謝彩霞， 李海鋒,2， 南子森， 李 霞

(1.華僑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 福建 廈門 361021； 2.福建省智慧基礎(chǔ)設(shè)施與監(jiān)測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門 361021)

隨著對結(jié)構(gòu)抗震的深入研究，耗能減震技術(shù)逐漸受到工程設(shè)計(jì)人員的關(guān)注和青睞[1].低屈服點(diǎn)抗震用鋼應(yīng)該具備優(yōu)良的力學(xué)性能以及焊接、抗沖擊和抗疲勞等性能[2-3]，以滿足抗震設(shè)計(jì)的要求.目前，國內(nèi)外學(xué)者對低屈服點(diǎn)鋼在單調(diào)與和反復(fù)荷載作用下的力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)其具有明顯的循環(huán)強(qiáng)化特征和良好的延性，抗震性能較普通鋼材有明顯改善，并擬合了低屈服點(diǎn)鋼的骨架曲線[4-7].此外，羅云蓉等[8]對Q235鋼的超低周疲勞性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)Q235鋼的超低周疲勞與其低周疲勞存在不同的循環(huán)響應(yīng)特征.何群等[9]對LYP100鋼進(jìn)行了單調(diào)拉伸試驗(yàn)和大應(yīng)變下的循環(huán)加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)化特征同應(yīng)變幅相關(guān).施剛等[10-11]研究了國產(chǎn)LYP鋼的力學(xué)性能和本構(gòu)模型，提出塑性應(yīng)變能密度是預(yù)測低屈服點(diǎn)鋼低周疲勞壽命的一個(gè)重要參數(shù).

低屈服點(diǎn)鋼作為抗震用鋼，在實(shí)際工程應(yīng)用中，不可避免地要與其他鋼材焊接，應(yīng)該具有良好的可焊性[12].受焊接工藝和質(zhì)量影響，焊接接頭附近的鋼材韌性降低，容易產(chǎn)生脆性裂紋并擴(kuò)展[13].目前，針對帶有焊接接頭低屈服點(diǎn)鋼的疲勞破壞機(jī)理研究較少.本文共設(shè)計(jì)了47個(gè)帶焊接接頭的LYP100低屈服點(diǎn)鋼試件，研究其疲勞破壞機(jī)理，以期為低屈服點(diǎn)鋼在抗震工程中的應(yīng)用提供參考.

1 試驗(yàn)概況

本文設(shè)計(jì)了6mm和12mm 2種厚度的LYP100低屈服點(diǎn)鋼試件(見圖1)，同時(shí)滿足GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》的相關(guān)要求.按照鋼材牌號把試件劃分為 A～ D 4組，設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示.焊接試件的焊接接頭位于試件中心對稱軸上，對接焊縫的坡口形式為Ⅰ型，焊條采用E4315，試件加工尺寸精度要求為0.05mm.

圖1 試件設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design of specimen(size:mm)

表1 試件說明
Table 1 Description of specimens

試驗(yàn)在CMT5105型電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，在試件平行段安裝引伸計(jì)以測量拉伸應(yīng)變.引伸計(jì)標(biāo)距與平行段長度一致，為50mm，拉量程為50%.47個(gè)試件采用11個(gè)加載制度，包括單調(diào)拉伸和反復(fù)拉伸.加載控制方式采用程序控制位移加載， 如表2 所示.

表2 試件加載制度Table 2 Introduction to loading patterns for specimens

2 結(jié)果分析

2.1 破壞特征

A組試件的斷口位置在截面正中心附近，B組試件破壞模式與A組較為相似，斷口截面大致在焊接接頭位置處.其原因在于LYP100低屈服點(diǎn)鋼延性較好，兩端材性一致，破壞主要發(fā)生在有缺陷的焊接接頭處.C組和D組試件的斷口截面位置靠近強(qiáng)度較低的鋼材一側(cè).

單向拉伸加載作用下，在試件斷裂前，頸縮現(xiàn)象明顯且持續(xù)時(shí)間較長；隨后，試件的承載能力下降速度加快，斷裂時(shí)無裂縫、無響聲.試件斷裂處截面發(fā)生較大的橫向收縮，斷面邊緣變形明顯且呈纖維狀細(xì)絲，斷面顏色發(fā)白，塑性變形明顯，屬于延性破壞，為第1種破壞模式，如圖2(a)所示.

