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

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。

在强震下，螺栓球网架结构中杆件与节点经历了数次塑性应变的过程，其破坏形态具有超低周疲劳破坏的特征。因此为探究螺栓球网架结构在强震下的超低周疲劳性能，课题采用试验研究和模拟分析相结合的方法，从螺栓球网架结构的典型组合构件、常用支座节点以及整体网架结构的层面，系统进行了循环加载下的螺栓球节点超低周疲劳性能试验、循环加载支座节点超低周疲劳性能试验、两端带螺栓球节点的圆钢管试件超低周疲劳性能试验及螺栓球网架结构大位移往复加载试验；并采用SEM扫描电镜进一步研究了钢管、螺栓等关键部件的典型断面，从微观层面揭示了螺栓球结构在强震下的超低周断裂机理，并得到了计及节点影响、材料塑性损伤累积、随动强化、Bauschinger效应和多次屈曲刚度退化的典型杆件的骨架曲线，结果表明强震下螺栓球网格结构的超低周疲劳性能直接关系着结构的安全性能。 本项目由节点至杆件、自支座到结构，积累了丰富的螺栓球网架超低周疲劳数据，为强震下螺栓球网架的疲劳验算和安全性能评定提供了有力的数据支持和技术保障，具有较大的工程实践意义和学术参考价值。 2100433B

空间网格结构建筑已与人类现代化生产、生活密不可分。但据震害调查与地震模拟振动台破坏形态试验，空间网格结构存在强震下的超低周疲劳破坏隐患，直接威胁着强震时数以万计的该类建筑的安全性能。本项目将以震害最严重的螺栓球网格结构为对象，针对螺栓球网格结构节点（包括支座节点）强震下超低周疲劳破坏的微观力学模型、杆件拉裂与多次压曲后断裂机理、超低周疲劳寿命验算以及计及节点影响、材料塑性损伤累积、随动强化、Bauschinger效应和单元多次屈曲刚度退化的模拟技术等开展试验与模拟研究，随后将研究成果应用于螺栓球节点空间网格结构体系，通过纤维梁与其它高精度单元的多尺度精细化建模，开展芦山地震损坏的两个大跨网格结构及其它案例的模拟对比分析，建立螺栓球网格结构灾难地震下超低周疲劳验算及抗倒塌性能评定方法，为实现该类结构基于破坏形态的抗震性能化设计与大量既有网格结构的强震下安全性能评定奠定研究基础。

由疲劳的概念可知，疲劳破坏具有下列几个方面的特点:

疲劳破坏扰动应力作用

扰动应力是指随着时间发生变化的应力，也称为扰动载荷，载荷可以是力、应变、位移等等。

疲劳载荷的分类如图1所示。一个载荷谱在一个确定的时间间隔内呈现规律性的、相等幅频的重复称为周期，此类具有周期性交变特征的载荷称作循环载荷。

疲劳破坏明显的局部性

疲劳破坏往往产生于局部，局部性是疲劳失效的重要特征。因此，注意研究零部件的细节，尤其是应力应变集中处，尽力减小应力集中的发生，对提高零部件工作质量，延长构件寿命具有积极意义。

疲劳破坏一个发展过程

疲劳破坏是一个发展的过程。单就零部件疲劳破坏形式之一的断裂来讲，由疲劳裂纹产生到疲劳裂纹扩展，直至最后发生断裂，这是一个疲劳损伤逐步累积的过程。由此可引出疲劳寿命的概念，疲劳寿命指的是疲累损伤累积过程中零部件所经历的时间，或者说载荷循环次数。