通过使用基于断裂模型的微观力学进行的钢梁与柱连接的非常低的循环疲劳预测外文翻译资料

英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

通过使用基于断裂模型的微观力学进行的钢梁与柱连接的非常低的循环疲劳预测

清华大学土木工程系国家教育耐久与安全土木工程主要实验室

摘要：梁与柱钢抗弯框架的连接在地震时可能会遭受非常低周疲劳的影响。循环孔洞增长模型这种基于断裂模型的微观力学，被用来预测梁柱连接的极低周疲劳断裂。模型的有效性通过九个与原物大小一样的连接测试的实验结果来证实。此外，精确的有限元模型被用来模拟连接测试循环行为，并且循环孔洞增长模型断裂指标是基于应力和应变时程来计算的。由循环孔洞增长模型预测的极低周疲劳断裂的周期和累积变形与实验结果很好地吻合。所提出的方法论对于预测在非弹性循环荷载作用下梁柱连接的极低周疲劳断裂，表现出了合理良好的精确性。

关键词：极低循环疲劳 梁柱连接 断裂 循环加载 循环孔洞增长模型

1.引言

大量的钢结构连接在1994年的北岭地震和1995年阪神大地震中遭受到脆性断裂。在焊接梁柱钢抗弯框架连接以及甚至是钢梁刚框架墩中可以观察到脆性破坏。地震引发的断裂可以归类于极低循环疲劳破坏，它有着极大的非弹性应变振幅（屈服应变的几倍）和极少的断裂循环（通常少于10或者20个循环）的特点。极低周疲劳不同于常规的高循环疲劳（需要超过10⁴次循环失效，其中应力低于屈服强度）或者低循环疲劳（10²-10⁴次循环失效，其中应变超过屈服应变）。更重要的是，在钢结构屈服于严重的地震时这种破坏通常处于极限控制状态。

人们考虑传统的基于断裂力学指标（例如应力强度因子K，裂纹尖端张开位移和J积分）的破坏和疲劳模型来提供精确的方法来预测伴随有限的可塑性的高度受限裂纹尖端区域的断裂和疲劳。然而，在用传统的断裂机制和疲劳模型估计遭受大振幅循环加载时梁柱连接的极低周疲劳断裂时仍然由一些限制。首先，由于极低周疲劳导致的韧性断裂与大规模的屈服有关，但是在这种情况下应力强度因子变化Delta;K和J积分变化Delta;J变得无效。其次，基于Delta;K或Delta;J相应的方法都需要一个真正的或假定初始的裂纹存在，而这一点对于北岭地震后新设计的梁柱连接几乎是不存在的。最后，伴随着很少循环的极低周疲劳的荷载时程是特别随机的，这使得它们很难适应为高和低周疲劳而开发的技术，比如雨流循环计数法和应变寿命方法。

人们努力进行研究来发展可以预测钢材和结构件的极低周疲劳断裂的方法。Kuwamura等人做了承受单调加载的一个缺口圆棒的韧性裂纹萌生的实验，而且人们提议断裂前滞后循环加载的相似规律来建立振幅和断裂周期之间的关系。Sakano 等人做了一系列承受持续幅荷载的钢梁柱节点和桥墩基础节点的极低周疲劳的测试。调查低循环弯曲的方形和矩形钢筋疲劳特性的实验是由Liu等人进行的，并且得出结论当用于预测小周期下随机载荷弯曲疲劳时，持续循环加载的测试结果可能会导致较大的误差。Tateishi等人开发了一种图像技术，用来测试碱金属，焊接金属，热影响区的极低周疲劳强度，并且一种基于极低周疲劳寿命预估模型的损坏方法也得到了提出和验证。

近日，更广义的基于模型的微观力学，如虚空增长模型（VGM）和循环空洞增长模型（CVGM），被开发来分别预测由于单调和循环荷载作用下的裂缝的产生。CVGM模型的精度是由一系列的钝缺口紧凑拉伸试样和哑铃形钢试样的循环测试证实的，同时适用性是由焊接钢管柱底板连接的循环试验证明的。另外，在钢支撑框架构件的局部压曲区域可以用CVGM模型来预测极低周疲劳断裂。而且，人们建立了一种基于低周疲劳和微观力学的概念的方法来预测地震荷载作用下焊接梁与柱连接的疲劳寿命。根据这种方法，累计裂纹长度是由应变和应力三轴的时程来计算的（平均应力与von Mises应力的比）。

