Q460C高强度钢材焊缝连接循环加载试验研究.pdf

建筑结构学报Journal of Building Structures 第 33 卷 第 3 期 2012 年 3 月 Vol. 33No. 3Mar． 2012 003 文章编号 1000-6869 2012 03-0015-07 Q460C 高强度钢材焊缝连接循环加载试验研究 施刚 1，王 飞 2，戴国欣2，王元清1，石永久1 1． 清华大学 土木工程系，北京 100084; 2． 重庆大学 土木工程学院，重庆 400045 摘要 为研究高强度钢材 Q460C 焊缝连接在地震作用下的反应， 对 11 个 Q460C 焊缝连接试件进行了 8 种不同加载制度的 单调和循环加载试验， 分析比较了不同加载制度下的应力- 应变关系， 研究其本构模型、 力学性能、 破坏模式、 变形和延性特 征以及损伤退化特性， 并和母材的性能进行了对比。利用 Ramberg- Osgood 公式对其循环骨架曲线进行了拟合， 确定了拟合 计算式中的待定参数; 通过试验标定了循环荷载作用下本构模型的参数， 采用有限元程序 ABAQUS 利用混合模型对上述循 环加载试验进行了较为准确的有限元模拟。研究结果表明 所有加载制度下试件最终均在焊缝和热影响区交界面拉断， 这 和焊缝连接处的应力集中有关; 与母材单调拉伸性质相比， 焊缝连接试件延性下降显著， 说明焊接过程对钢材有严重影响， 应采取措施避免破坏发生在焊缝区域。 关键词 钢结构;高强度钢材;焊缝连接;循环加载试验;有限元分析;受力性能 中图分类号 TU391TU317. 1文献标志码 A Cyclic loading test on welded connection of high strength steel Q460C SHI Gang1，WANG Fei2，DAI Guoxin2，WANG Yuanqing1，SHI Yongjiu1 1． Department of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China; 2． College of Civil Engineering，Chongqing University，Chongqing 400045，China AbstractIn order to study the behavior of the weld of high strength structural steel Q460C under earthquake loading， 11 welded high strength structural steel Q460C specimens were tested by 8 different monotonic and cyclic loading regimes． The corresponding stress- strain relationships under these different loading regimes were analyzed．The constitutive model， mechanical properties， failure modes， deation， ductility and the cumulative damage deterioration were also studied and compared with the behavior of the base metal． Based on the test results，the cyclic skeleton curves were fitted by the Ramberg- Osgood model． The key parameters in the ula were determined． Furthermore the key parameters of the stress- strain constitutive model of the weld of high strength structural steel Q460C under cyclic loading were calibrated by the test results and accurately simulated using ABAQUS with the mixed cyclic constitutive model． The results show that all specimens of welded connection fracture at the weld heat affected zone，which may be caused by the stress concentration． Welding process results in undesirable influence on ductility of steel structures． Measures should be taken to avoid failure at welded connections． Keywordssteel structure;high strength steel;welded connection;cyclic loading test;finite element analysis; mechanical behavior 基金项目 国家自然科学基金重点项目 51038006 。 