Q345钢对接接头低周疲劳性能试验研究

周艳春 李爱群,2 方 钊 李万润,3

(1东南大学土木工程学院, 南京 210096)(2北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心, 北京 100044)(3兰州理工大学土木工程学院, 兰州 730050)

Q345钢对接接头低周疲劳性能试验研究

周艳春1李爱群1,2方 钊1李万润1,3

(1东南大学土木工程学院, 南京 210096)(2北京建筑大学北京未来城市设计高精尖创新中心, 北京 100044)(3兰州理工大学土木工程学院, 兰州 730050)

采用等幅轴向低周疲劳试验,通过疲劳寿命、循环应力-应变响应特征及应力-应变滞回曲线等指标研究了Q345钢对接接头的疲劳性能,观察了疲劳断口宏观特征,并在试验研究和有限元分析的基础上,建立了该焊缝材料的疲劳寿命预测公式．结果表明:焊缝材料初始阶段表现为明显循环硬化现象,后期为轻微循环软化,总体上提高了材料的强度及疲劳性能;随着轴向位移的增加,应力幅增大,循环硬化率线性减小;滞回曲线光滑、饱满,材料耗能能力稳定;疲劳断口可明显划分为裂纹源区、裂纹扩展区和裂纹瞬断区,为典型疲劳破坏断口.得到的疲劳寿命预测公式对实际工程中Q345钢结构的疲劳分析和寿命预测具有重要意义．

Q345;对接接头;焊缝;低周疲劳寿命;有限元分析

地震具有突发性强、破坏性大、防御难度大等特点,对生命财产安全造成极大威胁[1],因此必须尽可能降低地震直接灾害和次生灾害产生的损失．焊接钢结构凭借其强度高、韧性好、易于施工、价格低等优点被广泛应用于高层高耸建筑中,但焊缝中存在的裂纹、气孔及未焊透等焊接缺陷严重影响结构的安全性,容易导致结构危险部位疲劳裂纹萌生及扩展,并最终导致疲劳破坏事故发生．这类事故并不罕见,在1987年美国加州地震、1994年美国Northridge地震[2-3]及1995年日本阪神地震等多数地震中都发生了钢结构疲劳破坏的事例．疲劳破坏是焊接钢结构的一种主要失效方式[4],多表现为在循环荷载作用下,焊缝部位应力集中处萌生疲劳裂纹,随着损伤累积和裂纹的不断扩展,最终结构瞬间断裂,并且没有任何明显征兆．

Q345钢作为高层高耸钢结构建筑中的常用钢材,具有良好的可焊接性、低温性、可切削性等综合性能．但是在实际工程应用中,该材料在地震循环作用下容易产生塑性变形,发生低周疲劳破坏．为更好地保证结构的安全性、适用性及耐久性等指标,本文对Q345钢进行了低周疲劳性能研究与寿命预测．近年来已有较多学者对Q345钢的低周疲劳性能开展了相关研究,如Pu等[5]对Q235B和Q345BH钢的综合抗震性能指标进行分析测试并计算了材料循环能量吸收率;罗云蓉等[6]通过对Q235和Q345钢的低周疲劳性能试验得到了材料循环硬/软化的临界值,并结合低周疲劳性能评价发现2种材料抗震性能都不够理想;崔仕明等[7]对Q345钢的循环硬化(软化)效应及疲劳寿命进行了分析测试,指出疲劳寿命与加载应变幅存在幂函数关系．

可靠预测结构寿命可极大降低危险概率,减少损失[8]．关于Q345钢低周疲劳寿命的预测,本文在权衡名义应力法、局部应力应变法、损伤力学法、断裂力学法等多种方法的优缺点及适用范围后,选择了适用于高应变低周疲劳寿命预测的稳态局部应力应变法[9]进行研究．

本文针对Q345钢对接接头进行等幅轴向低周疲劳试验研究,系统研究了该材料的循环响应特征及滞回曲线等低周疲劳性能,根据断口特征对疲劳破坏机理进行了分析研究．结合试验研究和ANSYS有限元分析建立了疲劳寿命预测公式,为该材料的疲劳寿命预测提供依据．

1 试验方案

1.1 试件制备

为避免材料差异及加工畸变等因素影响,保证焊缝初始状态的一致性,首先将20 mm厚的Q345热轧钢板对接焊接,再将其粗加工切割成条状,最后精加工打磨抛光成型．

焊接采用CO2气体保护的X坡口对接焊,焊缝质量一级,未出现裂纹、咬边、未焊透等缺陷．试件尺寸综合参照《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法》(GB/T 15248—2008)和《Metallic materials fatigue testing axial-strain-controlled method》选定,如图1所示,加工完成的一组试件照片(共3组)如图2所示．

