钢结构节点断裂的研究现状.pdf

第 3 3卷 第 1期 2 0 1 6年 1月 建筑科 学与工程 学报 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g Vo 1 ． 3 3 NO ． 1 J a n ．2 0 1 6 文章编号 1 6 7 3 2 0 4 9 2 0 1 6 O 1 0 0 6 7 0 9 0 钢 结构节点 断裂 的研究现状 廖芳芳 ， 王 伟 ， 李文超 ， 周天华 1 ．长安大学 建筑工程学 院， 陕西 西安7 1 0 0 6 1 ； 2 ．同济大学 土木工程 防灾国家重 点实 验室 ， 上海 2 0 0 0 9 2 摘要 对钢框 架梁柱节点及钢管节点断裂的研究现状进行 了综述 ， 指 出现有研究多是基于传统断裂 力学方法采用应力强度 因子、 裂纹尖端张开位移 C TO D 或 J 积分等预测断裂， 这种方法主要适用 于研 究脆性断裂或局部 塑性损伤程度极其有限的伪脆性断裂问题， 而对强震作 用下构造无明显缺 陷部位发生较大尺度屈服时的延性断裂问题并不适用； 介绍 了近年来发展 的基 于微观机制的断裂 预测方法 ， 可以考虑节点 区显著的应力三轴度 因素 ， 且适用于无初始裂纹或处于明显塑性阶段的节 点延性断裂预 测问题 ， 可用于预测强震作用下钢结构焊接节点的超低周疲劳断裂。 关键词 钢框架梁柱节点 ； 钢管节点； 断裂； 研究现状 ； 微观机制模型； 强震 中图分 类号 T U3 7 5 ． 4 文献标 志码 A Re v i e w o n Re s e a r c h S t a t u s o f Co n ne c t i o n Fr a c t ur e o f S t e e l St r u c t u r e s LI AO Fa ng f a ng ，W ANG W e i ，LI W e n c h a o ，ZHOU Ti a n hua 1 ．S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g，Ch a n g’ a n Un i v e r s i t y ，Xi ’ a n 7 1 0 0 6 1 ，S h a a n x i ，Ch i n a ； 2 ．S t a t e Ke y L a b o r a t o r y f o r Di s a s t e r Re d u c t i o n i n Ci v i l En g i n e e r i n g，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，Ch i n a Abs t r a c t Re s e a r c h s t a t us of t h e f r a c t ur e s of b e a m t o c o l u m n c o n ne c t i o ns of s t e e l f r a m e a n d s t e e l t ube c on ne c t i on s we r e r e v i e we d．Ba s e d o n t r a di t i o na l f r a c t u r e m e c h a ni c s m e t hod，i t wa s i n di c a t e d t h a t t h e e x i s t i n g r e s e a r c h e s mo s t l y p r e d i c t e d f r a c t u r e b y u s i n g t h e s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r ，c r a c k t i p o p e n i n g d i s p l a c e me n t C TODo r J i n t e g r a l ，e t c ．