基于微观机理的高强钢结构材料与节点的断裂性能研究

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1、基于微观机理的高强钢结构材料与节点的断裂性能研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：土木工程系学科：土木工程研究生：刘希月指导教师：王元清教授二○一五年六月InvestigationsonFractureBehavioursofHighStrengthSteelMaterialsandConnectionsBasedonMicromechanicalModelsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhil

2、osophyinCivilEngineeringbyLiuXiyueDissertationSupervisor:ProfessorWangYuanqingJune,2015摘要摘要高强度钢材以其显著的优势在国内外实际工程中得到了成功应用，但应用中仍面临低温冷脆、屈强比增大、延性降低和焊接连接等问题。本文基于高强度钢材的断裂微观机理，以大量的试验研究为基础，结合数值计算和理论分析，从材料材性、典型构造和梁柱节点三个层面对高强度钢材钢结构的断裂性能展开了系统研究，主要研究工作和成果如下：（1）对国产高强度结构钢材及其对接焊缝共计120个材性试件进行了一系列的低温拉伸、冲击

3、、三点弯断裂韧性及电镜扫描试验，系统研究了高强度焊接钢材在低温下的力学性能、韧性性能及断裂微观机理，分析了钢材强度对其断裂性能的影响，为高强钢结构选材和考虑低温的防脆断设计提供了丰富的材性数据。（2）基于微观机理提出断裂预测模型，通过54个缺口圆棒和12个光滑圆棒的单调拉伸和低周疲劳试验，结合有限元分析，建立了460MPa高强度钢材及其焊缝的单调拉伸及循环本构模型，标定了微观机理模型中的材料韧性参数，以及循环荷载下的损伤退化系数。结果表明韧性参数与屈强比没有明显关联，而与塑性指标存在一定关系。研究为后续高强钢结构节点的断裂性能分析提供了必要基础。（3）选取代表实际梁柱节

4、点局部焊接构造的典型十字型焊接接头试件，采用对接熔透焊和角焊缝两种焊缝类型，完成了20个高强度钢材典型焊接节点在单调拉伸和往复加载下的断裂性能试验，探讨了焊缝类型、荷载类型及钢材强度对其断裂性能的影响，为发展高强度钢材焊接节点的断裂分析模型提供了依据。（4）完成了4个高强钢框架栓-焊混接梁柱节点足尺试件的往复加载试验，包括4种不同的构造细节，分析了焊接工艺细节及节点局部构造对高强钢框架梁柱节点低周疲劳断裂性能的影响，得到相应节点试件断裂性能指标，为发展适用于强震作用下高强度钢结构梁柱节点的高应变低周疲劳断裂预测模型提供了依据。（5）基于本文中高强钢典型焊接接头和高强钢框

5、架梁柱节点的试验研究，建立了节点精细化有限元模型，应用微观机理模型和结构多尺度模型相结合的断裂预测模型对高强钢梁柱节点的低周疲劳断裂性能进行了分析。研究验证了微观机理模型对于高强钢梁柱节点延性断裂预测的有效性，以及模型对于不同几何构造的普遍适用性，为高强钢结构节点的低周疲劳断裂分析提供了一种有效分析方法。关键词：高强度钢材；焊接节点；微观机理模型；断裂性能；低周疲劳IAbstractAbstractHighstrengthsteel(HSS)hasbeensuccessfullyappliedinpracticalsteelstructuresasitsprominen

6、tsuperiorities.However,itsapplicationsarerestrictedastheissuesofbrittlefractureatlowtemperature,highyieldratio,lowductilityandwelding,etc.Basedonthefracturemechanismofsteel,alargeamountofexperimentalinvestigationsandnumericalanalysiswerecarriedouttostudythefracturebehaviorofHSSstructures

7、throughinvestigationsofbeam-to-columnconnection,localconnectiondetailsandmaterials.Themainresearchworksandresultscoveredinthisdissertationareasfollows:(1)Aseriesoftests(suchasuniaxialtensiletest,Charpyimpacttestandthree-pointbendingtest)werecarriedoutatlowtemperaturetoinv