本研究扩展了之前对单调荷载下梁与柱连接的循环荷载裂缝预测的研究成果。人们对极低周疲劳机制，控制方程和CVGM的模型参数进行了简要介绍。人们对九个等大的梁柱连接试样进行了测试，其中5个样品进行可变振幅循环载荷和四个经受恒定振幅循环载荷。另外，和CVGM共同集成的有限元模型用于预测无弹性循环荷载作用下梁与柱连接的极低周疲劳初始断裂。在预测断裂周期和达到极低周疲劳初始断裂的累积变形上，人们对测试结果和有限元分析结果进行了比较。

2.极低周疲劳机制和理论模型

2.1由于极低周疲劳的断裂机制

遭受极低周疲劳的结构钢涉及相当大的塑性应变和很小的失效循环（按照从10到20的顺序）。ELCF与传统的低周或包括几千或者数百万循环的高周疲劳明显不同。与滑动和脱粘等疲劳机制相比，控制极低周疲劳的根本机制更类似于单调断裂机制，比如微孔增长和聚合。极低周疲劳的机制是与韧性断裂相关的断裂-疲劳交互机制，这在之前是由Kuwamura等人提出，由Kanvinde和Deierlein证实。

韧性断裂的特征在于显著塑性变形和具有凹形，纤维状外观。从微观断裂机制的角度来看，结构钢的韧性断裂通常经历微孔成核，生长和聚结阶段。在单调拉伸荷载作用下，从孔洞长大和聚合产生的延性起裂是与孔洞周围的塑性应变和应力三轴有关的，这是公认的。并且基本假设是，延性破裂在临界空隙达到临界尺寸时开始。循环荷载作用下，断裂机制之间除了两个关键方面以外都很相似。第一个，孔洞在单调拉伸荷载作用下逐步增长，而循环荷载作用下孔洞随着正面和负面的应力三轴交替出现而扩张和收缩。第二个，由于循环加载，损伤在内部孔隙材料中累积，而且一个较小的临界孔隙尺寸（与单调拉伸载荷条件相比）可能引发孔隙聚结。因此，模拟超低周疲劳断裂的模型的关键点在于找到一个合适的破坏机理，可以准确地捕捉周期的孔洞增长和聚合的过程，以及退化的临界孔洞尺寸。

2.2对于单调加载的孔洞增长模型

基于前面Rice，Tracey，Hancock和Mackenzie的研究，Kanvinde等人研发了单调荷载下的孔洞增长模型（VGM）。对于在无限连续状态下的单个球形孔洞，单调拉伸载荷作用下孔洞增长率可以表示为：dr/r=Cexp(1.5T)dε_{p (1)}

_{其中r是瞬时孔洞半径，C是材料常数，T=} sigma;_m/sigma;_e是应力三轴，sigma;_m是平均应力，sigma;_e是有效应力（von Mises应力），是增量等效塑性应变。

整合式（1），在塑性拉伸偏移期间的总孔洞增长率（表示为瞬时孔洞半径r与初始孔隙半径r₀的比）可以表示为：

Ln（r/r₀）= (2)

假设孔洞增长成为断裂过程的控制步骤，当孔洞增长率达到其可以通过公式（3）来确定的临界值时产生延性裂纹:

(3)

ε_p^critical是在对应于孔洞聚结的断裂开始时的临界等效塑性应变。

用材料常数C分割式（3）并且通过eta;_monotonic来表示结果： （4）

其中eta;_monotonic代表孔洞增长“能力”， 它可以被视为由临界孔洞增长比确定的材料的韧性特性。

然后，基于该单调断裂指数的断裂标准可以由下式给出：

FI_monotonic= (5)

FI_monotonic反映了由孔洞增长“能力”划分得到的孔洞增长的“需求”。当它超过1.0时，预测韧性断裂开始发生。

2.3对于循环加载作用下的孔洞循环增长模型（CVGM）

对于反复荷载，等式（1）可以被修改为更一般的形式：

dr/r=sign(T)xCexp()dε_{p (6)}

sign(T)考虑了应力三轴T的感应。

根据等式（6），如果三轴T是正的，孔洞将在塑性变形下扩张，相反，如果是负的，孔洞将会收缩。三轴的幅度和等效塑性应变控制孔洞增长或收缩率。

整合式（6）在拉伸和压缩载荷作用下直到断裂开始，循环应变期间累积孔洞增长比的临界值可以表示为：

（7）

正三轴间隔期间的孔洞尺寸增大，负三轴的时间间隔内减小。等式（7）的右手侧的第一求和项代表在正三轴的所有周期的累积孔洞增长，这需要计算在各拉伸偏移开始和结束时塑性应变ε₁和ε₂之间的积分。第二项估计负三轴所有周期的总孔洞收缩。两个常数C1和C2被用于区分孔洞增长和收缩的不同的速率。