Th e me t h o d wa s ma i n l y f i t f o r t h e r e s e a r c h o n b r i t t l e f r a c t u r e o r p s e u d o b r i t t l e f r a c t u r e wi t h l i mi t e d l o c a l p l a s t i c d a ma g e ．W h i l e i t wa s n o t f i t f o r t h e duc t i l e f r a c t ur e pr e d i c t i o n of t he p a r t s wi t h l a r ge s c a l e yi e l di ng r e gi o n a nd n o i ni t i a l f l a w u nd e r s t r o ng e a r t hq u a ke s ． The r e f o r e，t he f r a c t u r e pr e d i c t i o n m e t ho d ba s e d o n m i c r o m e c ha n i c s d e v e l o p e d i n r e c e n t y e a r s wa s a l s o i n t r o d u c e d ．I t c o n s i d e r e d t h e s t r e s s t r i a x i a l i t y i n t h e j o i n t a r e a a n d wa s f i t f o r t h e d u c t i l e f r a c t u r e p r e d i c t i o n o f t h e j o i n t wi t h n o i n i t i a l f l a w o r i n o b v i o u s p l a s t i c ph a s e ．I t c a n be u s e d t o pr e d i c t e x t r e me l y l ow c y c l e f a t i gue f r a c t ur e of we l d e d c o nn e c t i o ns o f s t e e l s t r uc t u r e s un de r s t r on g e a r t h qu a ke s ． Ke y wo r d s b e a m t o - c o l u m n c on ne c t i on of s t e e l f r a me；s t e e l t u be c o nn e c t i o n；f r a c t ur e；r e s e a r c h s t a t us ；mi c r o me c ha n i c a l mod e l ；s t r o ng e a r t hq ua k e 引 断裂是建筑结构的一种重要 失效模式 ， 由连接 节点断裂失效导致结构整体发生倒塌 的事故近年来 时有发生 ， 这些事故不仅造成人员伤亡 ， 而且给社会 带来巨大的经济损失 ， 引起了工程界的高度关注 ， 如 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 7 2 1 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 1 4 0 8 0 5 5 ， 5 1 3 7 8 3 8 0 ； 中央高校基 本科研业 务费专项资金项 目 3 1 0 8 2 8 1 5 1 0 7 0 ； 陕西省博士后科研项 目 作者简介 廖芳芳 1 9 8 3 一 ， 女 ， 湖南怀化人 ， 讲 师 ， 工学博士 ， 博士后 ， E - ma i l f a n g f a n g l i a o c h d ． e d u ． c n 。 吉 目 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 8 建 筑科 学与 工程 学报 2 O 1 6隹 2 0 0 4年 巴黎戴 高乐机场候 机厅 顶棚发 生倒塌L 1 j 。 法国交通部调查后发现引起这一事故的导火索为候 机厅顶棚 与钢结构支柱 连接处 的突发性断裂 。