高强度结构钢材Q460D的疲劳性能试验研究

为探讨钢结构设计规范中高强度结构钢材的疲劳设计条文,促进高强度钢材的更广泛应用,选用Q460D钢材并对其材料的疲劳性能进行研究。利用该种钢材试件进行轴向拉伸疲劳试验,并测得描述材料疲劳性能的S-N曲线。试验结果发现:该批次的Q460D钢材试件疲劳试验结果有很大的离散性。试验得出,Q460D钢材在200万次下的疲劳强度比由GB 50017—2003《钢结构设计规范》计算的值要大。     

高强度钢材Q460C及其焊缝的疲劳性能试验研究

主要针对高强度钢材及其焊缝连接的疲劳性能进行研究。通过对Q460C母材及其焊缝连接进行的一系列常规轴向拉伸疲劳试验,测出同一类疲劳试件的S-N曲线。试验结果表明,该批次的Q460C母材及焊缝连接的抗疲劳破坏性能对荷载初值较敏感且试验结果离散性较大;200万次循环荷载下Q460C母材及焊缝连接的疲劳强度均大于《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)公式的计算值;Q460C母材焊缝连接的疲劳强度因焊缝的构造细节不同并没有太大差异。由于钢材的生产及焊接工艺种类较多,仅对该种高强度钢材及焊缝连接的疲劳性能进行了分析和比较,对于其他种类的钢材及焊缝连接的疲劳性能还有待进一步的研究。     

高强度钢材箱形截面轴心受压短柱局部稳定试验研究

针对高强度钢材焊接箱形截面柱的局部稳定受力性能,对4个Q460钢材等边箱形短柱进行轴心受压试验。根据试验结果分析试件的局部屈曲应力、极限应力随板件宽厚比的变化规律,并将试件的局部屈曲应力、极限应力与我国、美国、欧洲钢结构设计规范以及陈绍蕃建议的相应设计方法和计算公式进行对比分析。结果表明,钢板的宽厚比越大,试件截面的利用率越低,局部屈曲后强度越富余;我国钢结构设计规范中对于试件的局部屈曲应力的计算公式不适用于等边箱形短柱;对于等边箱形短柱的极限应力,美国、欧洲钢结构设计规范和陈绍蕃建议的设计方法的计算结果较为接近,且均略高于试验结果,这3种设计方法都是可行的。进一步修改已有的计算公式,以适用于计算Q460高强度钢材等边箱形短柱的局部屈曲应力;建议采用陈绍蕃建议的设计方法,并进一步修改欧洲钢结构设计规范的计算公式,以适用于计算Q460高强度钢材等边箱形短柱的极限应力。     

Q460D高强度结构钢材循环加载试验研究

高强度结构钢材在实际钢结构工程中已经得到广泛应用,国内外学者已经进行了一些研究,但对于循环荷载下高强度钢材本构关系的研究还很缺乏。通过对17个Q460D高强度结构钢材试件进行14种不同加载制度的单调和循环加载试验,得到不同加载制度下的应力-应变关系,探讨不同加载历史对其本构关系的影响,研究其材料本构模型、力学性能、破坏模式、变形和延性特征以及损伤退化特性。基于Ramberg-Osgood模型,拟合得到Q460D高强度结构钢材在循环荷载下的应力-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Q460D高强度结构钢材的循环加载本构模型参数,并结合有限元程序ABAQUS对上述试验进行准确模拟。研究结果可为准确分析计算高强度钢材钢结构在地震作用下的受力性能提供基本前提。     

Q420高强度钢材的疲劳性能试验研究

为探究Q420高强度钢材的疲劳性能,针对Q420B和Q420C两种质量等级的钢材开展了相应的疲劳试验研究。通过两组常温条件下的轴向循环拉伸疲劳试验,获得了Q420B和Q420C两种钢材不同应力水平下的疲劳寿命,并根据试验结果绘制其S-N曲线。试验结果表明:同等条件下,Q420C钢的疲劳性能高于Q420B钢的疲劳性能。将试验结果与GB 50017—2003《钢结构设计规范》的计算值进行比较,发现试验结果远高于规范计算值。     

Q460D高强钢及其螺栓连接疲劳性能试验研究

为研究Q460D高强度钢材螺栓连接的疲劳性能,对Q460D高强钢母材、有孔板和螺栓连接3组试件进行了疲劳试验,拟合了Smax-N曲线,并与采用我国规范GB 50017—2003和美国规范ANSI/AISC 360-10相关公式的计算结果进行了分析对比。结果表明:疲劳试验数据总体较离散,但均在95%置信区间内,拟合的Smax-N曲线能反映不同应力幅下试件的疲劳寿命,具有较高可靠度;由于Q460D钢材硬度大,塑性变形能力较差,对缺陷比较敏感;有孔板和螺栓连接试件的应力集中系数均在2以上。其中母材、有孔板的疲劳极限应力试验值分别是采用GB 50017—2003相关公式的计算结果的2.01、1.45倍,是ANSI/AISC 360-10相关公式的计算结果的2.32、1.91倍;螺栓连接试件的疲劳极限应力试验值略低于GB50017—2003相关公式计算值,是ANSI/AISC 360-10的1.07倍,表明ANSI/AISC 360-10的相关公式更适用于Q460D高强钢螺栓连接疲劳性能的评估。     

