Q690D高强度钢材GTN模型的参数标定和应用

高强度钢材在实际钢结构工程中逐渐得到应用,钢材的断裂分析模型是开展钢结构断裂预测的基础。对Q690D高强度钢材等直圆棒试样进行单调拉伸试验,获取材料的基本力学性能参数和真应力-塑性应变曲线。基于Q690D高强度钢材等直和缺口圆棒试样的单调拉伸试验和有限元分析,标定得到Q690D钢材的GTN模型损伤参数,分析圆棒试样中裂纹的起始位置。应用Q690D钢材的GTN模型,对缺口板状试样的单调拉伸破坏进行有限元计算,分析试样的裂纹起始和破坏过程,得到缺口板状试样的荷载-位移曲线。数值计算结果与试验结果的对比表明:Q690D钢材的GTN模型很好地模拟了缺口板状试样的断裂破坏过程。     

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。     

Q690GJ高强度钢材单调和循环加载试验研究

钢材在循环荷载下将出现包辛格效应、循环硬化及循环软化现象,这使得钢材在循环和单调荷载下的本构关系有所区别。通过对国产Q690GJ高强度结构钢材进行单调和循环加载试验研究,并从单调和循环加载性能、循环加载现象等方面分析其力学性能差异。结果表明,Q690GJ钢材在循环荷载下的滞回性能良好,由于循环硬化作用使得钢材强度提高的幅度很小,循环软化较早出现,同时试件在循环荷载下由于塑性损伤累积,与单调加载相比延性变差。基于Ramberg-Osgood模型,可以较好地拟合Q690GJ高强度钢材在循环荷载下的应力-应变骨架曲线。     

基于断裂模拟的高温下角焊缝接头承载性能研究

为准确预测火灾高温下正面角焊缝焊接接头的承载性能,结合已有高温下钢结构正面角焊缝焊接接头的拉伸试验数据,采用有限元数值分析方法,对20~700 ℃下20个焊脚尺寸均为12.7 mm的角焊缝焊接接头的断裂模式与实际承载性能进行研究。拟合高温作用下适用于断裂模拟的焊材熔敷金属真实应力-应变关系,标定高温下适用于焊材熔敷金属的剪切断裂模型材料参数,采用试验获得的荷载-位移曲线、断裂破坏模式以及AISC 360-10中的承载力计算方法对数值模拟结果进行验证。研究结果表明：高温作用下角焊缝焊接接头的断裂位置多发生在焊缝区,断裂从焊根部分开始并随荷载的增大向焊脚位置扩展;接头的极限承载力随着温度升高而减小,高温下接头的极限承载力可由断裂面面积及焊材抗拉强度确定;接头在高温作用下（大于500 ℃）的变形量超过5 mm,约为常温作用下的5倍;焊材的剪切断裂模型参数是其抗裂性能的重要参数,也是相应的焊接接头构件变形能力的重要指标,在高温作用下（大于500 ℃）,焊材断裂参数是其常温作用下的4.5倍。     

Q690钢材高温后的力学性能试验研究

通过升温、冷却和拉伸试验,对历经300~900℃高温后的Q690钢材在自然冷却和浸水冷却条件下的力学性能展开试验研究。结果表明：经高温冷却的Q690钢材在不同温度和不同冷却方式下有不同的外观特征;受热温度超过500℃时,高温冷却对Q690钢材的弹性模量影响很小,对其强度和伸长率影响较大;当受热温度不超过700℃时,Q690钢材高温后的强度和伸长率在两种冷却方式下具有基本相同的变化规律;在700~800℃之间,不同冷却方式对Q690钢材高温后强度和伸长率产生影响,且随温度升高差别愈加明显,自然冷却条件下强度降低且伸长率增大,浸水冷却条件下强度增大且伸长率减小。将Q690钢材高温后力学性能与Q235钢材和Q460钢材比较,认为不同强度等级钢材高温后的力学性能差别显著,在自然冷却条件下较高强度钢材（Q690）的强度衰减和延性增长大于较低强度钢材（Q235和Q460）的。根据试验结果,建立了不同冷却条件下的高温后各力学参数与受热温度之间的数学模型,该模型可用于火灾后Q690钢结构的承载能力的评估。     

