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。     

低结合强度下热轧钛-钢复合钢材高周疲劳性能研究

为研究钛-钢复合钢材的高周疲劳性能,对由2mm厚钛合金TA2和8mm厚结构钢Q355采用热轧复合工艺生产的钛-钢复合钢板进行了轴向高周疲劳试验,并通过标准拉伸试验、复合界面剪切试验得到其基本力学性能。基于试验结果,得到了钛-钢复合钢材在应力比为0.1下的疲劳S-N曲线,并与4部钢结构设计标准中针对传统结构钢材的疲劳设计曲线进行对比分析。试验结果表明：所研究的钛-钢复合钢板在拉伸试验过程中具有三阶段断裂模式;尽管剪切试验得到的复合界面结合强度较低,但其疲劳性能依然高于一般单金属结构钢材,使用现有结构钢材的疲劳设计曲线预测钛-钢复合钢材的疲劳寿命过于保守;疲劳强度与抗拉强度比值为0.7,介于钛材和钢材之间;低结合强度界面和结构钢层表面均是潜在的疲劳源,产生两种不同疲劳破坏模式。基于上述研究结果提出了适用于该类钛-钢复合钢材的S-N曲线,可为钛-钢复合钢材在结构工程领域的疲劳设计提供参考,并有利于促进其工程应用。     

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。     

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。     

坑蚀对结构钢材低周疲劳性能的影响

为研究坑蚀对钢材低周疲劳性能的影响,以中国常用的结构钢材Q345为例,通过有限元分析并基于微观断裂判据循环空穴扩张模型(CVGM),对坑蚀钢材试件进行低周疲劳断裂预测,并通过与完好试件的结果对比,分析了蚀坑对钢材低周疲劳寿命的影响机理。在此基础上,研究了蚀坑的几何特征、分布形式以及荷载的应变幅等因素对钢材低周疲劳寿命的影响规律。结果表明:由于蚀坑断裂起始点等效塑性应变的加倍累积,与均匀锈蚀相比,蚀坑的存在更显著地改变了钢材的应力分布,进而降低其低周疲劳寿命,降低幅度可达50%以上;蚀坑深度和直径分别达到截面宽度的5%和厚度的20%以上时,断裂起始点的等效塑性应变随蚀坑深度增大而增加,低周疲劳寿命相应减小;多蚀坑试件的低周疲劳寿命总体上比单蚀坑试件明显降低,降幅为20%～30%;随应变幅增大,坑蚀对钢材低周疲劳性能的影响逐渐增大;基于强度等效原则的等效厚度设计方法无法反映坑蚀对钢材低周疲劳性能的影响。     

多轴加载条件下结构钢基材及焊接件低周疲劳性能试验研究

焊接钢结构的局部往往处于复杂的多轴非比例受力状态,在动力循环荷载作用下钢结构的局部失效破坏主要为多轴非比例疲劳所致。采用薄壁圆管试件进行了多轴加载条件下Q235B钢基材和焊接件的低周疲劳性能试验,对比了基材和焊接件的基本力学性能和低周疲劳性能;采用KBM和FS临界面准则进行了Q235B钢基材和焊接件的低周疲劳寿命预测。研究结果表明:多轴非比例加载路径下,Q235B钢基材及焊接件都存在明显的循环附加强化效应,导致其相对于单轴或多轴比例加载路径下的疲劳寿命更低;KBM准则能较好地预测多轴比例加载路径下的疲劳寿命,而对多轴非比例加载路径下的疲劳寿命的预测偏于不安全;FS准则通过考虑材料的非比例强化效应对多轴疲劳附加损伤的影响,能显著提高对多轴非比例加载路径下的疲劳寿命的预测精度。     

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.     

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。     

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。     

考虑屈曲影响的复合钢筋低周疲劳性能研究

当钢筋混凝土结构承受地震作用时，关键部位的纵向钢筋易发生屈曲进而加速发生疲劳破坏。为评估屈曲对复合钢筋低周疲劳性能的影响，开展4种长细比的复合钢筋低周疲劳试验，获得其应力-应变滞回曲线。在此基础上，分析屈曲对复合钢筋滞回曲线形态、应力应变性能及耗能能力的影响。通过OpenSees实现了考虑屈曲影响的复合钢筋低周疲劳性能的数值模拟。结果表明：当复合钢筋长细比大于9时，滞回曲线明显捏拢；峰值压应力随加载圈数增加呈下降趋势，应变幅增加显著提高峰值压应力的下降速率；屈曲降低滞回环的耗能能力和复合钢筋的疲劳寿命，对复合钢筋的疲劳性能产生较大的不利影响；提出的数值分析模型可以有效地模拟屈曲引起的峰值拉压应力不对称的特性。     

