Q460C高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材循環(huán)加載試驗(yàn)研究

施 剛 王 飛 戴國(guó)欣 王元清 石永久

(1清華大學(xué)土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

(2重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400045)

我國(guó)大部分地區(qū)處于地震影響區(qū)，地震作用是結(jié)構(gòu)分析計(jì)算和設(shè)計(jì)中需要考慮的重要因素.多高層鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下承受循環(huán)往復(fù)荷載作用.而鋼材在循環(huán)荷載下將出現(xiàn)循環(huán)硬化、循環(huán)軟化以及包辛格效應(yīng)和材料的累積損傷，這使得鋼材在循環(huán)和單調(diào)荷載下的本構(gòu)響應(yīng)有區(qū)別，同時(shí)鋼材的循環(huán)加載歷史對(duì)鋼材的循環(huán)性能也會(huì)產(chǎn)生一定影響［1］，因此鋼材的循環(huán)響應(yīng)是研究鋼結(jié)構(gòu)抗震性能的基礎(chǔ).為了反映鋼材在循環(huán)荷載作用下不同于單調(diào)加載下的本構(gòu)響應(yīng)，常用的本構(gòu)模型主要有理想彈塑性模型、各向同性強(qiáng)化模型及隨動(dòng)強(qiáng)化模型，但大都比較簡(jiǎn)單，不能真實(shí)地反映鋼材的循環(huán)塑性性能.由Hodge等［2-3］提出的混合強(qiáng)化模型較好地反映了鋼材循環(huán)本構(gòu)響應(yīng).

目前，高強(qiáng)度鋼材已經(jīng)在我國(guó)成功應(yīng)用于多個(gè)建筑鋼結(jié)構(gòu)工程［4］，但國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究還很少［5-7］，特別是對(duì)高強(qiáng)度鋼材在循環(huán)荷載作用下受力性能的研究還很缺乏.本文對(duì)國(guó)產(chǎn)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材Q460C在單調(diào)荷載和各種循環(huán)加載制度下的性能進(jìn)行試驗(yàn)，以期研究此類鋼材在循環(huán)荷載下的本構(gòu)模型，并希望利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定此類鋼材在循環(huán)作用下的混合強(qiáng)化模型，對(duì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼材以及結(jié)構(gòu)的抗震性能研究提供基礎(chǔ)依據(jù).

1 試驗(yàn)概況

本文試驗(yàn)采用Q460C鋼(舞陽鋼鐵公司)，其力學(xué)性能和化學(xué)成分如表1、表2所示.試驗(yàn)中采用的試件尺寸如圖1所示，共有16個(gè)試件，試件實(shí)物照片如圖2所示.加載裝置如圖3所示.所有加載制度如表3和圖4所示，共有12種加載制度，其中加載制度6的試件BM3-4為表面未處理試件，其余試件的表面均經(jīng)過銑床處理，2種試件對(duì)比如圖2所示.采用拉壓引伸儀測(cè)量應(yīng)變，引伸儀標(biāo)距20 mm，拉量程0.50，壓量程0.25，試驗(yàn)中采用手動(dòng)位移控制加載，故試驗(yàn)中實(shí)際加載曲線的加載值和預(yù)期加載制度會(huì)有一定差異，但最大不超過0.05.

圖4 加載制度示意圖

表1 Q460C力學(xué)性能

表2 Q460C化學(xué)成分 %

圖1 Q460C試件尺寸(單位:mm)

圖2 試件表面處理

圖3 加載裝置

表3 試件循環(huán)加載制度

2 結(jié)果和分析

2.1 單調(diào)加載結(jié)果

單調(diào)拉伸和壓縮的試件力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)如表4所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示.單調(diào)拉伸的力學(xué)參數(shù)和表1的材性試驗(yàn)結(jié)果有差異，這主要是因?yàn)椴男栽囼?yàn)采用的試件尺寸和本文的尺寸不同.本文為進(jìn)行單調(diào)加載和循環(huán)加載下的力學(xué)性能比較，采用與循環(huán)加載尺寸相同的試件.單向壓縮試件由于試件發(fā)生屈曲，未能測(cè)得后期的應(yīng)變，其中試件BM2-1由于加載時(shí)引伸儀打滑，未能測(cè)到有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，故參數(shù)無效.

