高强厚板焊接组合钢构件损伤机理与滞回性能研究

本课题从焊接残余应力和损伤累积两个方面对厚钢板焊接组合构件及框架结构进行了研究。 首先基于热-力间接耦合法，研发了适用于厚板多维多道焊接的子程序DFLUX，并对不同类型Q345厚钢板的对接焊缝残余应力进行了三维有限元分析以及实测研究，建立了厚板构件残余应力的数值模型，分析了不同截面形式厚钢板构件不同形式荷载作用下的静力和滞回性能；提出了便于工程应用的残余应力简化计算方法，并进行了精度验证。研究表明，厚钢板焊接残余应力主要分布在焊缝及其热影响区（HAZ）范围内，并以纵向拉应力为主；残余应力峰值以及焊接残余应力对焊缝区损伤值的影响随着板厚度的增加而增加，残余应力可使得构件提前进入塑性，但由于塑性重分布的作用，残余应力对构件承载能力和滞回性能的影响很小。 基于塑性累积应变的损伤模型和不可逆热力学损伤模型，借助ABAQUS软件的二次开发平台，研发了适用于不同单元类型的损伤本构子程序UMAT，探讨了焊接厚钢板组合构件在复杂外荷载作用下的损伤演化规律及其对厚板力学性能的影响，并对高厚比、宽厚比等参数做了分析。将分析推广到结构层次，建立了箱型厚板构件组成的框架数值模型，研究了其静力性能和滞回性能。研究表明，材料累积损伤会造成构件及结构的刚度退化，滞回环面积减小，耗能能力降低。总体来说，损伤的影响作用比残余应力的影响作用更为显著。同时，为了深入了解厚钢板材料的损伤机理，完成了适合于厚板钢材的材性试验。通过试验数据可以得到厚板Z向和横向的不同力学性能及其损伤演化规律。试验表明，随着塑性应变的累积，材料性能退化严重。 此外，基于上述研究成果及已完成的工作，对腹板开圆孔钢框架的动力性能进行了研究。建立了考虑楼板组合效应以及腹板开圆孔对构件产生削弱影响的塑性铰模型，研究了楼板组合效应对腹板开圆孔组合构件整体抗震性能的影响规律。研究表明，考虑混凝土楼板的组合效应以后，结构的刚度增加，使得梁腹板开圆孔的削弱对结构整体性能的影响减小。 2100433B

高强度厚板焊接组合钢构件是近年来重大钢结构工程经常采用的构件形式。随着构件所用钢板厚度的增加，其板内与焊缝处的缺陷、裂纹敏感性迅速增加，构件的性能表现较一般构件复杂得多。此类构件损伤机理与滞回性能的描述和模拟是预测重大钢结构工程在强震下灾变效应与破坏过程的关键科学问题之一。本项目将高强厚板焊接组合钢构件的损伤机理及其演化模型的建立为研究目标，完成高强厚钢板及其焊缝的主要力学性能试验，完成高强度厚板焊接组合钢构件缩尺模型的循环加载试验；通过理论分析和数值手段，并结合试验结果，探索高强厚板焊接组合钢构件的动力损伤机理并提炼损伤扩展、累积、破坏特征，研究损伤退化规律；建立可以考虑损伤累积的厚板焊接组合钢构件滞回模型，揭示其破坏破坏模式，为进行重大钢结构工程在强震作用下整体结构性态与灾变全过程的正确描述以及结构失效模式的准确预测提供科学基础。

如图2所示，一切处于铁电态的陶瓷材料都有电滞回线，只是电滞回线的形状有长短宽窄之分。电滞回线面积通常与铁电介质的损耗成正比，该能量损耗用来克服自发极化改变方向和克服杂质、晶界等缺陷对畴壁运动所产生的“摩擦阻力”。因此，对于结构完整的单晶，因介电损耗小而使电滞回线较窄；对于存在缺陷和应力复杂的多晶陶瓷体，则电滞回线较宽。

电滞回线能够比较直观的反应最大极化强度、剩余极化强度、矫顽电场等值的大小，并且能够根据电滞回线积分计算得出该材料的储能密度。

圆钢管构件力学性能好、应用广泛,但强震中圆钢管及其构建空间结构体系仍有破坏，说明其地震破坏机理尚未透彻，相应抗震设计准则和技术措施仍需完善。目前圆钢管轴心受力构件抗震性能研究较多，压弯构件空间滞回特性亦有涉及，但均未考虑管材和加工工艺对低周疲劳特性的影响，缺乏从微观反映构件损伤形态和变化的材料模型，且未根据空间结构地震响应特性考虑杆件轴力变化。因此，本项目拟建立合理体现屈服平台、包辛格效应、强化及累积损伤影响的GTN钢材损伤模型，分别以热轧、冷弯低合金和不锈钢构件为研究对象，选取常用几何和设计参数，对其轴向拉压、常轴力压弯尤其变轴力压弯复杂受力状态滞回性能进行系统参数分析，辅以试验，揭示其损伤破坏机理，提炼恢复力模型，力图真正实现材料、构件乃至结构的多尺度精确全过程分析，给出合理抗震设计建议。项目成果对完善钢管结构抗震设计方法和理论、科学模拟其动力灾变过程、准确评价既有结构安全性尤为重要。

双电滞回线，反应反铁电体在强电场作用下，极化强度P与外电场强度E的关系曲线。是反铁电体的宏观特征。对反铁电体，在开始施加电场时，极化强度随电场强度呈线性增加，介电系数几乎不随场强而变。但当场强增高到临界电场强度时，极化强度随电场强度的增加开始呈明显的非线性变化，电场强度增加到临界饱和强度时，又接近线性变化。