Q460高强钢焊接箱形压弯构件极限承载力试验研究

为研究Q460高强钢中厚板焊接箱形压弯构件的整体失稳极限承载力,采用11mm厚国产Q460高强钢中厚板制作7个焊接箱形压弯试件,试件截面宽厚比分别为18、12、8,长细比分别为35、55、80。试验内容包括:Q460低合金高强钢的材性试验,三种焊接截面残余应力测试,各试件初始几何缺陷测量及极限承载力试验,从而进行了面内整体失稳压弯构件的极限承载力试验研究;并且把试验结果与我国现行钢结构设计规范计算值相比较。试验研究结果表明:Q460低合金高强钢材性具有高强度,塑性性能良好等特点;Q460高强钢焊接箱形截面残余应力分布形式与普通钢材箱形焊接截面分布基本相同,但是残余应力比降低;压弯构件极限承载力试验结果明显高于现行钢结构规范设计公式计算值,所以应对Q460高强钢焊接箱形压弯构件进行近一步参数分析研究,并得出其实用设计方法。     

960 MPa高强度钢材轴心受压构件局部稳定试验研究

针对960 MPa高强度钢材轴心受压构件的局部稳定性能,对4个箱形截面试件和4个工字形截面试件进行了轴心受压试验。分析了试件的局部稳定性能,并将试验结果与我国、美国和欧洲钢结构设计规范的相应设计计算结果进行了对比分析,研究各国规范对960 MPa高强度钢材轴心受压构件局部稳定性能设计计算的适用性。研究结果表明:当构件的板件宽厚比相同时,960 MPa高强度钢材构件的局部屈曲后强度要大于460 MPa高强度钢材构件,960 MPa高强度钢材构件应考虑钢材的屈曲后强度;我国现行钢结构设计规范中关于轴心受压构件局部屈曲应力的计算结果不适用于960 MPa高强度钢材构件;在试验钢材板件宽厚比范围内,960 MPa高强度钢材构件的局部屈曲承载力,采用美国规范和欧洲规范的设计计算结果较为准确。     

960 MPa高强度钢材轴心受压构件局部稳定试验研究

针对960 MPa高强度钢材轴心受压构件的局部稳定性能,对4个箱形截面试件和4个工字形截面试件进行了轴心受压试验。分析了试件的局部稳定性能,并将试验结果与我国、美国和欧洲钢结构设计规范的相应设计计算结果进行了对比分析,研究各国规范对960 MPa高强度钢材轴心受压构件局部稳定性能设计计算的适用性。研究结果表明：当构件的板件宽厚比相同时,960 MPa高强度钢材构件的局部屈曲后强度要大于460 MPa高强度钢材构件,960 MPa高强度钢材构件应考虑钢材的屈曲后强度;我国现行钢结构设计规范中关于轴心受压构件局部屈曲应力的计算结果不适用于960 MPa高强度钢材构件;在试验钢材板件宽厚比范围内,960 MPa高强度钢材构件的局部屈曲承载力,采用美国规范和欧洲规范的设计计算结果较为准确。     

Q460C高强度钢柱滞回性能有限元分析

为进一步研究Q460C高强度钢柱的滞回性能,在已有试验研究的基础上,采用通用有限元分析软件ANSYS建立了数值模型,对Q460C高强度钢材焊接箱形和H形截面柱在常轴力和水平往复荷载作用下的滞回性能进行模拟,并研究了残余应力对高强度钢试件滞回性能的影响。将有限元分析结果与已有试验结果进行对比,两者吻合较好。研究结果表明：采用提出的Q460C高强度结构钢滞回模型进行有限元分析,能较为准确的预测Q460C高强度钢材焊接H形和箱形柱的滞回性能;试件内残余应力对Q460C高强度钢材焊接H形和箱形截面柱的滞回性能影响较小。     

