高強(qiáng)厚板焊接組合鋼構(gòu)件損傷機(jī)理與滯回性能研究

本課題從焊接殘余應(yīng)力和損傷累積兩個(gè)方面對(duì)厚鋼板焊接組合構(gòu)件及框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。 首先基于熱-力間接耦合法，研發(fā)了適用于厚板多維多道焊接的子程序DFLUX，并對(duì)不同類型Q345厚鋼板的對(duì)接焊縫殘余應(yīng)力進(jìn)行了三維有限元分析以及實(shí)測(cè)研究，建立了厚板構(gòu)件殘余應(yīng)力的數(shù)值模型，分析了不同截面形式厚鋼板構(gòu)件不同形式荷載作用下的靜力和滯回性能；提出了便于工程應(yīng)用的殘余應(yīng)力簡(jiǎn)化計(jì)算方法，并進(jìn)行了精度驗(yàn)證。研究表明，厚鋼板焊接殘余應(yīng)力主要分布在焊縫及其熱影響區(qū)（HAZ）范圍內(nèi)，并以縱向拉應(yīng)力為主；殘余應(yīng)力峰值以及焊接殘余應(yīng)力對(duì)焊縫區(qū)損傷值的影響隨著板厚度的增加而增加，殘余應(yīng)力可使得構(gòu)件提前進(jìn)入塑性，但由于塑性重分布的作用，殘余應(yīng)力對(duì)構(gòu)件承載能力和滯回性能的影響很小。 基于塑性累積應(yīng)變的損傷模型和不可逆熱力學(xué)損傷模型，借助ABAQUS軟件的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，研發(fā)了適用于不同單元類型的損傷本構(gòu)子程序UMAT，探討了焊接厚鋼板組合構(gòu)件在復(fù)雜外荷載作用下的損傷演化規(guī)律及其對(duì)厚板力學(xué)性能的影響，并對(duì)高厚比、寬厚比等參數(shù)做了分析。將分析推廣到結(jié)構(gòu)層次，建立了箱型厚板構(gòu)件組成的框架數(shù)值模型，研究了其靜力性能和滯回性能。研究表明，材料累積損傷會(huì)造成構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的剛度退化，滯回環(huán)面積減小，耗能能力降低?？傮w來(lái)說(shuō)，損傷的影響作用比殘余應(yīng)力的影響作用更為顯著。同時(shí)，為了深入了解厚鋼板材料的損傷機(jī)理，完成了適合于厚板鋼材的材性試驗(yàn)。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到厚板Z向和橫向的不同力學(xué)性能及其損傷演化規(guī)律。試驗(yàn)表明，隨著塑性應(yīng)變的累積，材料性能退化嚴(yán)重。 此外，基于上述研究成果及已完成的工作，對(duì)腹板開(kāi)圓孔鋼框架的動(dòng)力性能進(jìn)行了研究。建立了考慮樓板組合效應(yīng)以及腹板開(kāi)圓孔對(duì)構(gòu)件產(chǎn)生削弱影響的塑性鉸模型，研究了樓板組合效應(yīng)對(duì)腹板開(kāi)圓孔組合構(gòu)件整體抗震性能的影響規(guī)律。研究表明，考慮混凝土樓板的組合效應(yīng)以后，結(jié)構(gòu)的剛度增加，使得梁腹板開(kāi)圓孔的削弱對(duì)結(jié)構(gòu)整體性能的影響減小。 2100433B

