考虑剪切效应的钢结构焊接节点超低周疲劳断裂微观机制与预测模型

Extremely low cycle fatigue fracture often occurs in steel structures during a strong earthquake. This fatigue failure is characterized by a few reverse loading cycles with large plastic strain amplitude and the fatigue crack initiates and propagates in the welded joint of steel structures. Most of the previous studies are focused on ductile fracture of welded joints under tensile stress dominant stress states and ignore the influence of shear stress. This project investigates the shear effect on the extremely low cycle fatigue failure of steel base metal and welded metal in the joints, using micromechanics analysis approaches. In this study, the influence of stress state on the microvoid deformation under extremely low cyclic load is analyzed, fracture mechanisms of extremely low cycle fatigue considering the shear effect is revealed, and micromechanics-based facture prediction model capturing shear effect is proposed. In addition, the fracture model is applied to simulate the crack initiation and propagation process of welded joints subjected to earthquake loading and it is also used to predict the different fatigue fracture model of joints. The project aims to develop the fundamental theory of prediction of extremely low cycle fatigue failure, which can provide a reliable numerical approach to analyze the crack resistant property of welded joints under seismic action.

在强烈地震作用下，钢结构焊接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，节点处钢材和焊缝金属经历较大的塑性变形，并伴随着裂纹的萌生和扩展，最终发生的断裂破坏现象。以往的研究针对拉伸为主的断裂破坏模式，而忽略了剪切效应的影响。本项目采用微观力学的分析方法，研究剪切作用对节点处钢材和焊缝金属超低周疲劳断裂破坏的影响。分析超低周循环荷载作用下，应力状态的变化对于微孔洞变形的影响，揭示考虑剪切效应的超低周疲劳断裂微观机理，探讨建立考虑剪切效应的超低周疲劳断裂预测模型。应用断裂模型数值模拟焊接节点在地震作用下裂纹起始以及扩展的全过程，预测焊接节点不同的断裂破坏模式。本项目旨在发展超低周疲劳断裂预测的基础理论，为分析地震作用下节点的抗裂性能提供可靠的数值手段。

强烈地震作用引起的断裂破坏是钢结构节点的一种重要失效模式，在这种循环次数极低的断裂破坏过程中，节点处经历较大的塑性变形，并伴随着裂纹的萌生和扩展，因此这种破坏称之为超低周疲劳断裂破坏，以往的研究常忽略了低应力三轴度下微孔洞形状改变对断裂破坏的影响。本项目从损伤的角度解释材料的微观破坏机制，建立综合考虑应力三轴度和Lode参数影响的连续损伤力学模型（LCDM），Lode参数可以表征剪切效应的影响。设计了反映不同应力状态的Q235B、Q345B和ER50焊缝金属、Q690D钢材试样，完成了一系列不同加载制度下的试验，研究了不同类型试样的裂纹起始位置和断裂破坏过程，采用扫描电镜观察了不同加载方式下的试样断面微观形貌，对比分析了缺口对不同类型试样疲劳寿命的影响。结果表明，高强度钢材虽然在单调加载下的断裂应变与普通钢材相当，但其在超低周循环荷载下的疲劳寿命明显低于普通钢材，高强钢结构发生断裂破坏的风险更大。标定了Q235B、Q345B和ER50焊缝金属、Q690D钢材的连续损伤模型损伤参数，分析了钢材不同类型试样的损伤演化过程。最后，本项目开展了X型钢管焊接相贯节点在单调加载和超低周循环加载下的断裂破坏试验研究和断裂预测分析，结果表明考虑Lode参数影响的连续损伤模型LCDM的预测结果与试验基本一致，并且比不考虑Lode参数影响的连续损伤模型的预测结果具有更高的精度。另外，节点的分析结果表明角焊缝形式的X钢管焊接节点的疲劳寿命不低于熔透焊缝，采用内隔板形式的节点的变形能力较低，因此从地震作用下抗断裂性能的角度考虑，在工程中推荐采用角焊缝的钢管相贯节点，并且尽量避免在主管内设置内隔板。