作者简介 施刚 1977 ， 男， 安徽铜陵人， 工学博士， 副教授。E- mail shigang mail. tsinghua. edu. cn 收稿日期 2011 年 5 月 51 0引言 近年来随着钢材生产工艺的不断改善和提高， 特别是微合金化技术和热机械处理技术的开发和应 用， 高强度钢材在国内外很多工程中得到了越来越 广泛的应用 ［1 ］。特别是随着一批奥运建筑在国内的 兴建， 让钢结构和高强度结构钢材越来越为人们所 熟知， 同时和高强度结构钢材相匹配的具有足够强 度、 良好韧性和延性的焊接金属材料和焊接技术也 已经比较成熟， 完全能够满足构件的加工制作要 求 ［2 ］。但根据以往的研究成果和工程经验， 在地震 作用下， 焊缝易发生断裂。特别是在美国 Northridge 地震 ［3 ］和日本 Kobe 地震［4 ］中， 很多钢结构节点的焊 缝发生断裂， 造成了较大的损失。目前对焊缝在循 环荷载作用下的受力性能研究还较少。本文对11 个 Q460C 焊缝连接试件进行了 8 种不同加载制度的单 调和循环加载试验， 以期为研究高强度钢材焊接构 件和焊接结构在地震荷载作用下的性能提供依据。 1试验概况 1. 1试验材料 试验中采用的钢材为 Q460C 高强度结构钢材， 钢材材性试验结果如表1 所示， 化学成分如表2 所示。 表 1 Q460C 钢材力学性能 Table 1Mechanical properties of Q460C 下屈服强度 Rel/MPa 抗拉强度 Rm/MPa 断后伸长率 A / 冷弯 180 冲击功吸收 能量/J 46560520. 5d 2a160161183 表 2 Q460C 钢材化学成分 Table 2Chemical composition of Q460C C/Si/ Mn/ P/Cr/ Al/ Mo/ Ti/ Nb/ Cu/ Ni/V/ Ceq/ 0. 1900. 221. 510. 0130. 050. 035 0. 003 0. 002 0. 0210. 070. 030. 045 0. 468 1. 2焊接工艺 试件焊接采用气体保护焊， 焊丝型号为 JM- 60， 直径为 1. 2 mm， 焊剂采用混合气体 80 Ar 20 CO2的气体保护焊， 参照 JGJ 812002建筑钢结构 焊接技术规程 ［5 ］的要求， 焊缝为 V 型坡口焊， 如图1 所示， 坡口角度为 45， 板厚为 14 mm。焊接前除锈、 打磨、 层间清理、 清渣、 除飞溅、 磨光等。焊缝焊接顺 序见图 2， 焊接工艺参数如表 3 所示。试件尺寸如图 3 所示， 焊缝连接接头标距为 20 mm， 包括焊缝、 热影 响区和母材 3 个区域。 图 1试件取样和焊缝型式 Fig． 1Specimen sampling and weld configuration 图 2试件焊接顺序 Fig． 2Welding sequence of specimens 图 3试件尺寸 Fig． 3Dimensions of specimens 表 3焊接工艺参数 Table 3Welding parameters of specimens 焊缝电流/A电压/V 焊接速度/ cmmin －1 热量输入 kJ/cm 1260 ～26526 ～283312 ～13 2270 ～27529 ～313414 ～15 3230 ～23525 ～273210 ～12 4230 ～23525 ～273210 ～12 1. 3加载方案 试验分别进行了单调和循环加载。单调加载包 括 3 个单调拉伸试件和 2 个单调压缩试件， 循环加载 总共有 6 种加载制度， 详见表 4 和图 4。试验在图 5 所示的低周拉扭复合万能疲劳试 验机 Instron Model 1343 上进行， 采用位移加载控制， 利用拉压引伸 计测量位移。 本文提取的应力- 应变曲线， 应 力 σ F/A， 其中试件的截面面积 A 取焊缝连接范围内的最小截面面 积， 而不是未打磨的焊缝高度处， 最小截面和焊缝高度处截面的高 度值 h1、 h2见表 5 和图 6 所示， 两 个截面的宽度值 w 是相同的， A h1 w。 61 表 4试件循环加载制度 Table 4Cyclic loading programs of specimens 序号试件编号加载制度 1WJ1- 1 ～ WJ1- 3单调拉伸 2WJ2- 1 ～ WJ2- 2单调压缩 3WJ3- 1关于 ε 0 对称加载， 等应变增量 0. 50对称逐级加载， 先拉后压， 每级循环 1 次 4WJ3- 2关于 ε 0 对称加载， 等应变增量 0. 25对称逐级加载， 先拉后压， 每级循环 1 次 5WJ3- 3关于 ε 0 对称加载， 等应变增量 0. 25对称逐级加载， 先拉后压， 每级循环 2 次 6WJ3-4关于 ε 0 对称加载， 等应变增量 0. 