循環(huán)拉伸加載作用下，試件主要有2類破壞模式，大部分試件發(fā)生第1類延性破壞形態(tài).此外，試件H-C-2和試件L-C-8在試驗(yàn)過程中發(fā)生第2類破壞形式.多次循環(huán)拉伸后試件出現(xiàn)微小橫向裂縫；隨著荷載持續(xù)增大，脆性裂紋不斷擴(kuò)展，最終貫通截面.斷口橫截面與試件對稱軸大致成45°斜交，斷裂面形狀不規(guī)則且凹凸不平，斷裂時(shí)發(fā)出明顯斷裂聲，斷口附近處截面頸縮不明顯，如圖2(b)所示.試件H-C-2和L-C-8應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線如圖3所示.由圖3可見：試件發(fā)生第2類破壞形式時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線曲折、不飽滿，承載力下降速度快，滯回能力明顯降低；12mm試件的極限強(qiáng)度略大于6mm試件的極限強(qiáng)度.此類試件的延性較差，試件破壞前的塑性變形較小，最終發(fā)生脆性破壞.發(fā)生第2類破壞形式的原因?yàn)楹附託堄鄳?yīng)力使焊縫附近主體金屬的殘余拉應(yīng)力高于鋼材屈服強(qiáng)度；在循環(huán)荷載下焊縫周圍區(qū)域?yàn)槊舾袇^(qū)，容易產(chǎn)生和發(fā)展疲勞裂紋，反復(fù)荷載使得塑性損傷累積效應(yīng)明顯；在荷載持續(xù)增大下塑性裂紋不斷擴(kuò)展，最終試件被拉斷.

圖2 試件的破壞模式Fig.2 Failure modes of specimens

圖3 試件H-C-2和試件L-C-8的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves of specimen H-C-2 and L-C-8

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

對比分析試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，確定試件厚度、試件連接方式和加載制度等因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律.

(1)試件厚度.提取6mm和12mm試件在NM2、NM3、NM6這3種加載制度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行對比，如圖4所示.由圖4可見：試件的極限抗拉強(qiáng)度在210～225MPa之間；A組和D組6mm試件的極限強(qiáng)度略高于12mm的試件極限抗拉強(qiáng)度，而B組與之相反.鋼材厚度對抗拉強(qiáng)度影響幅度較小，在一定的范圍內(nèi)波動(dòng).試件的厚度對鋼材延性的影響較大，12mm試件延性顯著優(yōu)于 6mm 試件.由應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以得出，此類鋼材主要經(jīng)歷了彈性階段、塑性階段和強(qiáng)化階段，但無明顯的屈服階段.

圖4 不同厚度試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比Fig.4 Comparison of stress-strain curves of specimens withdifferent thicknesses

(2)焊接試件的材料強(qiáng)度.選取A～D這4組試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如 圖5 所示.由圖5可見：在單拉和循環(huán)荷載下，不帶焊接接頭的A組試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線飽滿，滯回能力強(qiáng)，延性較好.B組試件兩側(cè)均為LYP100低屈服點(diǎn)鋼焊接而成，在NM1、NM2加載制度下，試驗(yàn)前期曲線與A組曲線發(fā)展趨勢一致，極限抗拉強(qiáng)度值接近；但B組試件的極限承載力提前出現(xiàn)，且極限抗拉承載力對應(yīng)的極限應(yīng)變均小于A組的極限應(yīng)變，表明焊接在較大程度上降低了鋼材延性，但對鋼材的極限抗拉強(qiáng)度影響較小；在NM7加載制度下，B組試件的極限抗拉強(qiáng)度高于A組試件，表明隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試件表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化特征.C、D這2組試件的極限應(yīng)變均小于A、B組試件，但極限抗拉強(qiáng)度較大，表明與Q345和Q460鋼材焊接后，LYP100低屈服點(diǎn)鋼試件的抗拉強(qiáng)度提高，延性降低.

(3)加載制度.提取A～D這4組試件在不同加載制度下的應(yīng) 力- 應(yīng)變曲線，如圖6所示，取其中發(fā)生延性破壞的幾組試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析.由圖6可見：試件的應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律與試件的加載歷史有關(guān)；在循環(huán)拉伸加載過程中，A、B、C這3組試件表現(xiàn)出明顯的循環(huán)硬化特征，主要集中在循環(huán)過程中，試件的極限抗拉強(qiáng)度提早出現(xiàn)，極限屈服強(qiáng)度變化不明顯，但延性有所降低；循環(huán)加載作用下，D組試件的極限抗拉強(qiáng)度和延性均小幅度降低；D組試件與Q460鋼焊接，焊縫損傷及疲勞損傷累積影響更明顯，使得鋼材力學(xué)穩(wěn)定性變差.

2.3 耗能能力

計(jì)算荷載-變形曲線圖的包絡(luò)總面積，以反映試件的耗能能力.其中變形為試驗(yàn)中引伸計(jì)所測量得到的試件平行段的變形量，主要分析不同加載制度中，最大應(yīng)變幅值和滯回圈數(shù)對鋼材耗能能力的影響.圖7為不同加載制度下試件的滯回能量(E). 圖8 為部分典型試件的荷載-變形(P-Δ)圖.

圖5 不同焊接試件材料強(qiáng)度應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比Fig.5 Comparison of stress-strain curves of welded specimens with different material strength

圖6 不同加載制度試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比Fig.6 Comparison of stress-strain curves of specimens under different loading patterns

分析圖7(a)、圖8(a)可得，12mm LYP100低屈服點(diǎn)鋼試件的耗能能力、伸長率、極限抗拉承載力和變形能力均優(yōu)于6mm試件.