圖5 單調(diào)加載應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從表4可以看出，單向壓縮時(shí)的屈服強(qiáng)度和最大強(qiáng)度值都比單向拉伸時(shí)大，這可能是由于試件壓縮時(shí)截面橫向變形使得截面面積增加，承載力反而提高了，但其最大強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的應(yīng)變小于單調(diào)拉伸時(shí)的應(yīng)變.鋼材的屈服強(qiáng)度比在0.74～0.78之間.單向拉伸時(shí)，試件的斷裂應(yīng)變?chǔ)舊在0.45左右，表明該鋼材延性和變形能力很好，但低于之前已經(jīng)完成試驗(yàn)的Q460D試件.

表4 試件單調(diào)加載力學(xué)性能參數(shù)

2.2 循環(huán)加載結(jié)果

在目前廣泛應(yīng)用的數(shù)值模擬手段中，一般采用鋼材一維應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線(兩折線或三折線模型)，但是，上述方法對(duì)鋼材在循環(huán)荷載下的力學(xué)行為模擬卻并不是十分準(zhǔn)確，再加載曲線有較大的出入(見圖6).

圖6 正則化鋼材單調(diào)循環(huán)曲線

當(dāng)發(fā)生較大屈曲變形導(dǎo)致引伸儀無法測(cè)量時(shí)所有循環(huán)加載試件停止循環(huán)加載，然后將試件直接拉斷.圖7所示為所有循環(huán)加載制度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，表5為所有循環(huán)加載試件的力學(xué)性能統(tǒng)計(jì).其中BM3-1～4的4種對(duì)稱循環(huán)加載制度的曲線飽滿，表明抗震性能良好.隨著應(yīng)變?cè)黾?，后期?yīng)力也不斷上升，發(fā)生循環(huán)硬化，最后逐漸穩(wěn)定.滯回圈數(shù)越多，延性下降越多，每一圈的受壓切線模量也會(huì)有所遞減.

圖7 循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

BM3-1經(jīng)過預(yù)加的塑性拉應(yīng)變后，壓縮屈服應(yīng)力小于圖5(b)單向壓縮屈服應(yīng)力;每級(jí)循環(huán)2圈的試件BM3-2其壓縮屈服應(yīng)力下降更多;BM3-3經(jīng)過預(yù)加的塑性壓應(yīng)變后，拉伸屈服應(yīng)力小于圖5(a)單向拉伸屈服應(yīng)力，出現(xiàn)包辛格效應(yīng)，反映了鋼材在塑性應(yīng)變作用下的各向異性過程.

從表5可以看出，BM3-2，BM3-3的應(yīng)變?chǔ)舥，εf比BM3-1，BM3-4小，其中BM3-2由于每級(jí)循環(huán)2圈，循環(huán)塑性損傷積累嚴(yán)重，使得延性急劇下降.試件BM3-1和BM3-4加載制度完全相同，但是試件表面處理方法不同，比較結(jié)果表明，其在循環(huán)荷載下的性能差別很小.

試件BM4-1經(jīng)過17圈的等幅加載，斷裂時(shí)的應(yīng)變?yōu)?.019 3，是所有試件中延性最差的.BM5-1的加載方式和BM3-1正好相反，但從圖7兩者的滯回曲線和表5中兩者的循環(huán)參數(shù)來看，其滯回性能和延性有差別，但差別不大.BM6-1試件初始拉伸時(shí)，彈性段很短且未出現(xiàn)屈服平臺(tái)，這具有一定的偶然性，但后期加載和卸載時(shí)的斜率基本一致.由BM8-1和BM8-2相比可以得到，初始應(yīng)變更大的試件BM8-2后期應(yīng)力增加更少一些，這說明試件的滯回性能和先前的加載歷史會(huì)有一定關(guān)系，但同時(shí)有研究表明［1］，如果在足夠多的固定應(yīng)變幅作用下，不論先前的加載歷史如何，滯回曲線的最大應(yīng)力最終都會(huì)趨于循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變骨架曲線上與該應(yīng)變幅相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力.

