1、同济大学学术专著(自然科学类)出版基金项目强震下金属结构的超低周疲劳破坏贾良玖葛汉彬著内 容 提 要近二十年来,地球进入强震周期,金属材料在超低周疲劳加载下的延性断裂问题成为金属结构领域的前沿热点问题之一。本书主要阐述金属结构在地震等超大塑性循环加载下的延性破坏机理、理论分析模型、数值仿真模拟方法以及相关理论在金属材料、构件、节点和结构层面的应用,是作者近1 0年来相关研究成果的荟萃。这本书面向的读者包括对金属结构感兴趣的本科生、研究生、研究钢和铝合金结构的研究人员,以及涉及循环大塑性加载相关应用的结构工程师。图书在版编目(C I P)数据强震下金属结构的超低周疲劳破坏/贾良玖,葛汉彬著.上海
2、：同济大学出版社,2 0 1 9.1 1 I S B N9 7 8-75 6 0 8 8 7 8 90.强.贾葛.金属结构金属疲劳研究.T G 1 1 1.8中国版本图书馆C I P数据核字(2 0 1 9)第2 3 2 1 1 5号同济大学学术专著(自然科学类)出版基金项目强震下金属结构的超低周疲劳破坏贾良玖葛汉彬著责任编辑马继兰责任校对徐春莲封面设计陈益平出版发行同济大学出版社www.t o n g j i p r e s s.c o m.c n(地址：上海市四平路1 2 3 9号邮编：2 0 0 0 9 2 电话：0 2 16 5 9 8 5 6 2 2)经销全国各地新华书店印刷常熟市华
3、顺印刷有限公司开本7 8 7mm1 0 9 2mm1/1 6印张1 2字数3 0 00 0 0版次2 0 1 9年1 1月第1版2 0 1 9年1 1月第1次印刷书号 I S B N9 7 8-7 5 6 0 8 8 7 8 9 0定价8 0.0 0元本书若有印装质量问题,请向本社发行部调换版权所有侵权必究序对钢和其他金属结构而言,防止断裂破坏一直是工程师和研究者致力于解决的问题。但是以往研究的焦点,从荷载性质看,主要以高周疲劳和冲击荷载等为中心;从破坏特征看,则主要是脆性断裂,以及虽然也称为弹塑性断裂,但实际上塑性区域仅集中于裂纹尖端附近的有限区域内的情况。然而通过1 9 9 4年的北岭地震
4、和1 9 9 5年的神户地震后的钢结构震害调查发现,在循环次数并不太多但其强度非常之高的荷载作用下,构件发生了大范围的塑性,钢结构的断裂具有明显的延性特征,虽然构件或连接在后期完全断裂,带有某种脆性特征,但问题的性质已发生很大变化。通过深入研究这一现象,从机理上阐释并建立了可以细致描述这一过程的力学分析模型和方法,通过试验加以检验是提高结构抗断裂性能的基础性工作。本书的两位作者在过去的多年内卓有成效地开展了相关研究工作,本书则是他们学术研究成果的汇总。书中的研究包括了结构钢和铝合金的塑性及延性断裂,特别是提出了金属材料的颈缩后真实应力-真实应变修正方法,发展了新型大应变金属循环塑性本构模型,建
5、立了统一的单调和循环加载下的延性裂纹萌生准则,同时提出了仅采用材料单调拉伸试验结果校核以上塑性和断裂模型的方法,使研究成果能够在一定程度上较准确地预测断裂的发生,并能推广到其他延性金属材料、构件、连接和结构上。这就为工程师提供了非常有用的工具,在工程结构设计阶段,就能预见到一些关键部位可能发生断裂的位置,分析引起的原因,有助于改进设计,从而提高结构的安全性和经济性。本书的成果也为同行研究者提供了可资借鉴的参考。中国仍处在城市化的进程中,因其国土拥有广阔腹地,中国仍将保持相当可观的工程建设规模。而钢结构在预制化、装配化方面所具有的优越性,以及在材料可回收、可循环使用上的竞争力,将会越来越多地成为
6、各类工程结构中的优先选项。在这样一个背景下,本书所呈现的学术成果将会有非常巨大的工程应用潜力。陈以一2 0 1 8年5月于同济前言通常,金属结构主要的破坏模式包含净截面延性断裂、脆性断裂、整体或局部屈曲及高周疲劳等。结构钢作为良好的建筑结构用延性金属,具有高强度、高延性、高韧性和良好的可焊性。然而在1 9 9 4年的美国加州北岭地震和1 9 9 5年的日本神户地震中,大量的焊接钢框架结构建筑和桥梁在梁柱节点处发生断裂。之后,结构工程师对钢结构的高延性和高韧性的信仰被打破。非常巧合的是：这两个地震都发生在1月1 7号,当地正处于冬天,且温度都比较低,这两个地震造成了巨大的经济损失和人员伤亡。上述