25对称逐级加载， 先压后拉， 每级循环 1 次 7WJ3- 5关于 ε 0 对称加载， 等应变增量 0. 25对称逐级加载， 先压后拉， 每级循环 1 次 焊缝打磨 8WJ4- 1关于 ε 0 对称加载， 以应变 1等幅度加载 19 圈 图 4加载制度示意图 Fig． 4Sketch of cyclic loading regime 图 5试验设备 Fig． 5Test equipment 图 6截面尺寸 Fig． 6Sectional dimensions 2单调加载试验结果 焊缝连接试件单调拉伸和压缩的应力- 应变曲线 如图7 所示， 表6 为其单调加载作用下力学性能的统 计。从图7 可以看出， 焊缝连接单调拉伸经历完弹性 段后， 没有出现如母材在单调加载作用下的屈服平 表 5试件截面尺寸 Table 5Sectional dimensions of specimens 试件编号 h1/mmh2/mmw /mm WJ1- 114. 6216. 5013. 88 WJ1- 214. 7217. 0413. 90 WJ1- 314. 7216. 6614. 02 WJ2- 114. 6016. 2814. 12 WJ2- 214. 7217. 0614. 06 WJ3- 114. 6817. 9213. 92 WJ3- 214. 7216. 5413. 92 WJ3- 314. 9016. 8613. 82 WJ3-414. 3214. 3214. 24 WJ3- 514. 6816. 9213. 78 WJ4- 114. 8618. 3214. 48 a试件 WJ1- 2 单调拉伸 b试件 WJ2- 1 单调压缩 图 7单调加载应力- 应变曲线 Fig． 7Stress- strain curves of monotonic loading 台 ［8 ］， 故表 6 中的屈服强度取卸载后试件残余应变 为 0. 2时的应力， 其中卸载直线的斜率取为初始弹 性模量。与同样尺寸母材单调加载力学性能相比， 焊缝连接的强度有很大的提高， 但极限抗拉强度 fu 和断裂强度 ff对应的应变 εu和 εf下降幅度较大， 这 表明单调拉伸荷载作用下， 与高强度钢材母材相比， 71 表 6试件单调加载力学性能参数 Table 6Mechanical properties of specimens under monotonic loading 试件编号E /MPa fy/MPafu/MPaff/MPaεy/εu/εf/ WJ1- 1195 0004896745370. 447 67. 8116. 01 WJ1- 2215 0004606675090. 414 18. 2924. 10 WJ1- 3216 0004956685130. 429 59. 5221. 01 平均值209 000481 470670 620520 3940. 430 48. 54 12. 4320. 37 45. 50 WJ2- 1226 000499673压屈0. 420 89. 93压屈 WJ2- 2186 000503675压屈0. 470 48. 90压屈 平均值206 000501 510674 662压屈0. 443 29. 41 7. 67压屈 注 E 为焊缝连接弹性模量; fy为屈服强度; fu为焊缝连接的极限抗拉强度; εu为 fu对应的应变; ff为焊缝连接断裂时的强度值; εf为 ff对 应的应变; 括号内数值为同样尺寸母材单调加载力学性能。 其焊缝连接的强度提高， 但延性变差; 而焊缝在单调 压缩荷载作用下的性能与母材差异不大。所有单调 拉伸试件均在靠近焊缝的热影响区位置断裂。 3循环加载试验结果 所有循环加载试件当发生较大屈曲变形导致引 伸仪无法测量时停止循环加载， 然后将试件直接拉 断。Q460C 钢材焊缝连接试件的循环加载应力- 应变 曲线如图8 所示。按最初设计想法， 对称循环加载时 的应变增量均为 0. 50， 如试件 WJ3- 1， 但由于在 此应变增量下试件循环 5 圈后就发生严重的屈曲现 象， 为了使试件有更多的滞回环， 发生更多的塑性损 伤累积， 将后续加 载 制 度 中 的 应 变 增 量 减 小 为 0. 25。试件 WJ3- 5 和 WJ4- 1 因为加载是手动加 载， 电压不稳使得加载后的曲线与表 4 中预先设计 的加载制度有差异， 其中 WJ3- 5 在第 9 圈 倒数第 2 圈 压应变加载到 －3. 33 预期加载为 － 2. 25 ; 等幅加载试件 WJ4- 1 在第 6 圈时加载应变量为 1. 25 预期加载为 1. 00 ， 其余的应变增量 和预期设计值相差很小， 均在 5内。 表 7 为所有试件循环加载下力学性能的统计， 其中滞回能量是焊缝连接试件在各自加载制度下从 零点开始直至断裂为止荷载- 位移曲线所包围的面 积。从表中可以看出， 几种加载制度下焊缝连接的 极限抗拉强度 fu以及断裂时的强度值 ff变化不大， 但 对应的应变值有差异， 其中试件 WJ3- 5 的应变值 εu 和 εf最小， 这和在倒数第 2 圈加载过程中压应变值 突然变大有关， 说明最大位移对试件的滞回性能有 重要影响。