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。     

不同复合比下不锈钢复合钢材循环本构模型研究#br#

为研究不同复合比下不锈钢复合钢材在地震循环往复荷载作用下的力学特性,开展23个3+3mm厚316L+Q235B不锈钢复合钢材试件的单调拉、压和15种不同循环加载制度下的试验。根据试验结果,分析该类复合钢材的单调性能、滞回性能以及宏观和微观破坏形态;基于Ramberg-Osgood三参数模型拟合循环骨架曲线,并讨论其与单调荷载下的力学性能区别;基于Chaboche模型标定该不锈钢复合钢材的本构模型参数,并采用数值模型对其他循环加载制度下的力学响应进行模拟;最后与3+5mm厚316L+Q235B不锈钢复合钢材在循环骨架曲线、循环本构关系及滞回曲线方面进行对比,分析复合比的影响。试验结果与分析表明：该种复合比的不锈钢复合钢材在循环荷载下仍表现出明显的循环强化作用和混合强化（等向强化和随动强化）特征;滞回曲线饱满;随着循环周次的增加,卸载刚度和再加载曲线的初始刚度出现明显退化;Ramberg-Osgood模型可以较好地对其循环骨架曲线进行拟合;文章提出的循环本构模型能够准确模拟该复合比不锈钢复合钢材循环往复荷载作用下的力学响应;该复合钢材与3+5mm厚316L+Q235B不锈钢复合钢材在循环荷载下的具体力学指标存在明显区别。研究成果为提出双金属复合钢材的统一循环本构模型提供重要基础。     

0Cr18Ni9T＋Q235不锈复合钢板的焊接工艺

0Cr18Ni9Ti Q235不锈复合钢板是一种新型钢材，它是由一层较薄的不锈钢作为复合层，和由碳钢或低合金钢作为基层而组成的特殊钢板。本文主要是对该材料的焊接工艺进行总结。     

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。     

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。     

频率效应对Q345钢疲劳行为的影响

本文对结构用钢Q345的低周、超低周以及高频试验疲劳行为进行了研究。实验在常温下岛津电液伺服疲劳试验机和QBG-100高频疲劳试验机上进行。低周疲劳试验采用轴向应变控制方法,恒定应变速率为0.005 s~(-1),应变比为-1。超低周疲劳试验采用加载频率控制。高频试验通过增减砝码质量(激励质量)的数目来改变系统的谐振频率,应用共振原理测试高频下试件的载荷-周期(S-N)试验数据。实验结果表明,在同一应力水平下,加载频率更高的高频试验条件下的试件寿命总体上比低频率的低周疲劳试验试件的寿命长。超低周疲劳试验中,随着加载应力的提高,试件寿命曲线逐渐下降,通过频率-寿命(f-N)图可以看出,随着加载频率的增加,试件寿命有所提高。通过SEM扫描电镜对三种试件断口进行观察,可以发现低周及超低周疲劳试验试件的裂纹多从表面起源,高频试验既有表面起源的裂纹也有从内部萌生的裂纹,破坏形式主要取决于加载应力和材料性质,与加载频率无太大关系。     

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。     

Q690D高强钢焊缝连接疲劳性能试验研究

文中对Q690D高强度钢材及其焊缝连接的疲劳性能进行试验研究,讨论Q690D母材、对接接头、十字接头三种连接形式的疲劳极限;拟合了S-N设计曲线,并与现行规范进行比较,对其疲劳特性及疲劳寿命给予评价。试验结果表明：Q690D母材与普通钢材相比表现出较高的疲劳抗力;GB50017设计曲线能较好评估循环次数大于30万对接接头的疲劳寿命,且具有足够安全储备;十字接头S-N设计曲线与AISC360规定的疲劳设计曲线吻合较好。采用电镜扫描分析不同阶段断口的微观形貌特征,并基于零塑性累积应变率假设得到疲劳损伤公式,讨论焊接缺陷对试件疲劳损伤的影响。断口形貌可以反映试件的疲劳损伤发展过程,损伤曲线又很好地解释了断口的形成机理。     

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。     

模拟酸雨大气环境下Q420B高强钢角钢的腐蚀疲劳性能试验研究

目前,高强钢在建筑结构中逐渐得到广泛应用,而其耐候性和疲劳性能对结构安全影响较大。对于长期暴露在野外大气环境中的结构,如输电铁塔,因长期受风致振动和大气环境中酸雨腐蚀的耦合作用,易发生腐蚀疲劳破坏甚至倒塌,所以研究酸雨大气环境下高强钢(如输电塔常用钢Q420B)的腐蚀疲劳性能具有重要意义。为此,对43根Q420B等边角钢在模拟酸雨大气作用下的腐蚀疲劳性能进行了研究,并基于简化的单点 似然法及单点 成组法拟合了其应力-疲劳寿命(Δσ-N)曲线和不同保证率p下的p Δσ N曲面。研究结果表明：酸雨大气环境缩短了Q420B角钢在中低荷载水平下对应的中长期疲劳寿命,而对高荷载水平下对应的短期疲劳寿命影响不大;环境因素对角钢的腐蚀疲劳性能有显著的影响,在模拟试验中,腐蚀液的pH值越低,间隔喷雾时间越长,相同荷载下角钢的腐蚀疲劳寿命越短。