图1 低周疲劳试件尺寸示意图(单位:mm)

图2 低周疲劳试验试件

1.2 试验设备及加载方法

本试验在常温大气环境下进行,试验仪器为50 t MTS疲劳试验机和15 mm轴向引伸计,施加轴向位移(即疲劳试验机作动头相对位移)，取值为0.50, 0.55, 0.60, 0.65, 0.70, 0.75, 0.80, 0.90 mm共8组,循环波型为三角波,应变比R=-1,保持加载频率为0.1 Hz．以试件最终断裂次数作为该试件的疲劳寿命且同种试验条件下取3根试件进行试验．

2 试验结果与分析

试验过程中,由计算机自动采集试验数据,每个循环周期采集1 000组数据,包括试件循环圈数、疲劳试验机作动力、作动头相对位移以及轴向引伸计相对位移等．

2.1 循环应力-应变响应特征

金属材料在交变荷载作用下会出现循环软化或循环硬化现象．在等幅对称循环荷载作用下,随着循环圈数的增加应力幅不断增加的现象称为循环硬化,反之则为循环软化．循环硬化可以提高材料强度和动态承载力,防止材料因强度过低而导致过早失效破坏．通过分析Q345钢对接接头焊缝的循环软化或硬化现象,有助于进一步研究该焊缝材料的疲劳性能．

结合作动力最大加载载荷下降比例和最终断裂循环次数确定疲劳寿命(Nf),结果见表1．

表1 低周疲劳试验所得各试件疲劳寿命

各试件在不同轴向加载位移下的循环响应特征曲线如图3所示,应力幅取拉应力和压应力峰值的平均值．各试件应力取值采用名义应力,即轴向力与截面面积之比．

图3 应力幅循环响应特征曲线

由图3可看出,Q345钢在初始阶段表现为循环硬化,应力幅迅速达到峰值,之后,随着循环次数的增加表现为轻微的循环软化,但循环软化过程相对稳定,应力幅值变化幅度较小,最后随着试件的断裂,应力幅值急剧减小．虽然试件在整个疲劳破坏过程中经历了循环软化过程,但该软化较轻微,截至破坏前,试件应力幅均高于初始阶段应力幅,总体上提高了材料动态承载能力．焊缝材料得到硬化,应力幅增加,提高了焊缝材料强度,使得试件疲劳性能得到强化,疲劳寿命增加．

为比较不同轴向位移加载下各试件的初始循环硬化程度,可采用循环硬化率H表示,H=(σa,sat-σa,1)/σa,1,其中,σa,sat,σa,1分别为半寿命(Nf/2)和循环第1圈时的应力幅值．轴向加载位移与循环硬化率之间的关系如图4所示．

结合图3和图4可看出:随着轴向位移的增加,应力幅峰值逐渐增大,但稳定状态历时逐渐减小,疲劳寿命逐渐降低;而循环硬化率呈线性减小,表明焊缝材料应力幅相对增加幅度逐渐减小．

2.2 应力-应变滞回曲线

滞回曲线能够反映材料在整个疲劳寿命周期内应力应变关系及其变化过程,同时能够体现材料在整个过程中吸收释放能量的过程．图5给出了轴向加载位移为0.5 mm时试件的滞回曲线．规定试件受拉为正,受压为负．

图4 各试件循环硬化率及拟合曲线

图5 应力-应变滞回曲线

由图5可看出,初始状态下,滞回曲线包络面积小,耗能能力差,随着循环圈数的增加,滞回曲线变得连续、对称、封闭、光滑、饱满,塑性应变在总应变中占比增大,材料耗能能力显著增加,且很快趋于稳定．试件与疲劳试验机夹持端、15 mm引伸计夹持端在循环加载过程中产生的相对滑移造成了图5中出现的滞回曲线滑移现象,该滑移造成作动力降低,试件应力、应变相应减小．

2.3 断口宏观特征

试验所得疲劳断口如图6所示．该断口可清晰地划分为裂纹源区、裂纹扩展区和裂纹瞬断区,是典型的疲劳破坏断口．

图6 疲劳破坏断口

裂纹源区作为疲劳破坏的初始点,断面平整光滑、呈扇形,疲劳裂纹易于萌生在构件表面应力最高的部位,通常不止一个,并向四周缓慢辐射扩展;裂纹扩展区占据了断口大部分区域,断面较为平整光滑,呈现外凸波纹线,根据波纹线间距,明显看出靠近裂纹源附近裂纹扩展速度快于远离裂纹源的区域;裂纹瞬断区在整个断面中占据面积最小,断面粗糙,呈现放射状,随着裂纹扩展构件有效截面被削弱,当某处应力达到极限强度时,瞬时断裂,为脆性破坏．

