本项目围绕材料超高周疲劳损伤破断涉及的3个关键科学问题：疲劳裂纹从表面起源和从内部起源的竞争机制，超高周疲劳裂纹源微区的变形和损伤特征，加载频率变化对超高周疲劳行为的影响规律；以低合金钢为例，以实验研究为手段，探索超高周疲劳的裂纹萌生过程与特征、超高周疲劳的裂纹扩展行为与断裂特征、不同强度级别材料高周至超高周疲劳行为比较、常规频率和超声频率对超高周疲劳行为的影响。预期：揭示超高周疲劳的裂纹萌生、扩展和破断的基本特征；阐明超高周疲劳裂纹从材料内部起源的微结构因素和力学机制；阐明微结构不同及其呈现的强度级别不同对超高周疲劳行为的影响趋势；认识加载频率变化对超高周疲劳特性的影响规律。

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。《强震下金属结构的超低周疲劳破坏》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10年来相关研究成果的荟萃。

《强震下金属结构的超低周疲劳破坏》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。

序

前言

第1章 概论

1．1 研究背景

1．1．1 超低周疲劳的内涵

1．1．2 钢构件和节点的屈曲后超低周疲劳破坏

1．1．3 钢框架焊接梁柱节点的超低周疲劳破坏

1．2 延性断裂

1．2．1 简介

1．2．2 结构工程中延性断裂相关研究

1．3 研究目标

1．4 本书框架内容

第2章 单调加载下大应变域的结构钢应力-应变特性

2．1 概述

2．2 颈缩后真实应力-真实应变

2．2．1 真实应力-真实应变的定义

2．2．2 颈缩发生的条件

2．2．3 简单修正法

2．2．4 加权平均法

2．2．5 修正加权平均法

2．3 试验

2．3．1 材料

2．3．2 材性试件设计

2．3．3 加载及测试方案

2．3．4 试验结果

2．4 数值模拟

2．5 试验和模拟结果对比

2．6 小结

第3章 大塑性应变循环加载下结构钢的本构特性

3．1 概述

3．2 金属循环塑性模型

3．2．1 金属塑性模型数学原理相关综述

3．2．2 Prager模型

3．2．3 Chaboche随动强化模型

3．2．4 Yoshida-Uemori模型

3．2．5 改进的Yoshida-Uemori模型

3．3 试验

3．3．1 材料

3．3．2 试件设计

3．3．3 试件形状

3．3．4 测试方案

3．3．5 沙漏形试件的加载历史

3．4 数值模拟

3．5 试验结果和数值结果对比

3．6 含预应变试件的滞回特性

3．7 小结

第4章 单调加载下结构钢的裂纹萌生

4．1 概述

4．1．1 研究背景

4．1．2 预测延性断裂的方法

4．1．3 结构工程领域延性断裂相关研究

4．1．4 理论研究方法

4．2 单调加载下的延性断裂模型

4．2．1 Rice-Tracey模型

4．2．2 Miner准则

4．2．3 单调拉伸加载下的断裂模型

4．2．4 模型参数的标定

4．3 试验研究

4．4 数值分析

4．4．1 有限元建模

4．4．2 塑性模型及模型参数标定

4．5 试验和数值模拟结果的对比

4．6 小结

第5章 单调加载下延性裂纹的扩展

5．1 概述

5．2 延性断裂模型

5．2．1 裂纹萌生准则

5．2．2 延性裂纹扩展准则

5．2．3 获得延性断裂参数和真实应力真实应变数据的方法

5．3 试验

5．3．1 材性试验

5．3．2 试件设计

5．3．3 试件加载

5．3．4 试验结果

5．4 数值模拟

5．4．1 有限元建模

5．4．2 试验和数值模拟结果的对比

5．5 讨论

5．6 小结

第6章 循环加载下结构钢的延性断裂模型

