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钢结构以其轻质高强、施工质量好、工期较短以及可再生利用等优点,在民用、工业、桥梁结构等工程中得到了广泛的应用。值得注意的是,钢结构在加工、施工和使用过程中容易产生裂纹或者重大缺陷,从而引起安全问题[1]。根据Q235 B、Q345 B钢材性能,本文简要介绍了其所面临的脆断问题,世界各国缺陷的评估方法,钢材及其焊缝的微观损伤模型以及基于微观机理的断裂预测方法,预测钢材的断裂,将应用于日后钢结构断裂性能的研究当中。具体完成工作如下:(1)设计并制作了 18个标准圆棒试样,分别取自Q235 B、Q345 B钢材母材、焊缝熔敷金属及热影响区部分,共6种钢材,试验加载方式采用单轴拉伸,通过全自动引伸计全程跟踪试件应力应变直到断裂时刻,获取六种钢材材性,并利用修正过的R-O模型拟合成真实应力-塑性应变的本构关系。研究结果表明:Q235 B钢材比Q345 B钢材表现出较好的塑形,工程应变分别可以达到54.2%、53.32%,且断面收缩率较高于Q345 B;利用引伸计全程跟踪可以更好的获取钢材力学性能,计算钢材本构关系,避免因横梁加载导致较大误差,经有限元计算结果与试验比对较吻合;利用显微镜从断口截面观察,Q235 B、Q345 B破坏形式均属于微孔聚集型破坏[2],有较多的韧窝,断口边缘发生剪切破坏,通过力学分析,可判断静载作用下试件由中间先破坏,不断扩展到表面致整体破坏;通过对Q235 B、Q345 B钢材力学性能的研究和本构关系的建立,以及微观断口形貌的分析,以期应用于后期校正钢材断裂韧性参数的研究中。(2)设计并制作了 36个缺口圆棒试样,缺口尺寸分别为1.25 mm、2.5 mm及5 mm,分别取自Q235 B、Q345B钢材母材、焊缝熔敷金属及热影响区三个部分,共6类钢材,采用单调荷载作用下的加载方式,配以显微镜观测试验及有限元计算,得到了 Q235 B和Q345 B钢材的VGM和SMCS模型韧性参数,通过电镜观察钢材的特征长度,然后利用有限元计算VGM和SMCS模型对Q235 B和Q345 B钢材破坏位移及荷载的预测效果。结果表明:普通钢Q235B和Q345B钢材焊缝熔敷金属区韧性参数大于母材和热影响区韧性参数,校正韧性参数的离散性在合理范围之内,VGM和SMCS模型对Q235B钢材破坏荷载预测程度可以控制在25%以内,对Q345B钢材预测可以控制在10%以内,两种模型对破坏荷载的预测程度精准于对破坏位移的预测程度。验证了 VGM和SMCS微观机理模型对Q235 B和Q345 B钢材断裂预测的有效性;VGM和SMCS微观机理模型中韧性参数与钢材强度指标和屈强比没有明显关联,而与钢材的塑性有一定关系,材料塑性越好,韧性参数值越大。(3)设计并制作了 18个标准圆棒试样,分别取自Q235 B、Q345 B钢材母材、焊缝及热影响区部分,共6种钢材,试验采用循环加载制度,通过全自动引伸计全程跟踪试件应力应变直到断裂时刻,研究其滞回性能计算其耗能特性、试件破坏形态及断口形貌,以及强度退化及刚度退化特性[3],在Chaboche钢材塑性本构模型的基础上,校正循环本构模型的关键材料参数,并利用ABAQUS与试验结果进行比对。研究结果表明:Q235 B和Q345 B钢材试件都可以在循环荷载作用下多次循环,并且断口出现许多韧窝,表明普通钢Q235 B和Q345 B具有很好的延性;循环荷载作用下的钢材试件会在断裂发生前出现裂纹,由四周向内部进行扩展,在断口中间位置出现瞬断,整个断裂过程与单调荷载作用下的破坏过程相反;Q235B和Q345B钢材滞回曲线表现出了先强化后退化,Q235B钢材强度、刚度循环强化性能整体高于Q345 B钢材,Q235 B和Q345 B钢材试验曲线的刚度退化程度整体大于强度退化程度。各向同性中的本构参数biso对预测试件破坏的影响比参数Q∞大,通过改变biso的大小,可以对滞回曲线的应力范围进行调整。(4)设计并制作了 72个缺口圆棒试样,分别取自Q235 B、Q345B钢材母材、焊缝及热影响区部分,共6种钢材,试验采取两种循环加载方式,利用有限元计算退化有效塑性应变模型(DSPS)和循环孔穴扩张模型(CVGM)的微观损伤模型参数,并预测缺口圆棒破坏,研究结果表明:Q235B、Q345B滞回曲线可以计算出Q345B钢材母材及热影响区较Q235B钢材表现出更高的耗能强度,同种型号钢材的热影响区较之母材及焊缝熔敷金属表现出更高的耗能强度;选用混合强化模型Von Mises流动法则对Q235 B、Q345 B钢材的循环本构进行拟合,经ABAQUS计算出荷载-位移曲线与试验曲线对比较好;断裂预测模型CVGM和DSPS基本可以预测钢材循环荷载下的断裂,由于试件数量有限,数据点形成一定的离散,并且受到焊接效应的影响,预测结果存在一定偏差。总体上CVGM模型预测程度好于DSPS模型,C-PTF加载制度下的预测程度好于CTF加载制度,表现出两种模型能够在地震作用下较好的对Q235B和Q345B两种钢材进行预测。