表5 試件循環(huán)加載力學(xué)性能參數(shù)

總的來說，高強(qiáng)度鋼材的滯回準(zhǔn)則和特性與普通鋼材類似，表現(xiàn)出各向同性強(qiáng)化以及隨動(dòng)強(qiáng)化的混合模式，遵循混合強(qiáng)化準(zhǔn)則.與普通鋼材相比，高強(qiáng)度鋼的包辛格效應(yīng)更為顯著.再加載曲線為明顯的曲線形式，即“剛度軟化”現(xiàn)象，與通常假定的兩折線模型有較大區(qū)別.再加載指向遵循“峰值指向”準(zhǔn)則，這與普通鋼材相似.

2.3 電鏡掃描結(jié)果對(duì)比

鋼材在循環(huán)荷載作用下的塑性變形也可以從試件的斷口微觀形貌特征上加以觀察.如圖8所示的電鏡試驗(yàn)，可以看到一些大小不等的圓形或橢圓形的凹坑-韌窩，這種情況下一般可判斷為延性斷裂，其中循環(huán)加載試件與單調(diào)加載試件相比，塑性變形越大，韌窩則更大更深.

圖8 電鏡掃描

2.4 單調(diào)曲線和循環(huán)骨架曲線比較

鋼材在循環(huán)荷載作用下內(nèi)部組織發(fā)生堆疊錯(cuò)位，而且由于發(fā)生循環(huán)硬化和軟化使得循環(huán)下的骨架曲線和單調(diào)作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出不一樣的性質(zhì)［8］.本文按照

中的Ramberg-Osgood［9］模型對(duì)各種循環(huán)加載制度下的骨架曲線進(jìn)行了擬合，為方便與單調(diào)加載下的曲線比較，試件BM3-1～4根據(jù)式(1)的變形公式

進(jìn)行擬合.從圖9中可以看出擬合效果良好，循環(huán)硬化使得鋼材的強(qiáng)度提高，隨著后期應(yīng)變幅的增加，部分加載制度下的骨架曲線強(qiáng)度下降，發(fā)生循環(huán)軟化現(xiàn)象.表6為根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)定的公式參數(shù)，其中待定參數(shù)K'(循環(huán)強(qiáng)度系數(shù))和n'(循環(huán)應(yīng)變硬化指數(shù))變化不大，平均值分別為887.90和0.114 6，可以作為此類鋼材循環(huán)骨架曲線的統(tǒng)一參數(shù)，即

表6 試件循環(huán)強(qiáng)化參數(shù)

圖9 循環(huán)骨架曲線和單調(diào)曲線比較

3 本構(gòu)模擬

［10］提出了混合強(qiáng)化模型，利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)鋼材循環(huán)荷載下的滯回曲線進(jìn)行了有限元模擬，利用循環(huán)加載試件BM3-1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型中的待定參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定.由于不同的應(yīng)變幅將影響試驗(yàn)結(jié)果，故本文采用多背應(yīng)力疊加的方法擬合曲線，取2種應(yīng)變幅的參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，結(jié)果如表7所示，有限元模擬和試驗(yàn)結(jié)果的比較如圖10所示.

圖10 試驗(yàn)曲線和有限元曲線比較

表7 試驗(yàn)試件參數(shù)校準(zhǔn)

4 結(jié)論

1)Q460C高強(qiáng)度鋼材在循環(huán)荷載作用下發(fā)生包辛格效應(yīng)，各種循環(huán)加載制度下滯回環(huán)飽滿、穩(wěn)定，試件斷口掃描顯示為延性斷裂，表明該種鋼材具有良好的耗能能力和抗震性能，適用于建筑鋼結(jié)構(gòu).

2)Q460C高強(qiáng)度鋼材循環(huán)荷載作用下發(fā)生循環(huán)硬化和軟化，各種循環(huán)加載制度下的骨架曲線可以采用Ramberg-Osgood模型，且本文標(biāo)定了其模型參數(shù).

3)利用有限元分析軟件ABAQUS和采用本文標(biāo)定的材料參數(shù)，能很好地模擬Q460C高強(qiáng)度鋼材在各種循環(huán)加載制度下的滯回性能，這為準(zhǔn)確分析高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力性能提供了前提條件.

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