基于微观机理的Q460高强钢框架十字形梁柱焊接节点超低周疲劳断裂性能研究

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近年来,随着现代化进程的持续推进和环保意识的普遍提升,钢结构在工程领域的应用越来越广泛。各地高层和大跨空间结构的纷纷兴建,对钢材强度和性能的提升提出了更高的要求。我国对钢结构的相关研究起步相对较晚,对高强钢的研究更少。节点是钢结构中的重要部位,而高强钢由于伸长率较低,较难满足塑性设计的要求,强震作用下高强钢的断裂问题更突出。强震作用下钢结构的断裂属于超低周疲劳问题,其破坏性质属于典型的延性断裂。基于微观机理的延性断裂预测模型能够描述应力-应变场对材料内在微观结构特性的影响,从而能够作为具有明确物理意义的判据,实现对钢结构延性裂纹开展较为准确的预测。本文基于微观机制断裂预测模型CVGM(Cyclic Void Growth Model,简称CVGM)研究Q460高强钢框架十字形梁柱焊接节点超低周疲劳断裂性能,进行的主要工作如下:(1)回顾了近年来国内外学者对钢框架梁柱节点构造形式和断裂机理的研究现状,目前普遍采用的节点构造形式主要有两种:一种是节点部位采取构造措施进行加强,使薄弱部位转移至距梁端一定位置处;一种是对节点部位的梁截面进行削弱,使薄弱部位转移至削弱位置处。对断裂机理的研究主要有两种方法:一种是基于传统断裂力学的应力强度因子法、J积分法和CTOD法,该类方法主要适用于脆性断裂或屈服范围极其有限的伪脆性问题;另一种是基于微观机理的断裂预测方法,该类方法对延性断裂有较好的适用性。(2)基于有限元分析和CVGM模型,对所参考节点断裂试验中的2个试件的开裂时刻进行了预测。CVGM模型预测试件TS-1和试件TS-2的开裂时刻与试验开裂时刻分别相差了2.96圈和0.87圈,均在可接受范围内,验证了基于微观机理的CVGM模型用于Q460高强钢框架十字形梁柱焊接节点试件超低周疲劳断裂预测的适用性和准确性。(3)根据相关规范设计了3个Q460高强钢框架梁柱节点试件,分别为“狗骨式”节点试件、翼缘板加强型节点试件和盖板加强型节点试件,基于有限元分析和CVGM模型对各节点试件的开裂时刻进行了预测。与标准型节点试件相比,加强型节点试件的开裂时刻相对较早,“狗骨式”节点试件则相对较晚,可见节点构造对节点的断裂性能影响较大;加强型节点试件的承载力明显大于“狗骨式”削弱型节点;不同构造形式节点的刚度退化趋势基本一致,均为先快后慢,最后趋于稳定。(4)基于所参考试验中的2个节点试件,通过改变梁截面腹板钢材牌号,设计了2个混合强度截面梁节点试件,并利用有限元分析和CVGM模型对节点开裂时刻进行了预测。CVGM模型预测TS-6(混合强度截面)加载至9.26圈开裂,而预测试件TS-1在加载至9.29圈开裂,两者相差了0.03圈;CVGM模型预测TS-7(混合强度截面)加载至10.84圈开裂,而预测试件TS-2在加载至10.38圈开裂,两者相差了0.46圈,可见改变梁截面各板件强度匹配对节点断裂性能影响有限。混合强度截面梁节点试件与普通截面梁节点试件滞回曲线除个别滞回环有错动外,基本重合,刚度退化曲线也基本相同,可见改变梁截面各板件强度匹配对节点承载力和刚度影响有限。
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