鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)斷裂的研究現(xiàn)狀

廖芳芳+王偉+李文超+周天華

摘要：對鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)及鋼管節(jié)點(diǎn)斷裂的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，指出現(xiàn)有研究多是基于傳統(tǒng)斷裂力學(xué)方法采用應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋尖端張開位移（CTOD）或J積分等預(yù)測斷裂，這種方法主要適用于研究脆性斷裂或局部塑性損傷程度極其有限的偽脆性斷裂問題，而對強(qiáng)震作用下構(gòu)造無明顯缺陷部位發(fā)生較大尺度屈服時的延性斷裂問題并不適用；介紹了近年來發(fā)展的基于微觀機(jī)制的斷裂預(yù)測方法，可以考慮節(jié)點(diǎn)區(qū)顯著的應(yīng)力三軸度因素，且適用于無初始裂紋或處于明顯塑性階段的節(jié)點(diǎn)延性斷裂預(yù)測問題，可用于預(yù)測強(qiáng)震作用下鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)的超低周疲勞斷裂。

關(guān)鍵詞：鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)；鋼管節(jié)點(diǎn)；斷裂；研究現(xiàn)狀；微觀機(jī)制模型；強(qiáng)震

中圖分類號：TU375.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Review on Research Status of Connection Fracture of Steel StructuresLIAO Fangfang1， WANG Wei2， LI Wenchao1， ZHOU Tianhua1

（1. School of Civil Engineering， Changan University， Xian 710061， Shaanxi， China；

2. State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China）Abstract： Research status of the fracture of beamtocolumn connections of steel frame and steel tube connections were reviewed. Based on traditional fracture mechanics method， it was indicated that the existing researches mostly predicted fracture by using the stress intensity factor， crack tip opening displacement （CTOD） or Jintegral， etc. The method was mainly fit for the research on brittle fracture or pseudo brittle fracture with limited local plastic damage. While it was not fit for the ductile fracture prediction of the parts with largescale yielding region and no initial flaw under strong earthquakes. Therefore， the fracture prediction method based on micromechanics developed in recent years was also introduced. It considered the stress triaxiality in the joint area and was fit for the ductile fracture prediction of the joint with no initial flaw or in obvious plastic phase. It can be used to predict extremely low cycle fatigue fracture of welded connections of steel structures under strong earthquakes.

Key words： beamtocolumn connection of steel frame； steel tube connection； fracture； research status； micromechanical model； strong earthquake

0引言

斷裂是建筑結(jié)構(gòu)的一種重要失效模式，由連接節(jié)點(diǎn)斷裂失效導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體發(fā)生倒塌的事故近年來時有發(fā)生，這些事故不僅造成人員傷亡，而且給社會帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，引起了工程界的高度關(guān)注，如2004年巴黎戴高樂機(jī)場候機(jī)廳頂棚發(fā)生倒塌[1]。法國交通部調(diào)查后發(fā)現(xiàn)引起這一事故的導(dǎo)火索為候機(jī)廳頂棚與鋼結(jié)構(gòu)支柱連接處的突發(fā)性斷裂。在1994年的美國Northridge地震和1995年的日本Kobe地震中，大量鋼結(jié)構(gòu)房屋發(fā)生倒塌破壞。震后調(diào)查表明，這些框架結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點(diǎn)及其近旁普遍存在斷裂現(xiàn)象[2]。這些大型鋼結(jié)構(gòu)的斷裂事故充分表明，對于連接節(jié)點(diǎn)斷裂行為機(jī)理的研究和工程斷裂判定準(zhǔn)則的建立已成為目前亟待解決的課題。本文基于這一背景，主要介紹鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)斷裂的研究現(xiàn)狀及存在的問題。

1鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)斷裂行為的研究現(xiàn)狀

1.1鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)斷裂行為的研究現(xiàn)狀

目前關(guān)于節(jié)點(diǎn)斷裂的研究主要集中在鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的斷裂行為研究。以往的梁柱節(jié)點(diǎn)試件多數(shù)為H形梁H形柱翼緣焊接腹板螺栓連接節(jié)點(diǎn)。日本在20世紀(jì)70年代以前采用的也是這種結(jié)構(gòu)形式，因而以武藤清教授為主做了許多這種形式的足尺試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接質(zhì)量較好的試件有足夠的非彈性變形能力，而焊接缺陷引起的刻痕效應(yīng)足以使重型H形試件在常溫下發(fā)生脆性斷裂。20世紀(jì)70年代中期以后，日本開始改用H形梁箱形柱結(jié)構(gòu)形式，同時構(gòu)件尺寸不斷增大，施工工藝也有所變化，但由于足尺試驗(yàn)的諸多困難，使得基于足尺模型的斷裂試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)[3]。

美國在過去的30多年里，以Popov為代表陸續(xù)進(jìn)行了大批的梁柱節(jié)點(diǎn)在低周反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)中的脆性斷裂現(xiàn)象比例相當(dāng)高。在20世紀(jì)80年代早期，為給某47層建筑抗彎鋼框架的設(shè)計(jì)提供依據(jù)，Popov等針對該抗彎鋼框架節(jié)點(diǎn)板域大、高軸壓力和有傾覆彎矩等特點(diǎn)設(shè)計(jì)了7個試件[4]。由于試驗(yàn)設(shè)備所限，試件取原型的一半大小。大部分試件在焊縫處或在焊縫熱影響區(qū)處發(fā)生了脆性破壞，破壞時板域無明顯塑性變形。后來Tsai等[5]設(shè)計(jì)了10個翼緣焊接、腹板螺栓連接的梁寬翼緣柱連接試件，在懸臂梁端部施加遞增的循環(huán)位移，研究的主要參數(shù)包括梁翼緣與整個梁截面塑性截面模量之比、腹板附加螺栓、腹板附加焊縫及柱板域強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明：該節(jié)點(diǎn)在反復(fù)荷載作用下的塑性轉(zhuǎn)動能力在0.009～0.018弧度范圍內(nèi)，并與梁翼緣與整個梁截面塑性截面模量之比沒有明顯關(guān)系；梁翼緣的抗彎強(qiáng)度能較準(zhǔn)確地預(yù)測該節(jié)點(diǎn)的極限抗彎承載力；腹板附加焊縫能顯著提高該節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度、延性和能量吸收能力，而腹板附加螺栓卻不能。

1994年美國Northridge地震和1995年日本Kobe地震中，鋼框架結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了大量脆性斷裂現(xiàn)象[6]，引起工程界的廣泛關(guān)注。由美國加州結(jié)構(gòu)工程師協(xié)會、應(yīng)用技術(shù)委員會和從事地震工程研究的加州大學(xué)三方組成的聯(lián)合體（SAC Joint Venture）率先啟動了通過試驗(yàn)研究、理論分析和有限元模擬技術(shù)考察鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)失效行為的研究項(xiàng)目[7]，其中大部分試驗(yàn)為動力或靜力荷載下的足尺連接試驗(yàn)[810]，理論研究則主要與鋼框架體系的整體行為有關(guān)，以考察節(jié)點(diǎn)斷裂對結(jié)構(gòu)整體行為的影響效應(yīng)，并研究該分析方法對預(yù)測損傷程度和斷裂位置的實(shí)用性[8，1113]。有限元模擬主要是對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上提取節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵部位的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)進(jìn)行傳統(tǒng)斷裂力學(xué)指標(biāo)的參數(shù)計(jì)算[14]。Kaufmann等[15]研究了破壞節(jié)點(diǎn)斷裂表面及試驗(yàn)試件的焊接缺陷，發(fā)現(xiàn)在柱的焊縫表面存在不同尺寸大小的裂紋缺陷（圖1），對斷口的顯微檢測分析表明斷裂時節(jié)點(diǎn)沒有顯著的塑性變形，以至于Northridge地震的破壞多數(shù)是不可預(yù)測和解釋的。Joh等[16]用線彈性斷裂力學(xué)方法對翼緣焊接、腹板螺栓連接節(jié)點(diǎn)的斷裂強(qiáng)度進(jìn)行了研究，提出了一種用破壞時裂縫前端的最大能量釋放率計(jì)算節(jié)點(diǎn)脆性斷裂強(qiáng)度的新方法?；谠摻ㄗh方法，他們用1個焊縫缺陷分布和屈服應(yīng)力分布樣本研究了節(jié)點(diǎn)脆性斷裂的可能性。Schafer等[17]指出應(yīng)力三軸度對鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的斷裂有很大影響，應(yīng)力三軸度越大，發(fā)生斷裂的可能性就越大。

