Q460C高强度结构钢材循环加载试验研究

施 刚 王 飞 戴国欣 王元清 石永久

(1清华大学土木工程安全与耐久教育部重点实验室，北京 100084)

(2重庆大学土木工程学院，重庆 400045)

我国大部分地区处于地震影响区，地震作用是结构分析计算和设计中需要考虑的重要因素.多高层钢结构在地震作用下承受循环往复荷载作用.而钢材在循环荷载下将出现循环硬化、循环软化以及包辛格效应和材料的累积损伤，这使得钢材在循环和单调荷载下的本构响应有区别，同时钢材的循环加载历史对钢材的循环性能也会产生一定影响［1］，因此钢材的循环响应是研究钢结构抗震性能的基础.为了反映钢材在循环荷载作用下不同于单调加载下的本构响应，常用的本构模型主要有理想弹塑性模型、各向同性强化模型及随动强化模型，但大都比较简单，不能真实地反映钢材的循环塑性性能.由Hodge等［2-3］提出的混合强化模型较好地反映了钢材循环本构响应.

目前，高强度钢材已经在我国成功应用于多个建筑钢结构工程［4］，但国内外相关研究还很少［5-7］，特别是对高强度钢材在循环荷载作用下受力性能的研究还很缺乏.本文对国产高强度结构钢材Q460C在单调荷载和各种循环加载制度下的性能进行试验，以期研究此类钢材在循环荷载下的本构模型，并希望利用试验数据标定此类钢材在循环作用下的混合强化模型，对高强度结构钢材以及结构的抗震性能研究提供基础依据.

1 试验概况

本文试验采用Q460C钢(舞阳钢铁公司)，其力学性能和化学成分如表1、表2所示.试验中采用的试件尺寸如图1所示，共有16个试件，试件实物照片如图2所示.加载装置如图3所示.所有加载制度如表3和图4所示，共有12种加载制度，其中加载制度6的试件BM3-4为表面未处理试件，其余试件的表面均经过铣床处理，2种试件对比如图2所示.采用拉压引伸仪测量应变，引伸仪标距20 mm，拉量程0.50，压量程0.25，试验中采用手动位移控制加载，故试验中实际加载曲线的加载值和预期加载制度会有一定差异，但最大不超过0.05.

图4 加载制度示意图

表1 Q460C力学性能

表2 Q460C化学成分 %

图1 Q460C试件尺寸(单位:mm)

图2 试件表面处理

图3 加载装置

表3 试件循环加载制度

2 结果和分析

2.1 单调加载结果

单调拉伸和压缩的试件力学性能统计如表4所示，应力-应变曲线如图5所示.单调拉伸的力学参数和表1的材性试验结果有差异，这主要是因为材性试验采用的试件尺寸和本文的尺寸不同.本文为进行单调加载和循环加载下的力学性能比较，采用与循环加载尺寸相同的试件.单向压缩试件由于试件发生屈曲，未能测得后期的应变，其中试件BM2-1由于加载时引伸仪打滑，未能测到有效的试验数据，故参数无效.

图5 单调加载应力-应变曲线

从表4可以看出，单向压缩时的屈服强度和最大强度值都比单向拉伸时大，这可能是由于试件压缩时截面横向变形使得截面面积增加，承载力反而提高了，但其最大强度对应的应变小于单调拉伸时的应变.钢材的屈服强度比在0.74～0.78之间.单向拉伸时，试件的断裂应变εf在0.45左右，表明该钢材延性和变形能力很好，但低于之前已经完成试验的Q460D试件.

表4 试件单调加载力学性能参数

2.2 循环加载结果

在目前广泛应用的数值模拟手段中，一般采用钢材一维应力-应变关系曲线(两折线或三折线模型)，但是，上述方法对钢材在循环荷载下的力学行为模拟却并不是十分准确，再加载曲线有较大的出入(见图6).

图6 正则化钢材单调循环曲线

当发生较大屈曲变形导致引伸仪无法测量时所有循环加载试件停止循环加载，然后将试件直接拉断.图7所示为所有循环加载制度下的应力-应变曲线，表5为所有循环加载试件的力学性能统计.其中BM3-1～4的4种对称循环加载制度的曲线饱满，表明抗震性能良好.随着应变增加，后期应力也不断上升，发生循环硬化，最后逐渐稳定.滞回圈数越多，延性下降越多，每一圈的受压切线模量也会有所递减.

图7 循环应力-应变曲线

BM3-1经过预加的塑性拉应变后，压缩屈服应力小于图5(b)单向压缩屈服应力;每级循环2圈的试件BM3-2其压缩屈服应力下降更多;BM3-3经过预加的塑性压应变后，拉伸屈服应力小于图5(a)单向拉伸屈服应力，出现包辛格效应，反映了钢材在塑性应变作用下的各向异性过程.

从表5可以看出，BM3-2，BM3-3的应变εu，εf比BM3-1，BM3-4小，其中BM3-2由于每级循环2圈，循环塑性损伤积累严重，使得延性急剧下降.试件BM3-1和BM3-4加载制度完全相同，但是试件表面处理方法不同，比较结果表明，其在循环荷载下的性能差别很小.

试件BM4-1经过17圈的等幅加载，断裂时的应变为0.019 3，是所有试件中延性最差的.BM5-1的加载方式和BM3-1正好相反，但从图7两者的滞回曲线和表5中两者的循环参数来看，其滞回性能和延性有差别，但差别不大.BM6-1试件初始拉伸时，弹性段很短且未出现屈服平台，这具有一定的偶然性，但后期加载和卸载时的斜率基本一致.由BM8-1和BM8-2相比可以得到，初始应变更大的试件BM8-2后期应力增加更少一些，这说明试件的滞回性能和先前的加载历史会有一定关系，但同时有研究表明［1］，如果在足够多的固定应变幅作用下，不论先前的加载历史如何，滞回曲线的最大应力最终都会趋于循环应力-应变骨架曲线上与该应变幅相对应的应力.