由圖7、8可見：在加載制度NM2、NM4、NM5、NM7下，A組試件滯回耗能和伸長率為B組試件的1.5～2.0倍，表明帶焊接接頭的鋼材在很大程度上降低了鋼材的承載力，使得試件延性變差，耗能能力減弱；C、D這2組試件滯回耗能和斷后伸長率均小于A、B組試件；A組試件斷后伸長率在49～57%之間；C、D組試件最大承載力較A、B組有提高.與Q345和Q460鋼材焊接，能夠提高LYP100低屈服點(diǎn)鋼試件的承載力，但使其延性降低.

圖7 不同加載制度下試件的滯回能量Fig.7 Energy dissipation of specimens under different loading patterns

圖8 部分典型試件的荷載-變形圖Fig.8 Load-deformation curves of some typical specimens

圖9為不同最大應(yīng)變幅值和滯回圈數(shù)的滯回能量.由圖9(a)可見：H-A-2的滯回耗能大于H-A-11，即最大應(yīng)變幅值為2.5%的試件滯回能略大于最大應(yīng)變幅值為5.0%的試件.H-A-11經(jīng)歷9圈應(yīng)變幅值均為5.0%的反復(fù)加載作用，塑性損傷累積導(dǎo)致試件的延性變差、耗能能力減弱.應(yīng)變幅值在一定范圍內(nèi)對試件耗能能力的影響較小，但試件在較大應(yīng)變幅值循環(huán)加載作用下其耗能能力迅速降低.由圖9(b)～(d)可見：隨著滯回圈數(shù)增加，試件滯回能隨之增加，表現(xiàn)出良好的耗能能力；H-A-7、H-C-7在經(jīng)歷22圈循環(huán)后及L-A-8在經(jīng)歷33圈循環(huán)后，滯回能量降低，延性變差.其原因在于，試件經(jīng)歷多圈循環(huán)加載后塑性損傷累積效應(yīng)明顯，內(nèi)部裂縫不斷發(fā)展，導(dǎo)致提前破壞.

圖9 不同最大應(yīng)變幅值和滯回圈數(shù)的滯回能量Fig.9 Hysteresis energy of specimens with different strain amplitudes and loading loops

2.4 骨架曲線

將循環(huán)加載的應(yīng)力-應(yīng)變曲線中，超過前一次加載最大應(yīng)力的區(qū)段平移相連后得到的曲線稱為骨架曲線.骨架曲線是每次循環(huán)加載達(dá)到的水平力最大峰值的軌跡，反映了構(gòu)件受力與變形的各個(gè)不同階段及強(qiáng)度、剛度、延性、耗能和抗倒塌能力等特性，也是確定恢復(fù)力模型中特征點(diǎn)的重要依據(jù). 圖10(a)、(b) 分別為NM6、NM3加載制度下試件的骨架曲線對比圖，圖10(c)為6mm厚的D組試件在不同循環(huán)加載制度下的骨架曲線對比圖.

圖10 試件的骨架曲線對比圖Fig.10 Comparison diagram for skeleton curves of specimens

由圖10(a)、(b)可見：在NM3、NM6加載制度下，A組試件初始剛度、強(qiáng)度均小于B組試件，說明焊接接頭提高了試件強(qiáng)度而降低了剛度；除H-B-3試件外，C、D這2組試件的強(qiáng)度均高于A、B組試件，但剛度存在不規(guī)律性，表明試件強(qiáng)度很大程度上取決于所焊接的鋼材強(qiáng)度.厚度對強(qiáng)度和剛度的影響均存在較大的離散性，說明試件的設(shè)計(jì)厚度對試驗(yàn)結(jié)果的影響不明顯.分析圖10(c)可得，隨著滯回圈數(shù)的增加，H-D組試件的剛度和強(qiáng)度逐漸增加，出現(xiàn)明顯的循環(huán)硬化特征，說明循環(huán)加載方式對試件的剛度和強(qiáng)度有較大影響.

3 結(jié)論

(1)試件的破壞特征主要有延性破壞和脆性破壞2種.發(fā)生延性破壞時(shí)，試件斷口截面處頸縮現(xiàn)象明顯；發(fā)生脆性破壞時(shí)，試件斷裂前無明顯征兆，斷裂時(shí)發(fā)出明顯斷裂聲，斷口附近處截面頸縮不明顯.

(2)橫截面厚度對試件極限強(qiáng)度的影響不明顯，對變形能力和耗能能力的影響較大.

(3)LYP100低屈服點(diǎn)鋼與Q345鋼、Q460鋼焊接時(shí)，焊接鋼材牌號越高，試件的強(qiáng)度越高，承載力越強(qiáng)，但延性變差.

(4)加載方式對試驗(yàn)結(jié)果有較大影響.單調(diào)拉伸下的試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線飽滿，具有良好的耗能能力.在循環(huán)加載作用下，循環(huán)硬化現(xiàn)象明顯，使得試件的極限抗拉強(qiáng)度提高，但反復(fù)拉伸使得試件疲勞損傷累積效應(yīng)明顯，內(nèi)部裂縫不斷擴(kuò)展，進(jìn)而導(dǎo)致試件提前被拉斷.