高强度钢材疲劳性能研究进展

疲劳破坏是钢结构失效的主要形式,也是工程界与学术界关注的重点。在总结了国内外高强钢母材、焊缝连接和螺栓连接的疲劳性能研究现状基础上,介绍了疲劳寿命理论计算方法,结合大量试验数据分析统计了高强度钢材疲劳寿命发展规律,并基于国内外不同的疲劳设计规范对高强钢母材及连接接头的抗疲劳能力进行了评估。结果表明：随着钢材强度等级的提高,高强钢母材表现出较好的疲劳性能,规范设计曲线偏于保守,明显低估了高强钢母材的抗疲劳性能;受焊接工艺和焊接质量影响,高强钢焊缝连接的疲劳强度提高幅度较小,ANSI/AISC 360-10和EN 1993-1-9规范曲线能够较好地评估Q460D与Q690D焊缝连接的疲劳特性,并具有足够的安全储备;螺栓连接的疲劳强度受预紧力、摩擦面处理、成孔方式等众多因素影响,已有研究表明随着钢材强度的提高,疲劳强度亦有改善,ANSI/AISC 360-10和BS 7608-2014设计曲线适用于Q460螺栓连接疲劳寿命计算,具有足够安全保障,对于Q690钢螺栓连接疲劳性能评估,规范方法偏于保守。随着高强度钢材在实际工程中的应用增多,需开展大量不同等级高强钢母材和连接形式的疲劳试验,补充Q460及以上强度钢材的疲劳设计方法和细部连接构造。     

支管在轴向荷载作用下Q460C高强钢T型圆管节点疲劳性能试验研究

对8个支管承受轴向荷载的Q460C高强钢T型圆管相贯节点分别进行热点应力试验和疲劳试验研究,将热点应力试验结果与现有热点应力集中系数计算公式进行对比验证分析,通过疲劳性能试验观察疲劳裂纹的发展过程和疲劳破坏模式,并对比分析了CIDECT和DNV疲劳设计规范中圆管节点疲劳S-N曲线对于高强钢管节点的适用性。研究表明,疲劳裂缝首先出现在67.5°到90°附近应力集中较大的区域（鞍点附近）,然后迅速沿着相贯线向冠点处发展,并在裂缝末端产生沿主管轴向的横向裂缝。通过试验结果与已有规范的对比分析表明,CIDECT建议的S-N曲线应用于支管承受轴向荷载的Q460C高强钢圆管节点的疲劳寿命预估在某些情况下是偏于不安全的,而DNV规范的计算值过于保守,因此同样也不适合于Q460C高强钢圆管节点的疲劳性能分析。     

建筑结构钢材Q390GJD的焊缝连接疲劳性能试验研究

以Q390GJD钢为材料制作了磨光焊缝连接和原状处理焊缝连接的板材试件,采用高频试验机进行常规轴向拉伸疲劳试验。试验结果发现：本文试验中的Q390GJD钢焊缝连接试件的疲劳试验结果具有非常大的离散性。由钢结构设计规范得出的Q390GJD磨光焊缝连接试件在200万次下的疲劳强度比根据试验拟合曲线计算出的值要小。Q390GJD焊缝连接试件由于焊缝的处理不同,疲劳强度有很大差异。     

高强H形钢混凝土组合柱偏心受压性能试验研究

为研究高强H形钢混凝土组合柱的偏心受压性能以及验证采用国内外相关规范计算此类构件承载力的可行性,进行了1∶3缩尺的10根内置Q460、Q690高强H形钢混凝土组合柱与2根内置Q235普通H形钢混凝土组合柱的偏心受压试验,研究型钢钢材牌号、相对偏心距、含钢率与箍筋间距对组合柱偏压承载力与延性的影响。研究结果表明：当型钢钢材牌号由Q235提升至Q460、Q690时,组合柱的承载力和延性均有明显提升,型钢钢材牌号为Q690的组合柱承载力提高幅度略高于Q460的,其位移延性系数提高幅度明显高于Q460的;增大相对偏心距和含钢率可显著提升高强H形钢混凝土组合柱的延性;较小箍筋间距有利于充分发挥Q690高强H形钢的材料性能。将试验结果与按我国JGJ 138—2016《组合结构设计规范》、欧洲EN 1994-1-1:2004以及美国ANSI/AISC360-16得到的型钢组合柱偏压承载力计算结果进行对比。结果表明,按EN 1994-1-1:2004、ANSI/AISC360-16得到的高强H形钢组合柱偏压承载力计算结果与试验结果相差较大,总体上偏于保守;按JGJ 138—2016的计算结果与试验结果...     