在 1 9 9 4年 的美 国 No r t h r i d g e地震 和 1 9 9 5年 的 日本 Ko b e地震中 ， 大量钢结构房屋发生倒塌破坏。震后 调查表明， 这些框架结构的梁柱节点及其周围普 遍 存在断裂现象_ 2 ] 。这些大型钢结构 的断裂事故充分 表 明， 对于连接节点断裂行 为机理 的研究和工程 断 裂判定准则 的建立已成为 目前亟待解决的课题 。本 文基于这一背景， 主要介绍钢结构节点断裂的研究 现状及存在的问题 。 1 钢 结构 节点 断裂行 为的研 究现状 1 ． 1 钢框架梁柱节点断裂行为的研究现状 目前关于节点断裂的研究主要集 中在钢框架梁 柱节点的断裂行为研究 。以往的梁柱节点试件多数 为 H 型梁一 H形柱翼缘焊接腹板螺栓连接节点 。日 本在 2 O世纪 7 O年代 以前 采用 的也是 这种结构形 式 ， 因而以武藤清教授为主做 了许多这种形式的足 尺试验。结果表明， 焊接质量较好的试件有足够 的 非 弹 性变 形能 力 ， 而 焊 接缺 陷引 起 的刻 痕 效 应 足 以 使重型 H 型试件在 常温下发生脆性断裂。2 O世纪 7 0年代 中期 以后， 日本开始改用 H 型梁一 箱 型柱 结 构形式 ， 同时构件尺寸不断增大 ， 施工工艺也有所变 化 ， 但 由于足尺试验 的诸多困难 ， 使得基于足尺模型 的断 裂试 验难 以实 现_ 3 ] 。 在过去的 3 O多年里 ， 以 P o p o v为代表 的美 国 学者陆续进行了大批 的梁柱节点在低周反复荷载作 用下的试验研究 ， 试验 中的脆性断裂现象 比例相 当 高 。在 2 0世纪 8 0年代早期 ， 为给某 4 7层建筑抗弯 钢框架的设计提供依据 ， B e r t e r o等针对该抗弯钢框 架节点板域大、 高轴压力和有倾覆弯矩等特点设计 了 7 个试件 ] 。由于试验设备所 限， 试件取原型 的 一 半大小 。大部分试件在焊缝处或在焊缝热影响区 处发生 了脆 性破坏 ， 破坏时板 域无 明显塑 性变形。 后来 Ts a i 等L 5 ] 设计 了 1 0个翼缘焊接 、 腹板螺栓连 接 的梁一 宽翼缘柱连接试件 ， 在悬臂梁端部施加递增 的循环位移 ， 研究的主要参数包括梁翼缘 与整个梁 截面塑性截面模量之比、 腹板附加螺栓 、 腹板附加焊 缝及柱板域强度。试验结果表明 该节点在反复荷 载作用下的塑性转动 能力在 0 ． 0 0 9 ～0 ． 0 1 8 r a d范 围内， 并与梁翼缘与整个 梁截面塑性截面模量之 比 没有明显关系； 梁翼缘的抗 弯强度能较准确地预测 该节点的极 限抗弯承载力 ； 腹板附加焊缝能显著 提 高该节点的强度 、 延性和能量吸收能力 ， 而腹板附加 螺 栓却 不能 。 1 9 9 4年美 国 No r t h r i d g e地震 和 1 9 9 5年 日本 Ko b e地震 中， 钢 框架结构 出现 了大量脆性 断裂现 象l 6 ] ， 引起工程界的广泛关注。由美 国加州结构工 程师协会、 应用技术委员会和从事地震工程研究的 J 3 n , i I 大学三方组成 的联合体 S AC J o i n t Ve n t u r e 率先启动了通过试验研究 、 理论分析 和有 限元模 拟 技术考察钢框架梁柱节点失效行为的研究项 目口 ] ， 其中大部分试验为动力或静力荷载下的足尺连接试 验L 8 - 1 0 l ， 理论研究则主要与钢框架体 系的整体行 为 有关 ， 以考察节点断裂对结构整体行为的影响效应 ， 并研究该分析方法对预测损伤程度和断裂位置的实 用性I 8 ] 。有限元模拟主要是对试验结果进行校 验 ， 在此基础上提取节点关键部位的应力 、 应变参数 进行传统断裂力学指标的参数计算 。Ka u f ma n n 等_ 】 钉 研究 了破坏节 点断裂表 面及试验试件 的焊接 缺陷， 发现在柱的焊缝表面存在不 同尺寸的裂纹缺 陷 图 1 ， 对断 口的显微检测分析表明断裂时节 点 没有 显著 的 塑性变 形 ， 以至 于 N o r t h r i d g e地 震 的破 坏 多数是 不 可预测 和解 释 的 。J o h等 。 用 线弹 性 断 裂力学方法对翼缘焊接 、 腹板螺栓连接节点的断裂 强度进行 了研究 ， 提 出了一种用破坏 时裂缝前端的 最大能量释放率计算 节点脆性断裂强度的新方法 。 