6．1 概述

6．2 循环加载下的延性断裂模型

6．2．1 负应力三轴度下金属的损伤

6．2．2 基于单调加载延性断裂模型修正的循环延性断裂模型

6．3 试验研究

6．4 数值分析

6．4．1 有限元建模

6．4．2 塑性模型

6．5 试验和数值分析结果的对比

6．6 小结

第7章 钢短柱屈曲后断裂的预测

7．1 概述

7．2 试验

7．2．1 试件

7．2．2 加载方案

7．2．3 加载历史

7．2．4 方形钢管柱的材性试件

7．3 试验结果

7．3．1 屈曲和断裂模式

7．3．2 滞回特性

7．4 数值模拟

7．5 试验和模拟结果对比

7．5．1 大宽厚比试件的对比结果

7．5．2 中宽厚比试件的对比结果

7．5．3 小宽厚比试件的对比结果

7．6 小结

第8章 薄壁焊接钢框架梁柱节点屈曲后断裂

8．1 概述

8．2 循环大应变荷载下的双参数延性断裂模型

8．3 薄壁梁柱焊接节点试验研究

8．3．1 试件设计

8．3．2 加载装置及加载制度

8．3．3 屈曲和断裂模式

8．3．4 滞回性能

8．4 数值模拟

8．4．1 有限元建模

8．4．2 有限元与试验结果对比

8．4．3 嵌入延性断裂模型与否对数值分析结果的影响

8．5 参数分析

8．5．1 初始几何缺陷的影响

8．5．2 轴压比的影响

8．5．3 节点域等效宽厚比的影响

8．6 小结

第9章 铝合金在全应变域内的循环塑性模型

9．1 概述

9．2 利用最少物理变量标定塑性模型参数的方法

9．3 塑性模型标定方法在材料层面的验证

9．3．1 铝合金双缺口试件试验研究

9．3．2 铝合金双缺口试件的数值模拟

9．3．3 铝合金双缺口试件塑性模型参数的标定

9．4 塑性模型参数标定方法在构件层面的验证

9．4．1 铝合金屈曲约束支撑的试验研究

9．4．2 铝合金屈曲约束支撑的数值模拟

9．4．3 基于典型力学性能参数的塑性模型参数标定

9．5 小结

第10章 铝合金材料的超低周疲劳破坏

10．1 概述

10．2 6061-T6铝合金的超低周疲劳试验

10．2．1 试验设计

10．2．2 破坏模式及断面观察

10．2．3 滞回曲线和骨架曲线

10．3 数值模拟

10．3．1 有限元建模

10．3．2 试验与数值分析结果的对比

10．4 超低周疲劳断裂模型

10．5 小结

第11章 总结和研究展望

11．1 主要结论

11．1．1 循环大塑性应变加载下的金属塑性模型

11．1．2 循环大塑性应变加载下的延性断裂模型

11．2 研究展望

附录A 改进的Yoshida-Uemori模型自定义子程序开发

A1 引言

A2 单步积分法的应力积分

A2．1 应力积分算法

A2．2 更新记忆面

A2．3 单步积分法的一致切线刚度矩阵

A3 自适应子步积分法

A3．1 简介

A3．2 自适应子步积分法的一致切线刚度矩阵

A3．3 自定义子程序的验证

A3．4 子步长度对子程序鲁棒性和计算效率的影响

A4 模型的参数标定

A5 模型在超大塑性应变问题中的应用

A6 结论2100433B

钢管混凝土(CFT)结构因能够形成钢和混凝土两种材料的组合效应得到了越来越多的工程应用。但以往的研究显示钢管混凝土柱中的钢管在地震荷载下会受到屈曲和拉直的压缩和拉伸往复作用，最终导致低周疲劳破坏。项目申请者提出的新型钢管混凝土：约束钢管混凝土(CCFT)体系能够有效的推迟或防止钢管局部屈曲，从而进一步改善了其力学性能，尤其是延性。本项目拟通过一系列试验于理论分析，研究约束钢管混凝土柱低周疲劳特性，在申请人已有的有关钢管混凝土低周疲劳损伤模型研究成果的基础上进一步建立考虑横向约束的更加合理和精确的统一损伤模型。最终用于指导钢管混凝土和约束钢管混凝土的工程抗震设计和工程应用。