【摘 要】
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高强度钢材（屈服强度≥460MPa）相对于普通强度钢材来说,具有明显的高强、轻质、经济等优势,但同时高强度钢材屈强比增大,变形能力减小,其断裂问题更为突出。在强震作用下,钢结构节点常发生超低周疲劳断裂破坏,即在循环次数极少的情况下,节点处钢材经历较大的塑性变形并发生断裂破坏。开展高强度钢材和焊接接头的超低周疲劳断裂分析,可为评价强震下高强度焊接钢结构的断裂破坏提供重要的依据。本文以国产Q690D高
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高强度钢材（屈服强度≥460MPa）相对于普通强度钢材来说,具有明显的高强、轻质、经济等优势,但同时高强度钢材屈强比增大,变形能力减小,其断裂问题更为突出。在强震作用下,钢结构节点常发生超低周疲劳断裂破坏,即在循环次数极少的情况下,节点处钢材经历较大的塑性变形并发生断裂破坏。开展高强度钢材和焊接接头的超低周疲劳断裂分析,可为评价强震下高强度焊接钢结构的断裂破坏提供重要的依据。本文以国产Q690D高强度结构钢材及ER80-G实心焊丝焊缝金属为研究对象,设计了21个表征不同应力状态的圆棒和板状试样,开展了试样的静力和超低周疲劳试验;为分析梁柱全焊接和端板连接的局部焊接构造,设计了十字形焊接接头、T型焊接接头和漏斗T型焊接接头试样,对试样进行单调加载和超低周循环加载制度下的断裂破坏试验。并应用微观断裂力学理论结合ABAQUS有限元软件对试样的断裂进行了有限元模拟分析。研究结果如下:（1）试验研究结果表明,Q690D高强钢材与普通钢材相比,强度提高,但变形能力和超低周疲劳寿命显著下降。基于扫描电镜试验,Q690D钢材和焊缝金属圆棒试样断口呈现出明显的等轴韧窝形貌,纯剪切试样断口呈现明显的剪切韧窝形貌。（2）考虑Lode参数影响的循环微孔扩展模型（LCVGM）可用于钢材的超低周疲劳断裂预测,基于Q690D钢材和焊缝金属圆棒试样和板状试样的试验结果,在借助有限元分析的基础上,校准了材料的模型参数,预测了纯剪切试样的超低周疲劳寿命,取得了良好的预测精度。（3）试验结果表明十字型接头断面呈现剪切破坏的形貌,T型接头和漏斗T型接头断面呈现拉剪破坏的形貌。焊缝形式、腹板宽度、螺栓数量对T型焊接接头疲劳寿命影响不明显,角焊缝和熔透焊对试样承载能力影响很小,因此从施工经济性和施工难易方面考虑,工程中Q690D高强度钢材的焊接接头推荐采用角焊缝形式。另外,漏斗T型焊接件累积耗能远大于T型焊接接头,粘滞阻尼系数同样大于T型焊接接头,其在地震作用下可以更好地耗散能量,对结构的抗震性更有利。（4）借助ABAQUS软件的用户材料子程序,将LCVGM模型移植到有限元软件中。基于Q690D钢材及焊缝金属的LCVGM模型,对3类焊接接头的断裂破坏进行有限元模拟预测分析。计算得到裂纹起始位置、断面发生位置和断口形貌与试验一致,并且预测的焊接接头的极限位移和疲劳寿命也与试验结果吻合,验证了LCVGM模型用于高强度焊接接头超低周疲劳断裂预测的适用性。另外,通过对比LCVGM模型和CVGM模型的预测结果,可以看出未考虑Lode参数影响的CVGM模型会过高地估算焊接接头的变形能力,使得预测结果偏于危险。
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