基于该建议方法 ， 他们 用 1个焊缝缺 陷分布和屈服 应 力 分 布 样 本 研 究 了 节 点脆 性 断裂 的可 能 性 。 S c h a f e r 等口 指出应力三轴度对钢框架梁柱节点的 断裂有很大影响 ， 应力三轴度越大 ， 发生断裂的可能 性就 越大 。 圈 1 柱 焊 缝 表 面 的典 型 裂纹 状 缺 陷 和 假 定 的 边 缘 裂 缝 Fi g ． 1 Ty pi c a l Cr a c k- l i ke De c t a nd As s u me d Ed g e Cr a c k a t Co l u mn W e l d I nt e r f a c e 日本也 同期开展了这方面的研究_ 1 。 。 ， Az u ma 等[ 2 。 。 进行了 4个带焊接缺陷 的梁柱节点在反复荷 载作用下 的足尺试验 和非线性有限元分析， 以评定 焊接缺陷对梁柱节点 的重要影响。结果表明， 用角 焊缝加强部分焊透的坡 口焊未融透区域能使焊接节 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 l期 廖芳芳 ， 等 钢 结构节点断裂的研 究现状 6 9 点有足够的横截面 ， 延性裂纹稳定扩展 ， 从而使节点 有足够的变形能力 ， 而焊根处带焊接缺陷的节点延 性 裂纹扩 展 迅速 ， 最 后 发 生 脆 性 断 裂 破 坏 。 以 Ku wa mu r a 为代表的研究人员直接从梁柱连接 的不 同 部位多点取样 ， 进行拉伸试验 、 硬度试验和夏比冲击 试验， 从断裂前后材质 的变化推断断裂破坏 的发展 过程。他们提出了一种基于性能 的防止 Ko b e 地震 中观察到的钢框架梁柱节点脆性断裂 的方法 ， 根据 脆性断裂前梁的塑性变形能力 ， 将结构钢和焊缝 的 质量分别分为 4个等级 母材主要考虑屈强 比和夏 比冲击韧性 ， 焊缝主要考虑焊接时的热量输入和节 点构造 ， 并用 Ko b e地震后 1 2 5个试件 的足尺试验 和分析数据验证了这种基于性能的母材和焊缝的分 级 。在实际应用中， 为综合考虑母材和焊缝 的等级 ， 用延性指标来计算钢框架的塑性强度_ 2 船 ] 。同时他 们还进行了构件与节点 的足尺低温动载试验 ， 采用 电子显微技术进行断 口特征分析， 考察断裂发生 和 成长的轨迹 。 中国学者早期主要从梁柱节点的低周反复拟静 力加载试验人手 ， 辅以三维弹塑性有限元分析 ， 采用 塑性应变指标或传统断裂力学指标探讨节点的断裂 机理l_ 2 。后又逐渐发展到采用裂纹尖端张开位移 C T OD 指标作为断裂判据进行钢结构构件抗低温 脆断设计方法的研究以及基于损伤累积理论对钢结 构断裂破 坏行为 的分析l_ 2 。李 国强等 介绍 了 No r t h r i d g e 地震和 Ko b e地震 中钢框架梁柱焊接节 点的断裂破坏模式 ， 结合 H 形梁一 H 形柱节点低周 反复荷载试验的断裂现象， 指出梁柱焊接连接脆 性 断裂对节点承载力影响极 大， 而脆性断裂 的原因主 要有焊接缺陷 、 构造不合理及设计方案欠妥等， 以降 低梁柱焊接连接缺陷敏感度为 目标探讨了预防脆性 断裂 的措 施 。姚 国春 等 。 。 。 对 地 震 中钢 框架 梁柱 节 点脆性断裂的原因和预防措施进行 了研究。陈以一 等[ 3 妇 对钢框架节点在强烈地震或极端荷 载情况 下 因突然断裂引起的冲击作用进行 了试验研究， 验证 了采用具有高频采样能力的测试设备准确测取断裂 过程 中结构反应的可行性 ， 揭示了节 点瞬间断裂仍 然包含渐进性和局部性 2个特点 。刘永明等口 。 采 用杆 端非 线性 弹簧模 型 对钢框 架 梁柱节 点在 地震 作 用 下 的 断裂 破 坏 模 式 进 行 数值 模 拟 ， 对 结 构 钢 Q2 3 5 C， Q3 4 5 C 焊接热影响区断裂性能进行了试 验研究 ， 获得了 2种材料在焊接热影响区的 ． ， 阻力 曲线， 通过比较不同的断裂准则， 考虑了裂纹失稳扩 展前 的稳态裂纹 累积 ， 根据 J积分撕裂模量法建立 了裂纹失稳 的失效评定图， 设定了模型参数 ， 并验证 建立的模型及算法可充分反映局部断裂后节点滞回 性能的主要特点 ， 归纳 出适用于整体结构分析 的考 虑节点局部断裂的非线性 弹簧模型 。