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。     

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。     

Q345qD对接焊缝疲劳性能及断裂机理试验研究

为了对钢桥焊接细节进行疲劳寿命评估,分别采用标准圆棒试件和沙漏型光滑试件进行静力拉伸试验和成组轴向拉伸疲劳试验,引入存活率和置信度得到了具有概率水平保证的安全疲劳寿命曲线,并针对焊接接头疲劳寿命离散性较大的现象,进行微观层面的硬度测试和疲劳断口电镜扫描试验,研究焊缝试件过早萌生疲劳裂纹的微观机理。试验结果表明:Q345qD对接焊缝的疲劳性能较好,随应力水平下降疲劳寿命显著提高,并给出了寿命随应力水平变化的拟合式;本批次Q345qD对接焊缝疲劳强度远远超过相同构造的规范取值,持久疲劳极限在S_(max)=260 MPa附近;焊接热输入对焊缝组织有较大影响,热影响区硬度波动明显,组织不均匀和焊接缺陷是导致低应力水平过早疲劳断裂的主要原因。     

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。     

钢材强度对钢桥面板焊缝疲劳强度的影响

针对钢桥面板顶板与U肋构造细节,通过振动疲劳试验机开展20个试件的弯曲疲劳试验,研究钢材强度对连接焊缝疲劳强度的影响,同时采用名义应力法与热点应力法,结合我国JTG D64—2015、日本JSSC颁布的《道路钢桥设计指南》、国际焊接协会IIW document XIII-1965-03/XV-1127-03给出的S-N曲线,对试验结果的疲劳强度进行评定。研究表明:随着钢材强度的提高,疲劳寿命略有缩短,裂纹扩展寿命的缩短幅度大于萌生寿命;高强钢的疲劳强度与传统钢材总体相当,97.7%存活率下Q345q D试件与Q420q D试件的疲劳强度相差在10%以内;基于热点应力法评估顶板与U肋细节时,建议采用75 MPa强度等级疲劳曲线。     

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。     

钢管混凝土管节点疲劳试验研究

为深入研究钢管混凝土管节点的应力集中及疲劳性能,设计了钢管混凝土管节点的疲劳试验,并结合有限元的计算,对管节点的应力集中、疲劳裂纹的开裂源、裂纹扩展规律等疲劳相关特性进行了研究,对于变幅加载情况下的寿命进行了等效计算,并通过试验进行验证,在焊接接头良好的情况下,疲劳强度可达到较高的水平。     

管桁结构直接焊接节点焊材损伤累积演化规律试验研究

管桁结构直接焊接节点焊缝容易发生损伤累积,造成节点局部失效。为此,针对管桁结构直接焊接相贯节点的连接焊缝,制作标准试件进行低周疲劳试验,得到其应力 应变滞回曲线、循环应力幅退化曲线和累积耗能变化曲线,研究节点焊材的损伤累积演化规律。结果表明：循环荷载下焊材表现出循环软化现象,与其母材循环特性存在差别,节点抗震分析中应区别考虑二者本构关系;焊材的损伤累积演化规律主要表现为随着循环周数的增加,其循环应力幅值、卸载刚度和耗能能力逐渐减小;焊材损伤累积破坏分三阶段,其中裂纹萌生和破坏阶段应力幅退化较快,裂纹扩展阶段变化较慢;加载应变幅对损伤累积速率的影响表现为加载应变幅值越大,其损伤退化越快,在母材为Q235的焊材中影响更明显;焊缝形式的影响较小,表现为角焊缝的损伤累积稍大于全熔透焊缝。有限元分析中考虑损伤累积影响,得到的焊材损伤累积演化规律与试验结果较为吻合。     

高速铁路隧道基底软岩动力累积损伤特性

利用相似材料模拟高速铁路隧道基底软岩,采用荷载控制和非对称正弦波循环加载方式对软岩试件进行动三轴疲劳与损伤检测综合试验。通过试验结果分析,建立了软岩3参数多项式疲劳寿命计算模型和4参数多项式累积损伤参量计算模型,获得了软岩疲劳损伤特性,即:软岩疲劳破坏表现为端部拉-剪复合破坏和中部压-剪复合破坏两种模式;疲劳破坏全过程表现为初始微孔隙压密、裂纹发生与稳定扩展以及损伤裂纹加速发展3个发展阶段;软岩疲劳寿命主要取决于本身强度和动应力水平,强度愈高、动力应力水平愈低,其疲劳寿命就越长;当动应力水平相同时,软岩疲劳寿命与其弹性模量呈线性增长关系。     

塔式起重机起重臂疲劳损伤寿命实验研究

利用高周疲劳损伤理论及实验研究方法对塔式起重机起重臂进行了疲劳损伤寿命分析,并得出了塔式起重机起重臂焊缝允许的最大初始裂纹及裂纹的扩展寿命,为塔式起重机的疲劳设计提供了理论依据及判别方法。     