高強(qiáng)度厚板焊接組合鋼構(gòu)件是近年來(lái)重大鋼結(jié)構(gòu)工程經(jīng)常采用的構(gòu)件形式。隨著構(gòu)件所用鋼板厚度的增加，其板內(nèi)與焊縫處的缺陷、裂紋敏感性迅速增加，構(gòu)件的性能表現(xiàn)較一般構(gòu)件復(fù)雜得多。此類構(gòu)件損傷機(jī)理與滯回性能的描述和模擬是預(yù)測(cè)重大鋼結(jié)構(gòu)工程在強(qiáng)震下災(zāi)變效應(yīng)與破壞過(guò)程的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。本項(xiàng)目將高強(qiáng)厚板焊接組合鋼構(gòu)件的損傷機(jī)理及其演化模型的建立為研究目標(biāo)，完成高強(qiáng)厚鋼板及其焊縫的主要力學(xué)性能試驗(yàn)，完成高強(qiáng)度厚板焊接組合鋼構(gòu)件縮尺模型的循環(huán)加載試驗(yàn)；通過(guò)理論分析和數(shù)值手段，并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，探索高強(qiáng)厚板焊接組合鋼構(gòu)件的動(dòng)力損傷機(jī)理并提煉損傷擴(kuò)展、累積、破壞特征，研究損傷退化規(guī)律；建立可以考慮損傷累積的厚板焊接組合鋼構(gòu)件滯回模型，揭示其破壞破壞模式，為進(jìn)行重大鋼結(jié)構(gòu)工程在強(qiáng)震作用下整體結(jié)構(gòu)性態(tài)與災(zāi)變?nèi)^(guò)程的正確描述以及結(jié)構(gòu)失效模式的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提供科學(xué)基礎(chǔ)。

如圖2所示，一切處于鐵電態(tài)的陶瓷材料都有電滯回線，只是電滯回線的形狀有長(zhǎng)短寬窄之分。電滯回線面積通常與鐵電介質(zhì)的損耗成正比，該能量損耗用來(lái)克服自發(fā)極化改變方向和克服雜質(zhì)、晶界等缺陷對(duì)疇壁運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的“摩擦阻力”。因此，對(duì)于結(jié)構(gòu)完整的單晶，因介電損耗小而使電滯回線較窄；對(duì)于存在缺陷和應(yīng)力復(fù)雜的多晶陶瓷體，則電滯回線較寬。

電滯回線能夠比較直觀的反應(yīng)最大極化強(qiáng)度、剩余極化強(qiáng)度、矯頑電場(chǎng)等值的大小，并且能夠根據(jù)電滯回線積分計(jì)算得出該材料的儲(chǔ)能密度。

圓鋼管構(gòu)件力學(xué)性能好、應(yīng)用廣泛,但強(qiáng)震中圓鋼管及其構(gòu)建空間結(jié)構(gòu)體系仍有破壞，說(shuō)明其地震破壞機(jī)理尚未透徹，相應(yīng)抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和技術(shù)措施仍需完善。目前圓鋼管軸心受力構(gòu)件抗震性能研究較多，壓彎構(gòu)件空間滯回特性亦有涉及，但均未考慮管材和加工工藝對(duì)低周疲勞特性的影響，缺乏從微觀反映構(gòu)件損傷形態(tài)和變化的材料模型，且未根據(jù)空間結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)特性考慮桿件軸力變化。因此，本項(xiàng)目擬建立合理體現(xiàn)屈服平臺(tái)、包辛格效應(yīng)、強(qiáng)化及累積損傷影響的GTN鋼材損傷模型，分別以熱軋、冷彎低合金和不銹鋼構(gòu)件為研究對(duì)象，選取常用幾何和設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)其軸向拉壓、常軸力壓彎尤其變軸力壓彎復(fù)雜受力狀態(tài)滯回性能進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)分析，輔以試驗(yàn)，揭示其損傷破壞機(jī)理，提煉恢復(fù)力模型，力圖真正實(shí)現(xiàn)材料、構(gòu)件乃至結(jié)構(gòu)的多尺度精確全過(guò)程分析，給出合理抗震設(shè)計(jì)建議。項(xiàng)目成果對(duì)完善鋼管結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法和理論、科學(xué)模擬其動(dòng)力災(zāi)變過(guò)程、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)既有結(jié)構(gòu)安全性尤為重要。

雙電滯回線，反應(yīng)反鐵電體在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，極化強(qiáng)度P與外電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系曲線。是反鐵電體的宏觀特征。對(duì)反鐵電體，在開(kāi)始施加電場(chǎng)時(shí)，極化強(qiáng)度隨電場(chǎng)強(qiáng)度呈線性增加，介電系數(shù)幾乎不隨場(chǎng)強(qiáng)而變。但當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)增高到臨界電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，極化強(qiáng)度隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加開(kāi)始呈明顯的非線性變化，電場(chǎng)強(qiáng)度增加到臨界飽和強(qiáng)度時(shí)，又接近線性變化。