王元清等 以 I 型裂纹尖端应力强度因子和 J 积分为定量评价 指标 ， 分析了焊接孑 L 形式 、 初始缺陷尺寸及位置、 焊 接垫板、 角焊缝补强等设计细节对节点材料断裂韧 性需求 的影响。石永久等[ 3 研究 了不同构造形式 对钢框架焊接节点抗震性能的影响以及构造形式对 节点地震作用下的反应和破坏形态的改变作用 。 总体来看 ， 现有钢框架梁柱节点断裂的研究成 果 已较多 ， 主要体现在 ①通过梁柱焊接节点的足尺 模型试验识别导致连接早期断裂 的因素 ， 包括高应 变速率、 构件内部缺陷 、 现场焊接缺陷和低韧性钢材 的使用等 ； ②发展了基 于线弹性断裂力学和弹塑性 断裂力学的数值仿真技术 ， 先后提 出了与能量 释放 率准则和应力强度因子准则等有关的脆性断裂分析 方法 ； ③设计了有助于提高钢框架梁柱节点断裂韧 性的构造改进措施 ， 如减小梁底翼缘处截面宽度 ， 梁 底翼缘处设置腋板 ， 梁端上下翼缘设置螺栓托座、 翼 缘盖板及采用“ 狗骨” 截 面梁等 ， 并对其改进效果 进 行 了试验 评价 ； ④ 初 步 建立 了能 够 反 映 连 接 断裂 和 此后强度与刚度损失 的节点数值模型 ， 并应用于焊 接钢框架的地震反应分析。然而节点断裂仍有许多 要继续研究的课题 ① 对造成节点断裂 的各种 因素 的深入研究 ， 从机理上对节点断裂进行分析 ； ②节点 断裂部位 的预测分析 ； ③建立在钢结构构件层 面上 的断裂分析数值模拟 ， 包括模型 的建立 ， 断裂临界条 件的确定 ， 断裂后 的平衡 ， 断裂后的路径， 不连续 位 移场的处理 ； ④断裂后结构整体性能的研究等。 1 ． 2钢管 节点 断裂 行为 的研 究现 状 与一般框架建筑结构相 比， 大跨 公共建筑的重 要性和影响程度不言而喻 。钢管结构是近年来大跨 公共建筑广泛采用的结构形式 。随着中国城镇化建 设 的迅 猛 发 展 和北 京 2 0 0 8年 奥运 会 、 上 海 2 0 1 0年 世博会的召开 ， 中国钢管结构得到前所未有 的发展 和应用 。该类结构最常采用钢管直接焊接节点的抗 断裂性能对整体结构的安全性至关重要 ， 应得到研 究 人员 的足 够重 视 。根据 各 国钢管 节点 承 载力研 究 的相关报道 ， 实际工程或试验 中时常发生节点延性 断裂破坏模式。这一方面与钢管节点相贯线 区域处 于复杂应力状态有关 ， 几何外形的突变较易 引发应 力集中， 不能用简单的单向应力状态来预测断裂 ， 因 此 目前 尚缺乏准确有效的节 点断裂强度验算 公式； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 O 建 筑科 学与 工程 学报 2 O 1 6年 另一方面也与钢管节点的构造特点有关 ， 即由于相 贯部位腹杆钢管 内难以安放内衬 ， 焊缝 根部 的全熔 透要求经常无法达到 ， 从 而形成构造缺陷。这种缺 陷是否会导致节点在地震作用下提前开裂从而降低 承 载能力 需 要加 以专 题研 究 。 目前各国对钢管节点的研究大多集 中于静力承 载性能和非刚性变形 性能问题 的探讨 ， 而对于主管 与支管焊接部位断裂 的研究相对较少 。C o r e r 等口 阳 和 Wa n g等_ 3 ] 基于连续损伤力学 C D M 对 T型、 K 型 和 K K 型 管节 点 的宏观 裂纹 开展 进行 了试 验 和有 限元分析 ， 建立了一个可 以较好预测管节点宏观裂 纹开展的损伤准则。Gu r s o n模 型能模 拟带微 空穴 的材料塑性屈服特性 ， Qi a n等[ 3 采用 Gu r s o n模型 研究 了 2种加载情况下 的圆钢管节点 ， 在轴 向拉伸 时空穴扩张和聚合 的效果 比剪切时更明显 ， 同时研 究了带初始裂纹 和不带初 始裂纹 2种类型 的管节 点， 延 性断裂 引起材料软化 ， 导致荷载一 位移曲线下 降， 这与试验结果一致 。由于缺乏材料数据 ， 他们还 对 Gu r s o n 材 料 特 性 进 行 了 敏 感 性 研 究 。 L i e 等_ 3 o _ 对带初始裂纹的方钢管焊接 T型节点进行 了一系列足尺静力强度试验和精确数值模拟。