艺有一定的指导作用。     

耐候钢和高性能钢腐蚀后疲劳性能2019年度研究进展

免涂装耐候钢桥梁在使用过程中长期受到腐蚀作用,影响其性能的主要有均匀腐蚀和坑蚀。坑蚀能够直接导致钢材疲劳强度降低,并且疲劳细节等级越高,坑蚀对疲劳强度的削减越严重。在钢桥设计中,疲劳设计常为控制指标,需要对耐候钢和高性能钢腐蚀后的疲劳性能进行研究。针对中国耐候钢和高性能钢开展共计20个试件的腐蚀后疲劳试验,根据ISO规范对两种钢材进行中性盐雾干/湿循环腐蚀试验,盐雾采用5%的NaCl作为腐蚀溶液,其pH值为6.5,温度控制为35℃,腐蚀120个周期;针对腐蚀后的试件进行疲劳试验,并与未腐蚀试件的疲劳试验结果对比。试验结果表明,腐蚀后耐候钢和高性能钢的疲劳强度均大幅降低;不考虑保证率时,腐蚀后HPS 485W和Q345CNH钢2×10⁶次荷载循环的疲劳强度与未腐蚀试件相比分别降低了27.8%和26.6%;考虑95%保证率,采用m=3时,分别降低了34.7%和50.1%,并且低于FAT 125要求。腐蚀作用下,两种钢材表面形成稳定锈蚀层和蚀坑,其锈蚀层具有一定强度,疲劳裂纹均萌生于表面蚀坑部位。     

厚壁钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命预测

为获得厚壁钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命,对多组厚壁钢桥墩进行数值模拟分析。采用钢材的混合强化模型预测厚壁钢桥墩在三种不同往复荷载作用下的滞回性能,并分别使用Ge模型中的局部损伤法与非局部损伤法得到不同网格尺寸下的钢桥墩超低周疲劳裂纹萌生寿命,然后使用Ge模型对厚壁钢桥墩的疲劳裂纹萌生寿命影响因素(翼缘宽厚比、试件通用长细比等)进行参数化分析。研究结果表明:混合强化模型能准确预测厚壁钢桥墩的滞回性能;Ge模型中的非局部损伤法能准确预测厚壁钢桥墩的超低周疲劳裂纹萌生寿命。最后基于裂纹萌生寿命的参数化分析结果,提出了预测钢桥墩超低周疲劳裂纹萌生寿命的经验公式。     

高温后预应力钢筋和非预应力钢筋的力学性能

为考察高温后预应力钢筋及非预应力钢筋的力学性能,砸碎38个火灾后预应力混凝土梁板试件,取出预应力钢筋及非预应力钢筋,制作成481个预应力钢筋试件和489个非预应力钢筋试件,并对这些试件进行高温后的力学性能试验。基于试验结果,探索了高温后预应力钢筋和非预应力钢筋的相关强度、弹性模量、断后伸长率等的变化规律,给出了高温后预应力钢筋及非预应力钢筋的应力-应变曲线方程,可用于预应力混凝土结构抗火性能研究。试验结果表明,在经历相同的温度作用后,经历高温下应力历程的预应力钢筋较未经历高温下应力历程的预应力钢筋的强度略低,而非预应力钢筋的强度受高温下应力历程的影响不大。