Q690D高强钢基于循环微孔扩展模型的断裂预测分析

高强钢材在实际钢结构中已经开始逐步得到应用,开展钢材的超低周疲劳断裂分析是评价高强钢结构在强震作用下断裂破坏的基础。传统断裂力学方法均假定裂纹已经存在,且在初始裂纹尖端存在高应变约束,因此主要适用于研究塑性变形极其有限的脆性断裂问题,对超低周反复荷载下无宏观初始缺陷部位和发生显著塑性变形部位的延性断裂问题不太适用,基于微孔扩展机制的超低周疲劳断裂模型在钢材韧性断裂分析中开始逐步得到应用。为研究循环微孔扩展模型(CVGM)是否适用于预测国产Q690D高强度结构钢材的断裂破坏,设计加工了17个圆棒试样和3个狗骨削弱型板状试样(DB)。应用MTS轴向伺服疲劳试验系统进行钢材圆棒试样在单调加载和超低周循环加载下的断裂破坏试验,获取了Q690D钢材的应力-应变关系、基本力学参数和试样的荷载-位移曲线,分析了加载制度对试样承载能力和变形能力的影响。试验结果表明:1)Q690D钢材没有明显的屈服平台,存在明显的缺口强化效应和循环软化现象,由于循环加载过程中材料发生了损伤,使得循环加载后再拉伸时的断裂位移小于单调加载情况。2)通过分析试样断口形貌,发现试样裂纹均起始于试样最小截面中心处,并采用扫描电镜观察了试样断口的微观形貌,断口呈现韧窝形式的延性断裂特征,符合微孔扩展断裂力学的机理,同时通过电镜扫描结果得到了Q690D钢材的特征长度约为0.3 mm。应用ABAQUS软件建立试样的有限元模型,基于Q690D钢材圆棒试样的试验结果,结合有限元分析,标定了Q690D高强度钢材的循环微孔扩展模型(CVGM)和退化有效塑性应变模型(DSPS)参数。单调加载时,循环微孔扩展模型和退化有效塑性应变模型退化为微孔扩展模型(VGM)和应力修正临界应变模型(SMCS)。最后,借助ABAQUS软件中的用户子程序USDFLD,采用Fortran语言对CVGM模型进行编程,在数值计算过程中,当材料单元达到破坏准则要求时,判定单元破坏,将单元的应力释放,然后按照新的状态继续进行有限元计算至试件破坏。应用钢材的CVGM,对狗骨削弱型板状试样在不同加载制度下的断裂破坏进行预测分析,得到试样的裂纹起始位置、荷载-位移曲线,断裂位移均与试验结果吻合良好,且试样极限荷载、断裂位移预测结果误差分别在2%、12%左右。     

高强度钢焊接H形截面构件残余应力分布试验研究

采用分割法对国产Q460C、Q690D和Q960D 3种高强度钢沿焊接H形截面纵向分布的残余应力进行了测量,以研究钢材强度、板件宽厚比、板件厚度、焊缝类型和焊接工艺等因素对残余应力分布的影响。板件厚度选用10 mm和20 mm,板件边缘采用火焰切割,焊缝类型为对接与角接组合焊缝(K型熔透焊缝)和角焊缝,焊接方式为CO_2气体保护焊和埋弧焊。试验结果表明:在所介绍的焊接工艺下,板件的残余应力值与钢材名义屈服强度无直接关系;翼缘焊缝区域的最大残余拉应力值与板件宽厚比无关;翼缘和腹板的残余压应力值分别随着板件宽厚比和板厚的增大而减小;翼缘和腹板的残余压应力值随着与焊缝区域距离的增大而呈现先增大后减小的趋势,部分转变为残余拉应力;焊缝类型和焊接工艺通过影响热源输入点的位置和深度而影响残余应力值。     

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。     

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...     

低温环境中Q345qD对接焊缝力学性能与冲击韧性

焊接钢桥在低温环境的断裂评估对焊接节点的力学性能及冲击韧性随温度变化规律研究提出了迫切的需求。本文对Q345qD对接焊缝进行了硬度测试、低温拉伸试验和低温冲击试验,得到焊接接头的硬度分布规律和5个温度点下强度、塑性、断裂及冲击韧性等参数,提出屈服应力、极限应力和冲击功随温度变化的关系曲线。结果表明,随环境温度的降低,Q345qD对接焊缝的屈服应力和极限应力有所增加,屈强比减小,冲击韧性下降,塑性指标和断裂应力没有明显变化。与高强度钢材对接焊缝相比,Q345qD对接焊缝冲击功中弹性功占比较小,对温度的敏感性更高。     

Q460C高强度钢材焊缝连接循环加载试验研究

为研究高强度钢材Q460C焊缝连接在地震作用下的反应,对11个Q460C焊缝连接试件进行了8种不同加载制度的单调和循环加载试验,分析比较了不同加载制度下的应力-应变关系,研究其本构模型、力学性能、破坏模式、变形和延性特征以及损伤退化特性,并和母材的性能进行了对比。利用Ramberg-Osgood公式对其循环骨架曲线进行了拟合,确定了拟合计算式中的待定参数;通过试验标定了循环荷载作用下本构模型的参数,采用有限元程序ABAQUS利用混合模型对上述循环加载试验进行了较为准确的有限元模拟。研究结果表明：所有加载制度下试件最终均在焊缝和热影响区交界面拉断,这和焊缝连接处的应力集中有关;与母材单调拉伸性质相比,焊缝连接试件延性下降显著,说明焊接过程对钢材有严重影响,应采取措施避免破坏发生在焊缝区域。     