Q690D高强钢螺栓连接疲劳性能试验研究

为探究Q690D高强度钢材螺栓连接的疲劳性能,对Q690D高强钢母材、有孔板和螺栓连接三组试件进行疲劳试验,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高强钢母材、有孔板、螺栓连接疲劳极限比GB50017理论计算值分别提高了170%、76.02%、47.76%,比AISC360理论计算值分别提高了200%、131.77%、70.49%,说明Q690D高强钢螺栓连接具有较高的抗疲劳能力。讨论了应力集中与螺栓预紧力对试件疲劳强度的影响,应力集中系数越大,疲劳强度越小,螺栓预紧力能缓和应力集中程度,可间接提高疲劳寿命。基于零塑性累积应变率假设得到了疲劳损伤公式,应力集中在一定程度上可以反应损伤发展,损伤曲线可以解释疲劳破坏机理。     

随机变幅荷载作用下焊接节点海水腐蚀疲劳裂纹扩展试验

本工作采用国产海上平台用钢的T型和十字形板状焊接节点试件,模拟导管架臂节点的弯曲受力状态,在随机变幅荷载下进行了海水腐蚀疲劳裂纹扩展试验,分别测得在海水自由腐蚀和阴极保护条件下的(~—da/dN)-AK~(NM)关系曲线。对于十字型焊接节点试件,根据试验测得的裂纹扩展速率曲线,用断裂力学方法对其海水腐蚀疲劳裂纹扩展寿命(有阴极保护)进行了估算,估算得到的裂纹扩展寿命曲线与试验数据,以及用线性累积损伤理论估算的寿命曲线,进行了分析比较和讨论。     

低屈服点钢LYP100单调与循环拉伸试验研究

对47个LYP100低屈服点钢焊接试件进行单向拉伸和反复拉伸加载试验,研究其在不同加载制度下的应力-应变曲线、荷载-位移曲线、骨架曲线、破坏机理和延性特征.结果表明:试件横截面厚度是影响其耗能能力的重要因素,12mm试件的耗能能力明显优于6mm试件;焊接接头对试件的破坏有不利影响,带焊接接头的试件在循环加载作用下疲劳损伤累积效应显著,容易发生脆性破坏,延性变差;LYP100低屈服点钢与Q345钢、Q460钢焊接后,试件的强度提高,循环荷载作用下强度硬化现象明显,但是其延性变差.     

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。     

高温自然冷却后Q345钢材疲劳性能试验研究

为研究火灾后钢材承受机械振动、风致振动和车辆振动等动力荷载的疲劳性能,通过升温、自然冷却和疲劳试验,对室温和经历250~750℃高温自然冷却后的40个Q345钢材试样进行轴向拉伸疲劳性能试验研究。结果表明：不同高温自然冷却后Q345钢材疲劳断口的破坏特征存在明显差异,裂纹扩展区和瞬断区的面积随温度升高而发生变化;Q345钢材在室温或经高温自然冷却后的疲劳断口具有典型韧窝组织,受热温度不超过500℃时韧窝组织随温度升高而增多变密,受热温度为750℃时韧窝组织减少、变浅且大小分布不均匀,主要表现为具有撕裂痕迹的类解理破坏;经高温自然冷却后Q345钢材的疲劳寿命随着温度增加而呈先增加后减小的变化趋势,与常温下钢材的疲劳寿命相比,500℃以内时,疲劳寿命随温度升高而增加,最大增幅为277.18%,750℃时疲劳寿命下降了65.27%。根据试验结果,建立不同高温自然冷却后Q345钢材的概率S-N曲线模型,利用该模型可对火灾后Q345钢结构的疲劳性能进行有效评估。     

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。     

高性能桥梁钢典型焊接接头疲劳性能试验研究

针对Q500qE高性能钢两种典型焊接接头,包括对接焊缝和横向角接焊缝,设计疲劳试件。其中对接焊试件包括两种形式,分别为板厚56mm和8mm的对 接焊试件;横向角接焊缝试件的主板厚56mm、附连件厚20mm。对三组试件进行了有限元分析,掌握了试件的应力分布状况及薄弱环节,验证了试件设计的合 理性。随后针对三组试件展开了疲劳试验,掌握了不同类型焊接接头的破坏位置及破坏形式。根据试验结果拟合出了三组试件的S-N曲线,并与普通钢的疲 劳性能进行比较,表明Q500qE高性能钢的这两种典型焊接接头的疲劳强度略高于普通钢。采用目前规范规定的疲劳强度容许值进行抗疲劳设计是合理可行的,并且具有足够的安全余量。