Q690D钢材十字形焊接接头高温后的断裂破坏试验研究

为研究Q690D高强度钢材及焊缝连接件在常温和高温后的断裂性能,选取代表实际梁柱节点局部焊接构造的十字形焊接节点试样,完成了常温和一系列高温后Q690D钢材和ER80-G焊缝金属的单轴拉伸试验,得到了钢材和焊缝金属在不同高温后的弹性模量、屈服强度、极限强度和延伸率。开展了常温和高温后十字形焊接接头的单调拉伸试验和超低周循环试验,研究了Q690D高强度焊接接头的断裂机理,探讨了过火温度、加载制度对焊接接头断裂性能的影响。结果表明:当钢材和焊接接头的过火温度高于600℃时,钢材和十字形焊接接头的强度降低,其变形能力开始增大;800℃高温后Q690D钢材的强度降低,但ER80-G焊缝金属的力学性能无明显变化,导致焊接接头经受800℃高温后,在单调荷载作用下,其断裂破坏未发生在焊缝处,而发生在母材位置;循环荷载作用下焊接接头的承载能力和变形能力都低于单调荷载的情况;试验得到钢材、焊缝金属和焊接接头的力学性能指标,为发展考虑火灾后效应的断裂分析模型提供了基础试验数据。

Q690D高强钢基于连续损伤模型的断裂破坏预测分析

高强钢材在实际钢结构中已经开始逐步得到应用,该文针对Q690D高强度结构钢材,进行了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,研究了试样裂纹的起始位置,分析了加载制度对试样承载能力和变形能力的影响,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。基于Q690D钢材缺口圆棒试样的单调拉伸试验结果,结合有限元分析,标定了钢材的连续损伤模型参数。最后,应用钢材的连续损伤模型,对圆棒试样和带初始间隙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、断裂位移和疲劳寿命均与试验结果吻合良好。

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。