高温作用后高强Q690钢焊接截面残余应力试验研究

焊接中的不均匀受热和冷却使钢材内部产生残余应力,残余应力会降低钢构件的刚度、稳定承载力和疲劳性能。钢构件在高温下的强度退化、塑性和蠕变变形会引起截面残余应力改变,从而影响其火灾下及火灾后承载力。为此,采用高强Q690钢材制作了6个焊接构件,包括H形、箱形两种截面形式。利用切条法测量其在常温（20℃）下、600℃和800℃高温作用后的截面残余应力,得到不同温度作用后残余应力的大小与分布。结果表明：高温作用后,残余应力有不同程度的释放;经历600℃作用后,箱形与H形截面残余应力幅值均下降至常温下的约35%;经历800℃作用后,箱形与H形截面残余应力幅值均下降至常温下的15%以下。基于试验结果,提出Q690焊接截面残余应力分布模型及残余应力幅值随受火温度变化的折减系数。     

Prediction of fracture behavior of beam-to-column welded joints using micromechanics damage model

Moment-resisting steel frames often fail by fracture failure of beam-to-column welded joints during a strong earthquake. This paper provides a numerical methodology based on micromechanics damage model instead of traditional fracture analytical methods to investigate the crack initiation and propagation of welded beam-to-column joints subjected to monotonic loading and ultra low cycle loading conditions. Firstly, parameters used in the micromechanics damage model for steel base metal, heat affected zone and weld metal were calibrated, respectively, against uniaxial tension test results and cycle test results of notched specimens. The evolution of void growth in the notched specimens under different loading conditions was compared. Secondly, fracture process of the welded joints subjected to tensile loading was simulated based on the micromechanics damage model. The predicted load displacement response agrees well with the other researcher's test results. Finally, the micromechanics damage model was applied numerically to investigate the ultra low cycle fatigue fracture behavior of the welded joints under constant amplitude as well as variable amplitude inelastic cyclic loading. According to the distribution and evolution of void in the welded joints obtained from finite element analysis, crack initiation and propagation were presented and the number of cycles to fracture was predicted. It is shown that the fatigue life predicted from finite element analysis based on micromechanics damage model agrees well with the other's test results.     

高强度Q690钢柱受火后受力性能试验研究

为了获得高强度Q690钢柱受火后的受力性能,采用电炉将2根高强度Q690钢焊接H形截面柱升温至800℃后自然冷却至常温,对受火后钢柱进行受压试验,得到钢柱的承载力和破坏模式。为考察受火对钢柱承载力的影响,对2根同尺寸不受火钢柱也进行受压试验。使用ABAQUS软件建立了试验钢柱有限元模型,考虑钢材受火后力学性能的退化和截面残余应力的影响,模拟试验构件的结构响应,并与试验结果进行对比。研究表明:钢柱均发生了绕弱轴的整体失稳破坏;经800℃受火作用后的钢柱承载力与不受火相比降低30%左右;有限元分析结果与试验结果吻合良好。进而采用有限元模型分析受火温度、冷却方式、长细比等参数对受火后Q690钢柱整体稳定系数的影响,有限元分析发现:受火后Q690钢柱稳定系数随受火温度升高呈先增大后减小的趋势,转折点为800℃左右;受火温度较低时冷却方式对Q690钢柱稳定系数影响较小,受火温度高于800℃后影响显著;受火后Q690钢柱稳定系数随长细比增大而降低,长细比小于80时,降低幅度较大,长细比超过80时,降低幅度减小。     

Reduktion der Wanddicken bei Tragtürmen von Windenergieanlagen durch den Einsatz höherfester Stähle

Reduction of plate thickness of wind energy converters made by high strength steels. The design of wind energy converters is significantly defined by the fatigue strength of critical notch details, especially welded joints. The usage of high strength steels leads to no economical benefit because the fatigue strength of welded notch details are defined in design rules independently from the yield strength. The application of post weld treatment methods may increase the fatigue strength of these details significantly. Investigations on high frequency peening methods prove that a doubling of the fatigue strength can be achieved for steel grade S 690. An example of a connection detail is presented where it can be shown that by the application of the investigated methods together with a steel S 690 Q the plate thickness can be reduced to 45%.