圖1柱焊縫表面的典型裂紋狀缺陷和假定的邊緣裂縫

Fig.1Typical Cracklike Defect and Assumed Edge

Crack at Column Weld Interface日本也同期開展了這方面的研究[1819]，Azuma等[20]進(jìn)行了4個帶焊接缺陷的梁柱節(jié)點(diǎn)在反復(fù)荷載作用下的足尺試驗(yàn)和非線性有限元分析，以評定焊接缺陷對梁柱節(jié)點(diǎn)的重要影響。結(jié)果表明，用角焊縫加強(qiáng)部分焊透的坡口焊未融透區(qū)域能使焊接節(jié)點(diǎn)有足夠的橫截面，延性裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，從而使節(jié)點(diǎn)有足夠的變形能力，而焊根處帶焊接缺陷的節(jié)點(diǎn)延性裂紋擴(kuò)展迅速，最后發(fā)生脆性斷裂破壞。以Kuwamura為代表的研究人員直接從梁柱連接的不同部位多點(diǎn)取樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)和夏比沖擊試驗(yàn)，從斷裂前后材質(zhì)的變化推斷斷裂破壞的發(fā)展過程。他們提出了一種基于性能的防止Kobe地震中觀察到的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)脆性斷裂的方法，根據(jù)脆性斷裂前梁的塑性變形能力，將結(jié)構(gòu)鋼和焊縫的質(zhì)量分別分為4個等級（母材主要考慮屈強(qiáng)比和夏比沖擊韌性，焊縫主要考慮焊接時的熱量輸入和節(jié)點(diǎn)構(gòu)造），并用Kobe地震后125個試件的足尺試驗(yàn)和分析數(shù)據(jù)驗(yàn)證了這種基于性能的母材和焊縫的分級。在實(shí)際應(yīng)用中，為綜合考慮母材和焊縫的等級，用延性指標(biāo)來計(jì)算鋼框架的塑性強(qiáng)度[2122]。同時他們還進(jìn)行了構(gòu)件與節(jié)點(diǎn)的足尺低溫動載試驗(yàn)，采用電子顯微技術(shù)進(jìn)行斷口特征分析，考察斷裂發(fā)生和成長的軌跡[23]。