3 有限元模型建立与分析

本文选用ANSYS对Q345标准试件进行建模分析,采用八节点SOLID45单元．材料采用双线性等强化模型,泊松比为0.25．该试件由Q345钢母材和焊缝材料组成,2种材料的弹性模量和强度均按实测值选取．试验试件经X射线检测不存在咬边、裂纹等质量缺陷,故有限元分析中不考虑该对接接头缺陷因素．按照焊缝的形状、尺寸精确建模．为保证计算精度且减少计算工作量,网格划分选择在焊缝区域密集、远离焊缝区域稀疏的方式,最小单元尺寸为0.2 mm．建立的标准试件有限元分析模型如图7(a)所示,为与疲劳试验控制条件保持一致,对模型进行优化,去除标准试件夹持端部分,仅考虑疲劳试验机夹持端之间的试件部分,优化后模型如图7(b)所示．

(a) 原模型

(b) 优化后模型

对优化后的试件有限元模型进行分析,与低周疲劳试验荷载加载相一致,采取一端固定、一端施加轴向位移的形式,轴向位移取值分别为0.50, 0.55, 0.60, 0.65, 0.70, 0.75, 0.80, 0.90 mm,对应模型分别为S1～S8．

经ANSYS后处理得到模型S1的应力云图和应变云图, 如图8、图9所示,红色区域为最大值点,由红色到蓝色数值逐渐减小．

图8 应力云图

图9 应变云图

由图8可知，应力云图呈对称性,焊缝接触面附近应力最大,之后向两端逐渐减小．试件中间段截面相同,此区域内应力应为固定值,但因为焊缝区域相对位移较大,接触面附近区域为约束焊缝区域变形,产生了额外的拉(压)应力叠加,成为应力最大的区域．过渡段随着试件截面的增加,应力逐渐降低,符合实际受力情况．试件最大应力为512.143 MPa,焊缝处应力为354.765 MPa,超过Q345材料的屈服强度值,进入塑性变形阶段．

由图9可知，应变最大值出现在焊缝区域,远离焊缝区域应变值逐渐降低．在荷载循环加载过程中,疲劳损伤不断累积,裂纹扩展达到临界状态时,试件脆性断裂．通过有限元分析可得到各试件最大应变,结果如表2所示．

表2 有限元分析得到的各试件最大应变

4 疲劳寿命预测

利用稳态局部应力应变法进行Q345材料的疲劳寿命预测,应变-寿命曲线采用Basquin和Manson-Coffin[10-11]公式,表达式如下:

(1)

该疲劳寿命预测方法通过将测量应变幅代入式(1)即可估算试件疲劳寿命,相较于应力方法更易于实现且准确性更高．

采用低周疲劳试验所得疲劳寿命(见表1)和有限元分析所得最大应变(见表2),拟合得到Q345钢焊缝材料的疲劳寿命预测公式:

εa=0.005(2Nf)-0.282+0.277(2Nf)-0.279

(2)

拟合得到的应变-寿命曲线如图10所示,由图可知试验数据点均匀分布在拟合曲线两侧,吻合良好,表明Q345钢对接接头的低周疲劳寿命可根据式(2)进行预测．

图10 应变-寿命曲线

5 结论

1) 焊缝材料初始阶段呈现出明显循环硬化,之后表现为轻微循环软化现象,整体上提高了材料动态承载能力和疲劳性能．

2) 滞回曲线饱满、连续,耗能能力较好,夹持端的相对滑移导致了滞回曲线的相对滑移及试件应力、应变值的降低．

3) 疲劳断口清晰地展现了疲劳断裂的全过程,对疲劳破坏机理的深入研究具有重要意义．

4) 结合有限元分析可知,试件应力、应变符合实际受力情况,应力接近甚至超过材料屈服强度,试件发生低周塑性疲劳破坏．

5) 建立了Q345钢对接接头的低周疲劳寿命预测公式,为其疲劳分析和寿命预测提供了理论基础．

References)

[1]李杰. 地震循环载荷下钢结构梁柱焊接节点耗能与损伤行为的研究[D]. 天津:天津大学材料科学与工程学院, 2002.

[2]Popov E P, Yang T S, Chang S P. Design of steel MRF connections before and after 1994 Northridge earthquake[J].EngineeringStructures, 1998, 20(12):1030-1038. DOI:10.1016/s0141-0296(97)00200-9.