Experimental study on eccentric loaded high strength H-section steel reinforced concrete composite column

为研究高强H形钢混凝土组合柱的偏心受压性能以及验证采用国内外相关规范计算此类构件承载力的可行性，进行了1∶3缩尺的10根内置Q460、Q690高强H形钢混凝土组合柱与2根内置Q235普通H形钢混凝土组合柱的偏心受压试验，研究型钢钢材牌号、相对偏心距、含钢率与箍筋间距对组合柱偏压承载力与延性的影响。研究结果表明：当型钢钢材牌号由Q235提升至Q460、Q690时，组合柱的承载力和延性均有明显提升，型钢钢材牌号为Q690的组合柱承载力提高幅度略高于Q460的，其位移延性系数提高幅度明显高于Q460的；增大相对偏心距和含钢率可显著提升高强H形钢混凝土组合柱的延性；较小箍筋间距有利于充分发挥Q690高强H形钢的材料性能。将试验结果与按我国JGJ 138—2016《组合结构设计规范》、欧洲EN 1994-1-1:2004以及美国ANSI/AISC360-16得到的型钢组合柱偏压承载力计算结果进行对比。结果表明，按EN 1994-1-1:2004、ANSI/AISC360-16得到的高强H形钢组合柱偏压承载力计算结果与试验结果相差较大，总体上偏于保守；按JGJ 138—2016的计算结果与试验结果相差较小，当相对偏心距为0.2时计算结果总体上偏于安全，相对偏心距为0.6时偏于不安全。     

Q690高强钢疲劳损伤后力学性能试验研究

服役结构材料疲劳损伤后的残余力学性能对结构可靠性的评估有着至关重要的作用。为此,对Q690高强钢经不同疲劳损伤后的残余力学性能进行了试验研究。根据Q690高强钢在不同疲劳荷载作用下的疲劳寿命,设定了3级疲劳荷载和9组损伤振动次数,并将Q690高强钢试件在各疲劳荷载下进行不同次数的预损伤疲劳振动。然后,对这些具有不同疲劳损伤的试件进行静力拉伸试验,观察试件的断裂模式并获得应力-应变曲线,对比分析具有不同疲劳损伤试件的屈服强度、抗拉强度和伸长率等力学性参数的变化规律。结果表明：Q690高强钢经疲劳损伤后的断口位置和截面形貌均发生明显变化;疲劳损伤后Q690高强钢在静力拉伸作用下的应力-应变关系曲线均无屈服平台,拉伸过程中出现位移不变、拉力突然减小的卸载现象,造成应力-应变关系曲线出现振荡;Q690高强钢的弹性模量受疲劳损伤影响相对较小,但是屈服强度、抗拉强度、伸长率、屈服应变和极限应变却随疲劳损伤增加而减小。根据试验结果,建立了Q690高强钢力学性能参数与疲劳损伤之间的拟合公式,利用该公式可对具有不同疲劳损伤的Q690高强钢结构的力学性能进行有效评估。     

Q460高强度钢材焊接H形截面弱轴压弯柱承载力试验研究

为了研究高强度钢材中厚板焊接H形截面压弯柱的承载力,采用国产Q460高强度钢材11 mm、21 mm中厚板制作了6个焊接H形截面压弯柱,试件截面自由外伸翼缘板宽厚比分别为7、5、3,长细比分别为40、55、80。通过对Q460低合金高强度钢材的材性测试、3种焊接截面残余应力测试、各试件初始几何缺陷测量及承载力试验,进行了H形截面弱轴压弯构件整体失稳承载力的试验研究,并与采用GB 50017-2003《钢结构设计规范》进行计算的承载力对比;同时以理想弹塑性模型,综合考虑试件初始缺陷建立有限元模型,分析计算其承载力。试验及分析结果表明：Q460低合金高强度钢材具有强度高、塑性性能较好等特点;由实测截面残余应力值得到其分布形式与普通钢材焊接H形截面残余应力分布基本相同;高强度钢材焊接H形截面压弯构件承载力试验值明显高于GB 50017-2003设计公式计算值;文中采用的有限元分析方法可以较准确地计算试件的承载力。研究成果为高强度钢材在实际工程中的应用提供试验参考。     

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。     

高强度钢材螺栓连接抗剪性能试验研究

近年来高强度钢材在工程中得到了逐步推广和应用,尤其是Q460强度等级的高强度钢材。但是目前各国规范都尚未对高强度钢材螺栓连接设计方法做出具体规定,仍沿用普通强度钢材的设计方法。因此,需对端距、边距和螺栓间距等几何构造对高强度钢材螺栓抗剪连接性能的影响进行深入的试验研究。针对10,12 mm厚的Q460强度等级的高强度钢材进行螺栓抗剪连接试验,通过改变两个10.9级M27高强度螺栓的几何布置,研究不同端距、边距和螺栓间距情况下,高强度钢材的承压性能的变化情况。由试验可以观察到螺栓抗剪连接的3种不同的破坏模式:端部撕裂、孔壁拉长和板净截面拉断。同时还将试验得到的极限承载力与欧洲和美国钢结构设计规范设计值进行比较。结果发现,现有规范并不能很好地预测高强度钢材螺栓抗剪连接的破坏模式和极限强度,建议更深入地进行参数分析以完善规范设计方法。