试验 中在支管端部对节点施加轴力 ， 用势能下降技术监 测裂纹扩展， 并用线性变化位移传感器记录裂纹尖 端张开位移。试验在室温下进行 ， 因此材料处 于延 性一 脆性转变曲线的上界 ， 发生延性破坏。所有试验 都在较小的区域发生稳定的延性撕裂。基于屈服线 理论计算了塑性破坏荷载 ， 并用于 B S 7 9 1 0的失效 评定 图 F AD ， 其足以提供评定带裂纹 的方钢管截 面 T型节点的破坏过程。部分 T型节点精确数值 模型计算 的极 限荷 载与试验结果 吻合较好， 证 明了 该数值模 型的可行性 ， 在此基础上 ， 用这个模型研究 了不 同几何尺寸的节点并与屈服线理论的计算结果 进行 了比较 ， 结果表明 ， 支管与 主管 宽度 比 0 ． 8 时用屈服线理论能较准确地预测节点的塑性破坏荷 载。B j o r k等 u 对冷弯型钢矩形空钢管截面制作的 焊接 K 型 足尺 节点 的变 形 、 极 限承 载 力 和断 裂 特 性 进行 了试 验和数 值分 析。在 一6 0℃ ～2 3℃ 范围 内， 焊接 K型节点的主要破坏模式为主管翼缘在支 主管连接受拉焊缝焊趾处的延性撕裂。在 一6 O℃～ 一 4 O℃进行 的试验 中， 初始延性 裂纹导 致脆性 断 裂。对 1个 K型节点 的扩展裂纹进行 了基 于有 限 元的 J 积分评定 ， 并与一4 0℃测得的材料 曲线相结 合 ， 评定结果表明 ， 裂纹一旦 出现就会在几乎恒定的 荷载下不断扩展。有限元模型中假定 的初始裂纹形 状 和尺寸偏保守 ， 用它预测 的节点极限承载力 和延 性 比试验结果偏保守。这个过程能在低温情况下较 好地评定钢管节点的极限延性 。 1 ． 3 钢结构节点断裂行为研究的不足 综上所述 ， 既有节点 断裂研究存在较大的局 限 性 ， 包 括 ①研究 对 象 方 面 ， 研 究 重 点 主要 集 中在 钢 框架梁柱节点的脆性断裂， 对其他类型的节点 如大 跨度公共建筑中常用 的钢管焊接节点 研究较少 ； ② 研究方法方面 ， 基本均采用传统的断裂力学分析方 法 如应力强度 因子、 裂 纹尖端张开位 移和 J积分 等 ， 由于它们均假定裂纹或缺陷已经存在 ， 且在初 始裂纹尖端存在高应变约束 ， 因此主要适用于研究 脆性断裂或局部塑性损伤程度极其有限的伪脆性断 裂问题_ 4 ， 而对强震作用下构造无 明显缺陷部位发 生较大尺度屈服 裂纹尖端钝化 时的延性断裂问题 并不适用_ 4 ， 此外 由于传统断裂力学未考虑应力三 轴度因素， 也无法适用于 以三向应力状态为主的节 点 断裂 问题 ； ③研 究 内容方 面 ， 主要 偏重 于构 造措 施 对梁柱节点脆性断裂性 能的影响分析 ， 尚缺乏对焊 接过程中无法避免的缺陷及其残余应力等因素的细 致探讨 ； ④研究成果方面 ， 以断裂原因分析和设计改 进建议的提出为多， 尚未形成 明确 的可供工程应用 的节点断裂预测准则 。 2 基 于微观机 制的模型在 钢结构 节点 断裂预测 中的应 用 从广义上来说 ， 钢结构在地震作用下的断裂属 于低周疲劳问题 ， 通 常指延性金属材料在经历 了低 于 1 0 0 0 0次的周期性塑性应变 幅循环作用后发生 的断裂破坏 。近年来 ， 很多学者在对低周疲劳破 坏过程和机理进行研究 的基础上进一 步细分 后 指 出， 严格意义上的低周疲劳是指中等应变幅循环 作用 1 0 0 ～1 0 0 0 0次引起的疲 劳破坏 ， 破坏性质为 脆性断裂或局部塑性损伤程度极其有限的伪脆性断 裂_ 4 。 特指 发生塑性 变形后 向脆性破 坏转变 的断 裂 。对于构造无 明显缺陷的钢结构而言， 其在强震 作用下主要通过非弹性往复大变形耗散地震 能量， 这样就使得局部大多经历 了极大的循环应变 幅 常 达到钢材屈服应变的数倍 以上 并在很少的循环次 数后发生断裂。该类疲劳问题的本质与上述严格意 义上的低周疲劳问题不 同， 属于一类新型的疲劳问 题 ， 称 为 超 低 周 疲 劳 E x t r e me l y L o w C y c l e F a t i g u e ， E L C F ， 是指结构在 大应变幅往复作用下 发 生大尺度屈服并经历几十次甚至 1 O次 以内的荷载 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 2 建筑科学与工程学报 2 0 1 6盎 变形 图 3 角 焊 缝 连 接 的 十 字 形 试 件 示 惹 单 位 mm Fi g ．