由于缺乏数据来分别确认孔洞增长和收缩的速率，假定C1 = C2= C。然后，由材料常数C分割式（7）并且用eta;_cyclic来表示结果，得到接下来的等式：

（8）

eta;_cyclic代表循环孔洞增长“能力”， 这被确定为单调加载作用下与其对应的降级分数，表示为：

（9）

其中，lambda;是物质的依赖性损伤性系数，可以通过单调和循环材料测试与互补的有限元分析相组合来确定。并且ε_c是被定义为压缩等效塑性应变的一个损伤变量，这个压缩等效塑性应变已累积了有关负载点的所有前述压缩循环。在等式（9）中，一个指数衰减函数用于单调荷载下降低材料能力到它的循环载荷作用下的相对应的程度，说明了孔洞间韧带损伤累积的原因。

根据等式（8），在循环荷载作用下的孔洞增长“需求”VGD_cyclic可定义为：

（10）

在循环荷载作用下，VGD_cyclic交替增加和减小，但由于负空隙尺寸使得它没有实际意义，所以仍然保持为非负数。因此，当由公式（10）所确定的计算结果减小到零以下时，它将保持为零，直到一个随后的拉伸循环增加这个值，使它大于零。

与单调拉伸负荷类似，预测当孔洞增长需求VGD_cyclic超过循环孔洞增长能力eta;_cyclic即循环断裂指数FI_cyclic大于等于1.0时发生循环荷载作用下极低周疲劳断裂，定义为：

FI_cyclic=VGD_cyclic/eta;_cyclic

然后，基于因为材料损伤累积而产生的循环增加的VGD_cyclic和渐渐减小的eta;_cyclic，可以建立用来预测屈服于大振幅循环荷载的极低周疲劳断裂的CVGM模型。

3.梁柱连接测试

3.1样本和材料

根据中国设计规范“钢结构设计规范”和“建筑抗震设计规范”设计和焊接九个等大的梁与柱连接样本。试样代表了钢抗弯框架的外部梁柱连接。根据FEMA-350，测试样本连接可分为完全约束的连接，一种通过资格预审的无钢筋凸缘- 螺栓网状焊接连接。正如在图1中展示得一样，样本包括一个内置了焊接H形梁截面和由普通结构钢Q345制成的焊接H形柱截面（名义屈服强度为345兆帕）。在测试的试样中使用的Q345钢板的机械性能见表1。使用强柱弱梁的理念来确保塑性铰的位置在梁的末端靠近柱。参照图1，无钢筋凸缘- 螺栓网状焊接连接使用完全焊透坡口焊缝（由熔化极气体保护焊接工艺进行）使梁的凸缘与柱的凸缘直接连接。这些连接的网络接头是用摩擦型高强度螺栓做成的，这些螺栓连接梁腹板到用角焊缝连接到柱凸缘的剪切标签。图1的插入物（细节A和B）描述了在梁翼缘到柱凸缘焊缝的顶部和底部，焊缝连接的孔的几何形状和焊缝细节。放在坡口焊缝下来支持熔融焊接金属的焊接垫板，为所有的需测试的连接而预留出来。人们进行超声波试验，以确保梁翼缘和柱凸缘之间的坡口焊缝达到所要求的质量。

图1梁柱连接测试的几何尺寸和焊接细节

图2 概略图和整体图

3.2实验装置和施加位移时程

概略图和实验装置及样本的整体图见图2。滚轮支架分别位于柱的两端，横向支撑安装在MTS促动器的下方，以防止梁的横向位移。由一个MTS致动器施加到柱上500KN的压缩预荷载，这是柱承载能力的10％左右。在地震激励作用下，柱的轴力变化很大，甚至可以达到在强震作用下的拉力。较低的轴力对柱的塑性影响不大，而强柱- 弱梁将保持不变。为了简便，给柱保持一个较低的，恒定的压缩力（500KN）并且这种较低的重力荷载标示出了可用来经受大地震的建筑物。另一个负载可达500

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[150238]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word