[3]Miller D K. Lessons learned from the Northridge earthquake[J].EngineeringStructures, 1998, 20(4): 249-260. DOI:10.1016/s0141-0296(97)00031-x.

[4]雷宏刚, 付强, 刘晓娟. 中国钢结构疲劳研究领域的30年进展[J]. 建筑结构学报, 2010(S1):84-91. Lei Honggang, Fu Qiang, Liu Xiaojuan. Research progress of steel structure fatigue in past 30 years in China[J].JournalofBuildingStructures, 2010(S1):84-91. (in Chinese)

[5]Pu Y M, Wang L, Wu J C. The overall anti-seismic properties of Q235B and Q345BH H-beams[J].AnhuiMetallurgy, 2005, 4:1-5.

[6]罗云蓉, 王清远, 刘永杰, 等. Q235、Q345钢结构材料的低周疲劳性能[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2012,44(2):169-175. Luo Yunrong, Wang Qingyuan, Liu Yongjie, et al. Low cycle fatigue properties of steel structure materials Q235 and Q345[J].JournalofSichuanUniversity(EngineeringScience), 2012, 44(2):169-175. (in Chinese)

[7]崔仕明, 王睿东, 游翔, 等. Q345低周疲劳性能与疲劳寿命预测分析[J]. 实验力学, 2014, 29(5): 537-542. DOI:10.7520/1001-4888-13-206. Cui Shiming, Wang Ruidong, You Xiang, et al. On the low cycle fatigue behavior and fatigue life prediction of Q345 steel[J].JournalofExperimentalMechanics, 2014, 29(5): 537-542. DOI:10.7520/1001-4888-13-206.(in Chinese)

[8]周立威, 王海光. Q345级钢结构的疲劳寿命评价方法研究[J]. 宽厚板, 2015, 21(1): 40-42. DOI:10.3969/j.issn.1009-7864.2015.01.010. Zhou Liwei, Wang Haiguang. Fatigue life evaluation method of Q345 steel structure[J].WideandHeavyPlate, 2015, 21(1): 40-42. DOI:10.3969/j.issn.1009-7864.2015.01.010.(in Chinese)

[9]姚卫星. 结构疲劳寿命分析[M]. 北京: 国防工业出版社, 2003:127-139.

[10]Smith K N, Topper T H, Watson P. A stress-strain function for the fatigue of metals(stress-strain function for metal fatigue including mean stress effect)[J].JournalofMaterials, 1970, 5(4):767-778.

[11]Coffin L F J. A study of the effects of cyclic thermal stresses on a ductile metal[J].Ryūmachi, 1953, 22(6):419-606.

Experimental study on low cycle fatigue properties of Q345 steel butt joint

Zhou Yanchun1Li Aiqun1,2Fang Zhao1Li Wanrun1,3

(1School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China)(2Beijing Advanced Innovation Center for Future Urban Design, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China) (3School of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

By constant amplitude axial low cycle fatigue tests, the fatigue performance of butt weld joints made of Q345 was studied in terms of fatigue life, cyclic stress-strain response characteristics and stress-strain hysteresis loops, and the macro-characteristics of the fracture section were examined. Based on the fatigue test data and finite element analysis, the fatigue life prediction equation of the weld material was derived. The results show that the initial stage of the weld material is characterized by obvious cyclic hardening phenomenon, and the latter stage is slight cyclic softening. As a whole,the material strength and fatigue properties are improved. With the increase of the axial displacement, the stress amplitude increases and the cyclic hardening rate linearly decreases. The hysteresis loop is smooth and full, and the energy dissipation capacity of the material is stable. The fatigue fracture section is divided into crack source zone, crack propagation zone and crack transient fracture zone, and thus it is a typical fatigue fracture section. The obtained fatigue life prediction equation can provide important reference for the fatigue analysis and life evaluation of steel structures made of Q345.

Q345; butt joint; weld seam; low cycle fatigue life; finite element analysis

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.018

2017-01-16. 作者简介: 周艳春(1990—)，女，硕士生；李爱群(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，aiqunli@seu.edu.cn.

国家自然科学基金重点资助项目(51438002)、国家自然科学基金资助项目(51278104)、中国博士后科学基金资助项目(2015M571641).

周艳春,李爱群,方钊,等.Q345钢对接接头低周疲劳性能试验研究[J].东南大学学报(自然科学版),2017,47(4):738-742.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.018.

TU318.1

A

1001-0505(2017)04-0738-05