3 S c he ma t i c I l l u s t r a t i on of Cr u c i f o r m Sp e c i me n C o n n e c t e d b y F i l l e t We l d U n i t ram 型预测实际钢结构节点断裂的能力E 6 o ] 。Z h o u等 1 l 用 C VGM 模型对 9 个 足尺梁柱节点超低周疲劳断 裂进行了预测 ， 预测结果与试验结果吻合较好。L i - a o等 校准了 Q3 4 5钢母材 、 熔敷金属 和热影 响 区 3种材料 的微观 机 制 模 型 参 数 ， 进 行 了 足 尺钢 结 构梁柱焊接节点试件在超低周疲劳下的试验 ， 用校 准的微观机制模型对钢结构焊接节点在单调荷载作 用下和超低周疲劳下 的试验进行了断裂预测 ， 得到 了较好 的预 测结 果 ， 用 自编 的 AB AQUS子程 序 VUMA T， 以微观机制模型为断裂判据 ， 模拟了钢结 构焊接节点在单调荷载作用下的裂后路径 。 现有研究成果验证了微观机制模型用于预测实 际钢结构母材、 钢支撑 和焊接节点延性 断裂的适用 性 ， 以及在有限元分析 中引入微观机制 断裂判据可 得到钢结构焊接节点在单调荷 载作用下 的裂后路 径 ， 但仍存在 以下尚未解决的问题 ① 目前中国常用 的除 Q3 4 5钢以外其他牌号钢材的微观机制模型参 数 尚未校准 ， 微观机制模型参数的敏感性分析及不 同批次钢材参数 的稳定性 分析尚未进行 ， 影 响参数 的主要 因素 尚未确定 ； ②超低周往复荷 载作用下钢 结构焊接节点裂后路径的数值分析和适用单元尚未 解决 ； ③对造成节点超低周疲劳断裂 的各种 因素 尚 未进行深入研究 ， 尚未从机理上分析节点 的超低周 疲劳断裂并提出控制地震作用下节点延性断裂的设 计对策 。 3 结语 目前关于节点断裂的研究多集中于钢框架梁柱 节点的断裂 ， 对钢管节点断裂的研究较少 ， 而且多采 用传统的断裂力学方法 ， 如应力强度因子 、 裂纹尖端 张开位移或 J积分等 ， 它们是基于高应变约束或小 范围屈服假定建立的 ， 主要适用 于研究脆性断裂或 局部塑性损伤程度极其有 限的伪脆性断裂问题 ， 而 对强震作用下构造无明显缺陷部位发生较大尺度屈 服时的延性断裂问题并不适用 。近来发展的基于微 观机制的断裂预测方法可以考虑节点区显著的应力 三轴 度 因素 ， 并且 适 用 于无 初 始 裂 纹 或 处 于 明显 塑 性阶段的节点延性断裂预测 ， 但 目前其应用也极其 有限。钢结构焊接节点在强震下 的断裂失效一般是 在几十次甚至 1 O次 以内的荷载循环次数下经历反 复非弹性变形 后在焊缝熔敷金属或 热影响 区处发 生 ， 属于延性断裂与超低周疲劳的交互作用 ， 因此今 后的研究有必要将微观机制模型引入钢结构焊接节 点的超低周疲劳断裂预测分析。 参 考文 献 Re f e r e n c e s [1 ] 吴德飞． 钢结构损伤累积至断裂及损伤负 向激励 的长 期效应[ D] ． 杭州 浙江大学 ， 2 0 0 7 ． W U De f e i ．St e e l St r uc t u r e Da ma ge Ac c u mul a t e d t o Fr a c t u r e a n d t he Lon g Te r m Ef f e c t o f Da ma ge Pa s s i v e E n c o u r a g e me n t [ D ] ． Ha n g z h o u Z h e j i a n g Un i v e r s i t y， 2 00 7． [2 ] 李国强 ， 孙 飞飞 ， 沈祖炎． 强震 下钢 框架 梁柱焊接 连接 的断裂行为口] ． 建筑结构学报 ， 1 9 9 8 ， 1 9 4 1 9 - 2 8 ． LI Gu o q i a n g， S UN Fe i f e i ， S H EN Z u y a n ．