为方便对比而设计的试件 WJ3- 2 和试件 WJ3- 3， 两者各项参数变化不大。循环荷载作用下焊 缝连接试件的 fu高于母材， 但断裂时的应变值小于 母材 ［8 ］， 这和单调加载作用下焊缝试件的力学性能 是一致的， 这是因为整个焊缝连接包括了 3 个区域 母材、 热影响区、 焊缝区， 各个区域组织不均匀导致 了力学性能并不一致 ［6 ］。由于试件的焊缝没有磨 平， 导致在焊缝和热影响区交界面上出现几何尺寸的 突变， 产生应力集中现象。从试验中也可以看出， 所有 的单调拉伸和循环加载试件大都在焊缝和热影响区 交界面处拉断。 图 8循环加载应力- 应变曲线 Fig． 8Cyclic stress- strain curves 表 7试件循环加载力学性能参数 Table 7Mechanical properties of specimens under cyclic loading 试件 编号 fu/ MPa ff/ MPa εu/ εf/ 滞回 圈数/圈 滞回能量/ Nmm WJ3- 16905307. 0317. 2551 032 547 WJ3- 26725425. 8516. 67118 488 071 WJ3- 36665308. 0116. 392012 269 428 WJ3-46825407. 8712. 83107 646 726 WJ3- 56495192. 323. 76105 947 409 WJ4- 167454810. 2820. 63198 770 265 81 4电镜试验结果 图 9 所示为单向加载、 对称逐级加载和等幅加 载作用下试件断口的电镜扫描图， 可以看出， 3 种加 载制度下断口均为韧窝断裂， 但韧窝的大小和深浅 有差异， 这与温度和加载速率均有关系。 图 9电镜扫描 Fig． 9Electron microscope scanning 5循环加载骨架曲线 材料在循环荷载作用下的骨架曲线可以用式 1 的 Ramberg- Osgood 公式 ［7 ］及其变形式式 2 进行 拟合， 图 10 为利用软件 origin 对试件 WJ3- 1 ～ WJ3- 5 骨架曲线进行拟合的结果以及和单调拉伸曲线的比 较， 可以看出拟合效果很好。循环荷载作用下焊缝 连接的强度提高， 随着应变幅的增加， 其与单调拉伸 应力- 应变曲线之间的差距变小。表 8 分别给出了 5 个试件的公式 1 中参数 K 循环强度系数 ，n 循环应变硬化指数 的值， 它们的平均值分别为 874. 62 和 0. 085 2， 与母材的相应值 平均值分别为 887. 90 和 0. 114 6［8 ］ 相比， 焊缝连接的循环强度系 数 K 有所降低， 焊缝连接的循环应变硬化指数 n 更 小， 表明同样的应力幅， 相对应的应变越大。用参数 K 和 n 的平均值可以表达此类焊缝连接的循环加载 性能， 即得到式 3 。 Δε 2 Δεe 2 Δεp 2 Δσ 2E Δσ 2K 1/n 1 ε σ E σ K 1/n 2 Δε Δσ E 2 Δσ 1749. 25 11. 737 3 图 10循环加载骨架曲线和单调拉伸曲线比较 Fig． 10Comparison of cyclic and monotonic stress- strain curves 表 8试件循环强化参数 Table 8Parameters of cyclic hardening 试件编号E / Nmm －2 K / Nmm －2 n WJ3- 1205 0001 003. 400. 113 9 WJ3- 2211 000904. 990. 092 3 WJ3- 3208 000767. 720. 058 5 WJ3-4216 000865. 510. 080 3 WJ3- 5210 000831. 480. 081 2 平均值210 000874. 620. 085 2 6循环加载本构模型 焊缝连接在各种循环加载制度下滞回曲线的模 拟可参考文献［ 9］ 中提出的混合模型， 它考虑了材料 在循环荷载作用下加载面的平动和膨胀， 此模型需 要利用试验数据对模型中的参数进行校准， 校准结 果如表9 所示。利用 ABAQUS 中的 cycle harden 材料 属性对文中上述循环加载试验进行模拟， 有限元和 试验结果的比较如图 11 所示。从图 11 中可以看出， 曲线整体吻合较好， 但再加载曲线位置略鼓， 这主要 是和模型中再加载曲线选取形式相关。由于根据试 件 WJ3- 1 滞回曲线得到材料参数并应用到所有的加 载制度之中， 不可避免会存在一定差异， 也说明了焊 缝对于结构构件离散性的影响。 91 图 11循环加载应力- 应变滞回曲线试验结果和有限元计算比较 Fig． 11Comparison of test and FEA results of stress- strain hysteretic curves under cyclic loading 表 9试验试件参数校准 Table 9Calibration parameters of specimens 试件 σ0/ N mm －2 Q∞/ N mm －2 bISO Ckin， 1/ N mm －2 γ1 Ckin， 2/ N mm －2 γ2 WJ3- 14811487. 