表5 试件循环加载力学性能参数

总的来说，高强度钢材的滞回准则和特性与普通钢材类似，表现出各向同性强化以及随动强化的混合模式，遵循混合强化准则.与普通钢材相比，高强度钢的包辛格效应更为显著.再加载曲线为明显的曲线形式，即“刚度软化”现象，与通常假定的两折线模型有较大区别.再加载指向遵循“峰值指向”准则，这与普通钢材相似.

2.3 电镜扫描结果对比

钢材在循环荷载作用下的塑性变形也可以从试件的断口微观形貌特征上加以观察.如图8所示的电镜试验，可以看到一些大小不等的圆形或椭圆形的凹坑-韧窝，这种情况下一般可判断为延性断裂，其中循环加载试件与单调加载试件相比，塑性变形越大，韧窝则更大更深.

图8 电镜扫描

2.4 单调曲线和循环骨架曲线比较

钢材在循环荷载作用下内部组织发生堆叠错位，而且由于发生循环硬化和软化使得循环下的骨架曲线和单调作用下应力-应变曲线表现出不一样的性质［8］.本文按照

中的Ramberg-Osgood［9］模型对各种循环加载制度下的骨架曲线进行了拟合，为方便与单调加载下的曲线比较，试件BM3-1～4根据式(1)的变形公式

进行拟合.从图9中可以看出拟合效果良好，循环硬化使得钢材的强度提高，随着后期应变幅的增加，部分加载制度下的骨架曲线强度下降，发生循环软化现象.表6为根据试验数据标定的公式参数，其中待定参数K'(循环强度系数)和n'(循环应变硬化指数)变化不大，平均值分别为887.90和0.114 6，可以作为此类钢材循环骨架曲线的统一参数，即

表6 试件循环强化参数

图9 循环骨架曲线和单调曲线比较

3 本构模拟

［10］提出了混合强化模型，利用有限元分析软件ABAQUS对钢材循环荷载下的滞回曲线进行了有限元模拟，利用循环加载试件BM3-1的试验数据对模型中的待定参数进行标定.由于不同的应变幅将影响试验结果，故本文采用多背应力叠加的方法拟合曲线，取2种应变幅的参数进行标定，结果如表7所示，有限元模拟和试验结果的比较如图10所示.

图10 试验曲线和有限元曲线比较

表7 试验试件参数校准

4 结论

1)Q460C高强度钢材在循环荷载作用下发生包辛格效应，各种循环加载制度下滞回环饱满、稳定，试件断口扫描显示为延性断裂，表明该种钢材具有良好的耗能能力和抗震性能，适用于建筑钢结构.

2)Q460C高强度钢材循环荷载作用下发生循环硬化和软化，各种循环加载制度下的骨架曲线可以采用Ramberg-Osgood模型，且本文标定了其模型参数.

3)利用有限元分析软件ABAQUS和采用本文标定的材料参数，能很好地模拟Q460C高强度钢材在各种循环加载制度下的滞回性能，这为准确分析高强度钢材钢结构在地震作用下的受力性能提供了前提条件.

参考文献(References)

［1］董永涛，张耀春.建筑用钢循环塑性本构模型［J］.哈尔滨建筑大学学报，1993，26(5):106-112.

Dong Yongtao，Zhang Yaochun.Cyclic plasticity constitutive model of structural steel［J］.Journal of Harbin University of Civil Engineering and Architecture，1993，26(5):106-112.(in Chinese).

［2］Hodge P G.Discussion on a new method of analyzing stress and strains in work hardening plastic solids［J］.J Appl Mech Trans，1957，24:481-484.

［3］Axelsson K，Samuelsson A.Finite element analysis of elastic-plastic materials displaying mixed hardening［J］.Int J Numer Methods Eng，1979，14:211-215.

［4］施刚，石永久，王元清.超高强度钢材钢结构的工程应用［J］.建筑钢结构进展，2008，10(4):32-38.

Shi Gang，Shi Yongjiu，Wang Yuanqing.Engineering application of ultra-high strength steel structures［J］.Progress in Steel Building Structures，2008，10(4):32-38.(in Chinese)

［5］施刚，王元清，石永久.高强度钢材轴心受压构件的受力性能［J］.建筑结构学报，2009，30(2):92-97.

Shi Gang，Wang Yuanqing，Shi Yongjiu.Behavior of high strength steel columns under axial compression［J］.Journal of Building Structures，2009，30(2):92-97.(in Chinese)

［6］Pocock G.High strength steel use in Australia，Japan and the US［J］.The Structural Engineer，2006，11(2):27-30.

［7］International Association for Bridge and Structural Engineering.Use and application of high-performance steels for steel structures［M］.Zurich，Switzerland:IABSE，2005.

［8］Nathaniel G C，Krawinkler H.Uniaxial cyclic stressstrain behavior of structural steel［J］.Journal of Engineering Mechanics，1985，111(9):1105-1120.

［9］Peter D，Ahmad M I，Ian G B.Cyclic response of plate steels under large inelastic strains［J］.Journal of Constructional Steel Research，2007，63(2):156-164.

［10］Chaboche J L.Time independent constitutive theories for cyclic plasticity［J］.International Journal of Plasticity，1986，2(2):149-88.