強(qiáng)震下的鋼結(jié)構(gòu)焊縫疲勞性能研究.pdf

1、在強(qiáng)震作用下，高聳高層鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)焊縫極易產(chǎn)生疲勞損傷累積，造成焊接節(jié)點(diǎn)的破壞甚至整個(gè)結(jié)構(gòu)的倒塌，但國內(nèi)外對焊縫在強(qiáng)震作用下的低周疲勞性能仍缺乏系統(tǒng)的研究。本文圍繞強(qiáng)震作用下高聳高層鋼結(jié)構(gòu)焊縫疲勞劣化機(jī)理與壽命預(yù)測這一主題，針對高應(yīng)變低周疲勞問題，通過一系列焊縫軸向等幅高應(yīng)變低周疲勞試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了焊縫在高應(yīng)變循環(huán)過程中表現(xiàn)的疲勞性能，獲得了焊縫在高應(yīng)變低周疲勞中的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)特征和循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，提取了相關(guān)性能參數(shù)，揭示了焊縫

2、在循環(huán)加載過程中應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律及其機(jī)械性能、循環(huán)韌度和Masing特性等性能特征量的循環(huán)相關(guān)性，并在其疲勞性能的基礎(chǔ)上提出了基于裂紋尖端塑性應(yīng)變能的壽命預(yù)測模型，結(jié)合試驗(yàn)S-N曲線對模型進(jìn)行了對比驗(yàn)證。
　　試驗(yàn)研究表明，對接焊縫在高應(yīng)變低周疲勞過程中，表現(xiàn)出一定程度的循環(huán)軟化特征，但是很快就進(jìn)入穩(wěn)態(tài)循環(huán)直至破壞。循環(huán)過程中，焊縫呈現(xiàn)出明顯的拉壓塑性應(yīng)變不對稱性。在塑性變形過程中，正向受拉加載引起塑性應(yīng)變強(qiáng)化，反向受壓加載時(shí)出現(xiàn)

3、塑性應(yīng)變軟化，具有強(qiáng)烈的包辛格效應(yīng)。通過X射線衍射分析了循環(huán)過程中焊縫殘余應(yīng)力的變化，發(fā)現(xiàn)殘余應(yīng)力在循環(huán)前期即釋放，對焊縫低周應(yīng)變疲勞性能影響不大。
　　通過不同應(yīng)變幅下穩(wěn)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)的對比，發(fā)現(xiàn)隨著總應(yīng)變幅的增加，彈性應(yīng)變幅數(shù)值變化很小，塑性應(yīng)變幅在總應(yīng)變幅中的比例逐漸增大。高應(yīng)變幅下，焊縫主要發(fā)生塑性變形。隨著總應(yīng)變幅的增大，塑性應(yīng)變幅相應(yīng)增大，焊縫的循環(huán)韌度增大，焊縫能夠吸收的過載能量增加。根據(jù)Hollmom方程擬合得到焊

4、縫高應(yīng)變低周穩(wěn)態(tài)循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式，對比母材鋼循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線關(guān)系結(jié)果可知，焊縫的循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)和循環(huán)硬化指數(shù)均低于母材。
　　通過比較焊縫單調(diào)拉伸試驗(yàn)和不同循環(huán)次數(shù)拉伸階段的循環(huán)應(yīng)力應(yīng)變曲線可知，循環(huán)作用下焊縫金屬循環(huán)強(qiáng)度系數(shù)小于單調(diào)拉伸彈性模量，屈服強(qiáng)度下降，塑性性能下降。同時(shí)焊縫金屬材料穩(wěn)態(tài)滯回曲線的上半段不能完全重合，因而焊縫金屬M(fèi)asing特性不明顯。通過積分計(jì)算滯回環(huán)包絡(luò)面積求解焊縫的循環(huán)滯回能，看出在循環(huán)過程中，隨著循

5、環(huán)次數(shù)的增加，焊縫的塑性應(yīng)變能基本保持不變，變化區(qū)間小于1％。
　　大量塑性應(yīng)變造成的塑性應(yīng)變能的累積，進(jìn)而產(chǎn)生的不可逆損傷是產(chǎn)生疲勞破壞的根本原因。伴隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋尖端總是存在一個(gè)變化的塑性區(qū)，而循環(huán)過程中塑性應(yīng)變能具備循環(huán)穩(wěn)定性，所以裂紋尖端塑性應(yīng)變能是一個(gè)描述高應(yīng)變低周疲勞損傷的重要參量，可以用來預(yù)測低周疲勞壽命。本文按照Irwin塑性區(qū)模型，運(yùn)用Mises準(zhǔn)則，重新推導(dǎo)了裂紋尖端塑性應(yīng)變能與應(yīng)力幅的關(guān)系，取單向拉伸的