2819 3474707 048185 注 σ0为屈服面变化大小;Q∞为屈服面的最大变化值;bISO为屈服面变化率; Ckin， 1和 Ckin， 2为背应力参数; γ 为背应力变化速率。 7结论 对 11 个 Q460C 高强度结构钢材焊缝连接试件 进行了 8 种不同加载制度的单调和循环加载试验， 研究了其单调和循环加载性能， 比较了单调加载曲 线和循环加载骨架曲线的差异， 得到如下结论 1 Q460C 高强度钢材焊缝连接试件单调拉伸 时其应力- 应变曲线没有明显的屈服平台， 与母材单 调拉伸性质相比， 其强度有所提高， 但延性下降较多。 2 Q460C 高强度钢材焊缝连接试件在循环荷 载作用下滞回曲线仍然很饱满， 与母材相比， 各种循 环加载制度下焊缝连接的强度提高， 但试件断裂时 的应变值小于母材。 3 所有加载制度下， 试件最终均在焊缝和热影 响区交界面拉断， 这和焊缝连接处的应力集中有关。 4 利用 Ramberg- Osgood 公式可以很好地拟合 Q460C 高强度钢材焊缝连接试件的循环加载骨架曲 线， 并得到循环强度系数 K 和循环应变硬化指数 n 的平均值分别为 874. 62 和 0. 085 2。 5 采用本文试验所标定混合模型参 数， 利用有限元软件 ABAQUS 能较好地模 拟 Q460C 高强度钢材焊缝连接在各种循环 加载制度下的滞回曲线。这为准确分析高 强度钢材钢结构在地震作用下的焊缝连接 受力性能提供了依据。 参考文献 ［ 1］ 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 Yuanqin． Engineering application of ultra- high strength steel structures［J］ ． Progress in Steel Building Structures，2008，10 4 32- 38． in Chinese ［ 2］ 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 ［ 3］ Duane K M．Lessons learned from the Northridge earthquake［ J］ ． Engineering Structures，1998，20 4/ 5/6 249- 260． ［ 4］ 南黄翼，张锡云． 日本阪神地震中的钢结构震害 ［J］ ．钢 结 构，1995，10 2 118- 127． Huang Nanyi，Zhang Xiyun． On disaster of structural steel in great Hanshen quake in Japan［ J］ ． Steel Construction， 02 1995， 10 2 118- 127． in Chinese ［ 5］ JGJ 812002建筑钢结构焊接技术规程［S］ ． 北 京 中国建筑工业出版社， 2002． JGJ 812002 Technical specification for welding of steel structure of building［S］ ． BeijingChina Architecture ＆ Building Press， 2002． in Chinese ［ 6］ FEMA． State of the art report on past perance of steel moment- frame buildings in earthquakes ［R］ ． Report No．FEMA- 335B．Washington DCFEMA， 2000． ［ 7］ Ramberg W，Osgood W R． Description of stress- strain curves by three parameters［ R］ ． TN 902． Washington DC UniversityofWashington， NationalAdvisory Committee for Aeronautics， 1943． ［ 8］ 施刚， 王飞， 戴国欣， 王元清， 石永久． Q460C 高强度 结构钢材循环加载试验研究［J］ ． 东南大学学报， 2011， 41 6 1259- 1265． SHI Gang，WANG Fei， DAIGuoxin， WANGYuanqing， SHIYongjiu． Experiment analysis for welded high strength steel Q460C under cyclic loading［J］ ． Journal of Southeast University， 2011， 41 6 1259- 1265． in Chinese ［ 9］ Chaboche J L． Time independent constitutive theories for cyclicplasticity ［J］ ．InternationalJournalof Plasticity， 1986， 2 2 149- 188． 12