钢结构延性断裂评价分析方法综述

GXF360 2017-06-17

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钢结构延性断裂评价分析方法综述

黄世怡

（广东省建科建筑设计院有限公司广东广州 510500）

摘要：钢结构在强震过程中可能发生的延性断裂破坏问题已经在多次地震过程中得到印证，因而引起了国内外学者的广泛关注。本文总结了钢结构的延性断裂特点，并对目前常用的三种方法从材料层次到构件层次进行了总结和比较。

关键词：钢结构；延性断裂；评价分析方法

1 前言

钢结构作为目前国内外土木工程领域内常用的结构形式之一，它的破坏形式主要有两种：一种是薄壁结构的局部屈曲破坏，一种是厚壁结构的延性断裂破坏，详见图1。为了提高钢结构的抗震性能，厚壁构件得到了越来越广泛的应用，因此，延性断裂问题已经成为目前钢结构（尤其是厚壁钢结构）防震减灾领域的热点研究问题之一。

厚壁钢结构节点一般采用的是焊缝连接，焊缝位置既存在几何不连续，也存在材料不连续（焊接钢材可分为母材，焊缝以及热影响区）。一旦地震发生，焊接钢材往往容易发生极低周疲劳作用（极低周疲劳是指破坏循环次数少于100次的大应变疲劳破坏）下的延性断裂破坏，最终导致整个结构破坏。尽管焊接钢构件已经在钢结构中占有重要地位，但是目前还没有一个统一的能够高效准确地模拟其延性断裂问题的方法。主要原因有二：第一是焊缝细节难以模拟准确；另外就是，至今还没有一个精确的延性断裂数值模型。因此，研发出一套能够准确高效地模拟焊接钢结构极低周疲劳作用下往复延性断裂问题的评价分析方法已经成为工程结构抗震领域内的重要课题之一，对高效预测地震损伤具有重要的现实意义。

图1 钢结构的破坏形式

图2 延性断裂工程和实验室实例

2 延性断裂破坏的特点

延性断裂问题早在20世纪就出现了工程实例。1994年的美国洛杉矶大地震和1995年的日本神户大地震中，延性断裂问题就已成为城市建筑和桥梁钢结构的主要破坏形式之一。地震和实验室试验的实例（见图2）表明，延性断裂对于厚壁构件来说，已经成为其极限承载能力的最主要控制因素，延性断裂容易发生在几何或材料不连续导致的塑性应变以及应力三轴度集中区域，例如：焊接节点，螺栓连接的开孔截面等位置。在大震来临时，焊接钢构件的往复延性断裂破坏往往呈现出以下特点（详见图3）：

图3 某焊接钢构件在单边渐增往复荷载作用下的力-位移滞回曲线

图4 钢材的微观塑性损伤理论

（1）延性裂缝的起裂一般先于构件局部屈曲，或几乎同时发生；

（2）延性裂缝起裂到构件达到最大承载能力，具有一段时间的延迟；

（3）延性裂缝扩展到一定程度以后，构件承载能力才会出现急剧下降；

（4）延性裂缝扩展速度和扩展截面内的应力应变状态分布是否相对均匀具有重要关系；

（5）任何形式上的几何不连续（例如：缺口、孔洞、转角或突起）都会引起应力应变集中，从而导致延性裂缝产生。

从以上破坏特点，我们可以发现，无论是延性裂缝的起裂还是扩展，直到构件最终破坏，高效准确地实现极低周疲劳作用下的全过程分析是非常必要的。国内外学者针对焊接钢结构的延性断裂问题，进行了材料层次和构件层次的试验和理论研究。

3 延性断裂在材料层次的研究进展

钢材的延性断裂从微观角度看，是一个多步骤的过程，它包括细微孔洞的成核，扩张以及细微孔洞的连通，最终形成肉眼可见的裂缝，详见图4。没有孔洞的金属基体是致密的，最初的细微孔洞形成往往是在金属夹杂物的边缘处，这里容易出现连接相对松散的组织，第一步中的孔洞就是在这些地方形成的。第二步是细微孔洞的扩张。细微孔洞的扩张主要是由金属基体的应力状态和应变状态所决定。当应力三轴度大于0.7～0.8时，以往试验表明：材料的延性断裂性能会随着应力三轴度的增加而大幅度下降。第三步就是细微孔洞之间的颈缩和孔洞连通。这个过程有可能是稳定的，也有可能是不稳定的。如果细微孔洞的大小相近，那么整个的连通过程也是相对稳定的。但是如果细微孔洞的大小不一，那这个过程会相对复杂。