F r a c t u r e Be ha v i or o f W e l d e d Be a m- t o c o l u mn Co nne c t i o ns of S t e e l Mo me n t F r a me s Un d e r S e v e r e E a r t h q u a k e s [ J ] ． J o u r n a l o f Bu i l d i n g S t r u c t u r e s ， 1 9 9 8， 1 9 4 I 9 - 2 8 ． [3 ] A KI YAMA H， YAMAD A S ． D a ma g e o f S t e e l B u i l d i n g s i n t h e Hy o g o k e n - Na n b u E a r t h q u a k e [ C ] ／ ／ T o n g j i Un i v e r s i t y ． P r o c e e d i n g s o f EAS EC5 ． S h a n g h a i To n g j i Uni ve r s i t y Pr e s s， 1 9 9 5 24 63 2 474 ． [ 4] B E R TE R O V V， A ND E R S ON J C， KR AWI NKI E R H．Pe r f o r ma n c e o f St e e l Bu i l di n gs St r uc t u r e s Du r i ng t h e No r t h r i d g e E a r t h q u a k e [ R] ． B e r k e l e y Un i v e r s i t y o f Ca l i f o r n i a ， l 9 9 4 ． [ 5] T S AI K C ， wu S ， P OP OV E P ． E x p e r i me n t a l P e r f o r ma n c e o f S e i s mi c S t e e l B e a m- c o l u m n M o me n t J o i n t s [ J ] ． J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 5 ， 1 21 6 9 25 931 ． [6 ] P OP OV E P， YAN G T S ， C HA NG S P ． De s i g n o f S t e e l M RF C o n n e c t i o n s B e f o r e a n d Af t e r 1 9 9 4 N o r t h r i d g e E a r t h q u a k e [ J ] ． E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ， 1 99 8， 2 O1 2 l 0 3 0 1 O38 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 廖芳芳， 等 钢结构节点断裂的研 究现状 7 3 [7] [8] [9] [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 ] [ 1 8 ] S Ac J o i n t Ve n t u r e ．I n t e r i m Gu i d e l i n e s Ev a l u a t i o n， Re p a i r ， Mo d i f i c a t i o n a n d De s i g n o f W e l d e d S t e e 1 Mo me n t F r a me S t r u c t u r e s [ R] ． S a c r a me n t o S A C J o i n t Ve n t u r e， 1 99 5． ANDE RS ON J C， G0URL EY B C， GREEN M ， e t a 1 ． Ca s e S t u d i e s o f S t e e l M o me n t F r a me Bu i l d i n g P e r f o r ma n