7、地震中发现的断裂模式不同于前述的破坏模式,一般被称为超低周疲劳或极低周疲劳。不同于高周和低周疲劳,该类型疲劳所受的塑性应变较大,一般仅发生在地震工程中,疲劳寿命仅有几圈到上百圈。北岭地震和神户地震后,钢结构领域学者对相关的破坏机理进行了大范围的研究。东京大学K u w a m u r a教授首先指出上述地震中发生的焊接结构超低周疲劳破坏主要分为以下几个阶段：结构钢的屈服、应变集中造成的延性裂纹萌生、延性裂纹的稳定扩展以及最终的脆性断裂。通常,低温和循环塑性会导致结构钢断裂韧性的下降。在循环加载下,随着塑性应变的增加,材料断裂韧性不断降低,同时延性裂纹的扩展又会造成裂纹尖端的应力集中,大量的焊接
8、热输入也会造成结构钢韧性的下降,焊接结构在强震下易于发生最终的脆性断裂。本书旨在陈述强震下金属结构超低周疲劳破坏相关的试验结果和理论基础,而超低周疲劳主要的破坏机理在于延性断裂。本书采用整体性的方法,为超低周疲劳建立了一个基本框架,同时强调了在地震荷载作用下金属结构断裂评估中理论分析和试验研究的重要性。第1章介绍了前几次强震中金属结构的超低周疲劳破坏,包括金属建筑结构和桥梁。第2章和第3章讨论了金属塑性,这是延性断裂理论的基础。第2章讨论了如何获取包括颈缩前和颈缩后两个阶段的金属断裂前的真实应力-应变数据。第3章讨论了循环金属塑性模型,重点研究了金属断裂前的全应变范围。第4章至第6章讨论了结构
9、钢的延性断裂。第4章和第5章分别给出了基于细观空穴增长理论单调加载下裂纹萌生准则和基于能量平衡原理的延性裂纹扩展准则。第6章给出了循环加载1强震下金属结构的超低周疲劳破坏下的延性断裂模型。第7章和第8章分别给出了延性断裂模型在钢构件和连接中的工程应用。第9章提出了一种仅采用代表性物理力学参数就能准确校准循环塑性模型参数的简单方法。第1 0章讨论了铝合金材料的超低周疲劳断裂评估和超低周疲劳断裂模型在铝合金构件中的应用。第1 1章介绍了本书的主要结论以及在金属结构超低周疲劳断裂领域的研究展望。塑性模型的自定义子程序编写细节,即改进的Y o s h i d a-U e m o r i模型,并在附录中
10、给出。同时作者期待本书能够为不同专业如材料、土木、机械等领域的工程师和相关研究人员提供一些参考。我们真诚地感谢在本书的试验和数值研究中给予帮助的所有人。特别感谢同济大学陈以一教授,衷心感谢他一直以来的支持和指导。同时还要感谢东京大学H i t o s h iK u w a m u r a教授,感谢其对本书许多研究的指导。也非常感谢东京大学的T s u y o s h iK o y a m a博士和J u nI y a m a教授的支持。此外,感谢同济大学、东京大学和名城大学参与相关研究的学生们。鉴于作者水平所限,错漏之处在所难免,欢迎大家批评指正。贾良玖葛汉彬2 0 1 9年3月2目录目录序前
11、言第1章概论11.1研究背景11.1.1超低周疲劳的内涵11.1.2钢构件和节点的屈曲后超低周疲劳破坏21.1.3钢框架焊接梁柱节点的超低周疲劳破坏31.2延性断裂51.2.1简介51.2.2结构工程中延性断裂相关研究61.3研究目标71.4本书框架内容7第2章单调加载下大应变域的结构钢应力-应变特性1 22.1概述1 22.2颈缩后真实应力-真实应变1 22.2.1真实应力-真实应变的定义1 22.2.2颈缩发生的条件1 42.2.3简单修正法1 42.2.4加权平均法1 42.2.5修正加权平均法1 52.3试验1 62.3.1材料1 62.3.2材性试件设计1 62.3.3加载及测试方案
