高强度钢材钢结构的脆性断裂机理和抗断设计理论研究

高强度钢材在建筑结构工程、桥梁工程和输电塔架工程中得到了广泛的应用，尽管如此，相对于普通强度钢结构而言，高强钢结构发生脆性断裂的倾向性更大，而且面临一系列的关键技术问题，如韧性降低与低温冷脆问题、高屈强比和低伸长率的问题、低周疲劳断裂破坏的问题等等。本项目采用试验和数值分析相结合的方法，从材料、焊缝和构造细节、构件与节点三个层面，系统研究了高强钢母材及焊接接头的力学、冲击韧性和断裂韧性性能；典型高强钢框架梁柱节点局部构造细节在拉伸和往复荷载下的断裂性能；高强钢框架栓-焊混接节点的低周疲劳断裂性能。提出了基于微观机理的断裂模型，进行节点延性断裂预测分析；并通过局部构造细节试验和足尺框架节点试验进行了验证，从而为高强钢结构节点的低周疲劳断裂分析提供了一种有效的分析方法。 本项目的为高强钢的研究提供了丰富的材性数据、还为高强度钢结构的防断设计以及抗震性能设计提供了新思路和参考依据。对钢结构设计规范的修订，以及推进高强钢结构的广泛应用，减少工程事故，都具有重要的理论意义和工程应用价值。 2100433B

高强度钢材能减轻结构自重、节约钢材，具有良好的社会经济效益。但由于高强度钢结构存在如下问题而限制了其推广应用：高强钢随屈服强度的提高，塑性降低、屈强比增大、韧性变差而脆性断裂倾向增大；结构的设计应力水平更高，由断裂力学可知其对裂纹缺陷更敏感；我国存在大范围的寒冷地区，低温下钢结构易发生脆性断裂。本申请项目采用理论分析、试验研究和数值模拟相结合的方法，从高强度钢结构的材料、焊缝和构造细节、构件和节点等三个层面开展逐渐深入的研究。积累高强度钢材及其连接焊缝低温力学性能和断裂韧性指标的试验数据；建立单调拉伸和循环荷载下，预测高强度钢结构断裂的两类模型，即基于传统断裂力学方法的模型和基于局部法的模型；进行典型焊接接头和梁柱节点的验证性试验，进而进行参数化分析，得到简化的断裂计算公式，提出较为完整的抗断设计理论。本项目的研究对高强度钢材钢结构的推广和我国节能减排、发展低碳经济目标的实现具有重要意义。

虽然由于裂纹的存在，材料在力学特性上呈现出非线性特征，但是脆性材料本身是弹性连续的，其裂尖的开裂过程可看做是连续的。因此在小范围屈服的条件下，裂尖的破坏和断裂过程仍可用线弹性力学理论加以解释和描述。

设A和B分别为裂纹尖端处裂尖径向方向上相邻的两个材料微单元体，其公共界面为节点3和节点4之间的连线。在荷载作用下裂尖应力场在微元A和B上的最大应力分别为

在某一组远场力系

在另外一组远场力系

由此可见，在脆性断裂时，裂纹开裂扩展方向并不是由材料的最大主应力、最大剪应力或最大屈服点所决定，而应考虑脆性断裂微过程传播的上述一致连续性特点 。

学科：工程地质学

词目：抗剪断强度

英文：shear strength

释文：

抗剪断强度是指土体抵抗剪切破坏的极限能力，是土的重要力学性质之一 。抗拉强度很小，可以忽略不计，但可以承受一定的剪力和压力。工程实践表明，建筑物地基和土工建筑物的破坏绝大多数属于剪切破坏、例如，建筑物地基的失稳,堤坝边坡的坍滑，所示，都是沿某一些面上的剪应力τ超过土的抗剪温度τf所造成；室内试验也表明，土样的破坏大多数是剪切破坏