从材料层次上，近5年来，国内外一些学者从延性断裂问题的微观塑性损伤理论出发，基于连续损伤力学，提出了一系列评价钢材单调拉伸条件下延性断裂问题的基本模型[1～6]。McClintock模型第一把起裂应变和应力三轴度联系到一起。Rice-Tracey模型和Chi模型表明钢材中细微孔洞的扩展率是和应力三轴度以及材料的塑性应变率有关系的。Kanvide和Deierlein利用了VGM模型（该模型是依据应力应变历史的一个显式积分来判断）和SMCS模型（该模型利用延性裂缝起裂时应力应变的瞬时值来判断）对不同形状的材料试件以及焊接钢构件进行了延性断裂裂缝起裂的预测，取得了良好的效果。Kang[1]开发了一个三阶段两参数模型来模拟单边坡口焊接结构的延性断裂问题。

以上这些方法都各有优势，但是很少考虑往复荷载的影响，因此无法使用到实际抗震计算评价分析中去；此外，除了Kang等所研发的模型外[1]，其他延性断裂模型都仅仅限于母材，没有涉及到焊缝和热影响区，而实际工程中延性裂缝往往就是在焊缝和热影响区产生的；由于在这些研究中试验构件所选择的缺口形式很单一，并没有涵盖工程实际中有可能出现的应力三轴度区间，因此，无法保证在不同应力三轴度条件下，尤其是高应力三轴度条件下，提出的模型是否能够适用。其中，Kiran和Khandelwal[6]针对高应力三轴度状态下的延性断裂问题进行了试验研究，但是仅仅限于母材，没有涉及到焊缝和热影响区，而实际工程中往往延性裂缝就是在热影响区和焊缝区域产生的。因此，很有必要对焊接钢材进行不同应力三轴度条件下和极低周疲劳条件下的延性断裂性能研究。

另外，国内外一些学者也针对极低周疲劳效应下的延性断裂模型进行了研究。针对往复荷载受压过程的损伤累积，主要有以下几种主张：①受压过程可以忽略不计，即采用单调拉伸条件下的延性断裂模型来模拟往复荷载条件下的延性断裂问题，忽略极低周疲劳效应；②往复荷载的拉压过程被看作是一个细微孔洞扩张和压缩的过程，因此，在受拉过程中，损伤进行叠加累积，在受压过程中，损伤由于细微孔洞被压缩而减小[2]；③采用修正的Manson-Coffin方法，该方法与应力三轴度无关，通过塑性应变幅历史来累计损伤，然后在疲劳分析的SN曲线中引入修正参数，把大塑性应变累积的损伤凭借经验公式扩大。

4 延性断裂在结构层次的研究进展

实际工程中，以上三种材料层次的方法在结构层次均得到了广泛的应用。第一种方法运用起来非常简便，模型也相对简单；但是，往复荷载次数增加以后，由于忽略了疲劳所带来的损伤，因此存在对延性裂缝起裂时刻预测过晚的风险。第二种方法目前运用的十分普及[2～6]，也得到了比较广泛的肯定。但是这类方法没有和材料塑性过程进行耦合，因此，损伤判断和材料塑性非线性计算是两个互相独立的过程，同时它也只是在塑性阶段静态地考虑应力三轴度集中效应，分析过程相对繁琐。这种方法仅仅能够判断延性裂缝的起裂，无法对延性裂缝的扩张以及最后破坏进行全面而准确的预测，无法实现全过程分析；而且，这种方法对往复荷载过程中拉压过程的处理方式也缺乏足够的实验数据支撑。第三种方法基于传统的疲劳理论，是研究金属疲劳的学者们经常采用的方法。这种方法中累积损伤以疲劳损伤为主，延性损伤以引入放大系数的概念引入疲劳损伤中去。针对极低周疲劳中，循环往复次数相对比较多的时候，这种理论有它的合理性；但是，如果循环往复次数比较少时，尤其是延性损伤为主要损伤时，这种方法的适用性则有待商榷。另外，这种方法也无法精确地模拟延性裂缝起裂、扩张以及最后破坏的全过程，也没有考虑应力三轴度的影响，对于某些工程问题存在一定的弊端。

总而言之，虽然以往研究中的三种方法能够在一定精度范围内评价焊接钢结构的延性断裂性能，但是由于材料层次上还存在尚未解决的问题，结构层次的分析并不能从机理上解释构件的延性断裂性能差异，同时，非耦合模型也无法实现延性断裂的全过程分析。