12、1 71强震下金属结构的超低周疲劳破坏2.3.4试验结果1 72.4数值模拟1 82.5试验和模拟结果对比1 92.6小结2 0第3章大塑性应变循环加载下结构钢的本构特性2 13.1概述2 13.2金属循环塑性模型2 13.2.1金属塑性模型数学原理相关综述2 13.2.2P r a g e r模型2 43.2.3C h a b o c h e随动强化模型2 53.2.4Y o s h i d a-U e m o r i模型2 63.2.5改进的Y o s h i d a-U e m o r i模型2 83.3试验3 03.3.1材料3 03.3.2试件设计3 03.3.3试件形状3 13.3
13、.4测试方案3 23.3.5沙漏形试件的加载历史3 33.4数值模拟3 43.5试验结果和数值结果对比3 63.6含预应变试件的滞回特性3 83.7小结4 1第4章单调加载下结构钢的裂纹萌生4 34.1概述4 34.1.1研究背景4 34.1.2预测延性断裂的方法4 44.1.3结构工程领域延性断裂相关研究4 64.1.4理论研究方法4 64.2单调加载下的延性断裂模型4 74.2.1R i c e-T r a c e y模型4 74.2.2M i n e r准则4 74.2.3单调拉伸加载下的断裂模型4 74.2.4模型参数的标定4 82目录4.3试验研究4 94.4数值分析5 14.4.1
14、有限元建模5 14.4.2塑性模型及模型参数标定5 14.5试验和数值模拟结果的对比5 24.6小结5 4第5章单调加载下延性裂纹的扩展5 75.1概述5 75.2延性断裂模型5 85.2.1裂纹萌生准则5 85.2.2延性裂纹扩展准则5 95.2.3获得延性断裂参数和真实应力真实应变数据的方法6 05.3试验6 25.3.1材性试验6 25.3.2试件设计6 25.3.3试件加载6 35.3.4试验结果6 45.4数值模拟6 75.4.1有限元建模6 75.4.2试验和数值模拟结果的对比6 95.5讨论7 35.6小结7 5第6章循环加载下结构钢的延性断裂模型7 86.1概述7 86.2循环
15、加载下的延性断裂模型8 06.2.1负应力三轴度下金属的损伤8 06.2.2基于单调加载延性断裂模型修正的循环延性断裂模型8 06.3试验研究8 16.4数值分析8 26.4.1有限元建模8 26.4.2塑性模型8 36.5试验和数值分析结果的对比8 33强震下金属结构的超低周疲劳破坏6.6小结8 4第7章钢短柱屈曲后断裂的预测8 77.1概述8 77.2试验8 77.2.1试件8 77.2.2加载方案9 17.2.3加载历史9 17.2.4方形钢管柱的材性试件9 27.3试验结果9 47.3.1屈曲和断裂模式9 47.3.2滞回特性9 57.4数值模拟9 77.5试验和模拟结果对比1 0 0
16、7.5.1大宽厚比试件的对比结果1 0 07.5.2中宽厚比试件的对比结果1 0 27.5.3小宽厚比试件的对比结果1 0 27.6小结1 0 4第8章薄壁焊接钢框架梁柱节点屈曲后断裂1 0 68.1概述1 0 68.2循环大应变荷载下的双参数延性断裂模型1 0 78.3薄壁梁柱焊接节点试验研究1 0 88.3.1试件设计1 0 88.3.2加载装置及加载制度1 0 98.3.3屈曲和断裂模式1 1 08.3.4滞回性能1 1 28.4数值模拟1 1 48.4.1有限元建模1 1 48.4.2有限元与试验结果对比1 1 68.4.3嵌入延性断裂模型与否对数值分析结果的影响1 1 88.5参数分析1 1 88.5.1初始几何缺陷的影响1 1 98.5.2轴压比的影响1 1 98.5.3节点域等效宽厚比的影响1 2 04目录8.6小结1 2 2第9章铝合金在全应变域内的循环塑性模型1 2 59.1概述1 2 59.2利用最少物理变量标定塑性模型参数的方法1 2 69.3塑性模型标定方法在材料层面的验证1 2 89.3.1铝合金双缺口试件试验研究1 2 89.3.2铝合金双缺口试件的数值模拟