中國學(xué)者早期主要從梁柱節(jié)點(diǎn)的低周反復(fù)擬靜力加載試驗(yàn)入手，輔以三維彈塑性有限元分析，采用塑性應(yīng)變指標(biāo)或傳統(tǒng)斷裂力學(xué)指標(biāo)探討節(jié)點(diǎn)的斷裂機(jī)理[2425]。后又逐漸發(fā)展到采用裂紋尖端張開位移（CTOD）指標(biāo)作為斷裂判據(jù)進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗低溫脆斷設(shè)計(jì)方法的研究以及基于損傷累積觀點(diǎn)對鋼結(jié)構(gòu)斷裂破壞行為的分析[2627]。李國強(qiáng)等[2]介紹了Northridge地震和Kobe地震中鋼框架梁柱焊接節(jié)點(diǎn)的斷裂破壞模式，結(jié)合H形梁H形柱節(jié)點(diǎn)低周反復(fù)荷載試驗(yàn)的斷裂現(xiàn)象，指出梁柱焊接連接脆性斷裂對節(jié)點(diǎn)承載力影響極大，而脆性斷裂的原因主要有焊接缺陷、構(gòu)造不合理及設(shè)計(jì)方案欠妥等，以降低梁柱焊接連接缺陷敏感度為目標(biāo)探討了預(yù)防脆性斷裂的措施。姚國春等[2830]對地震中鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)脆性斷裂的原因和預(yù)防措施進(jìn)行了研究。陳以一等[31]對鋼框架節(jié)點(diǎn)在強(qiáng)烈地震或極端荷載情況下因突然斷裂引起的沖擊作用進(jìn)行了試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了采用具有高頻采樣能力的測試設(shè)備準(zhǔn)確測取斷裂過程中結(jié)構(gòu)反應(yīng)的可行性，揭示了節(jié)點(diǎn)瞬間斷裂仍然包含漸進(jìn)性和局部性2個特點(diǎn)。劉永明等[3233]采用桿端非線性彈簧模型對鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在地震作用下的斷裂破壞模式進(jìn)行數(shù)值模擬，對結(jié)構(gòu)鋼（Q235c，Q345c）焊接熱影響區(qū)斷裂性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了2種材料在焊接熱影響區(qū)的JR阻力曲線，通過比較不同的斷裂準(zhǔn)則，考慮了裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展前的穩(wěn)態(tài)裂紋累計(jì)，根據(jù)J積分撕裂模量法建立了裂紋失穩(wěn)的失效評定圖，設(shè)定了模型參數(shù)，并驗(yàn)證建立的模型及算法可充分反映局部斷裂后節(jié)點(diǎn)滯回性能的主要特點(diǎn)，歸納出適用于整體結(jié)構(gòu)分析的考慮節(jié)點(diǎn)局部斷裂的非線性彈簧模型。王元清等[34]以I型裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子和J積分為定量評價指標(biāo)，分析了焊接孔形式、初始缺陷尺寸及位置、焊接墊板、角焊縫補(bǔ)強(qiáng)等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)對節(jié)點(diǎn)材料斷裂韌性需求的影響。石永久等[35]研究了不同構(gòu)造形式對鋼框架焊接節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響以及構(gòu)造形式對節(jié)點(diǎn)地震作用下的反應(yīng)和破壞形態(tài)的改變作用。

總體來看，現(xiàn)有鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)斷裂的研究成果已較多，主要體現(xiàn)在：①通過梁柱焊接節(jié)點(diǎn)的足尺模型試驗(yàn)識別導(dǎo)致連接早期開裂的因素，包括高應(yīng)變速率、構(gòu)件內(nèi)部缺陷、現(xiàn)場焊接缺陷和低韌性鋼材的使用等；②發(fā)展了基于線彈性斷裂力學(xué)和彈塑性斷裂力學(xué)的數(shù)值仿真技術(shù)，先后提出了與能量釋放率準(zhǔn)則和應(yīng)力強(qiáng)度因子準(zhǔn)則等有關(guān)的脆性斷裂分析方法；③設(shè)計(jì)了有助于提高鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)斷裂韌性的構(gòu)造改進(jìn)措施，如減小梁底翼緣處截面寬度，梁底翼緣處設(shè)置腋板，梁端上下翼緣設(shè)置螺栓托座、翼緣蓋板及采用“狗骨”截面梁等，并對其改進(jìn)效果進(jìn)行了試驗(yàn)評價；④初步建立了能夠反映連接斷裂和此后強(qiáng)度與剛度損失的節(jié)點(diǎn)數(shù)值模型，并應(yīng)用于焊接鋼框架的地震反應(yīng)分析。然而節(jié)點(diǎn)斷裂仍有許多要繼續(xù)研究的課題：①對造成節(jié)點(diǎn)斷裂的各種因素的深入研究，以及從機(jī)理上對節(jié)點(diǎn)斷裂加深理解；②節(jié)點(diǎn)斷裂部位的預(yù)測分析；③建立在鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件層面上的斷裂分析數(shù)值模擬，包括模型的建立，斷裂臨界條件的確定，斷裂后的平衡，斷裂后的路徑，不連續(xù)位移場的處理；④斷裂后結(jié)構(gòu)整體性能的研究等。

1.2鋼管節(jié)點(diǎn)斷裂行為的研究現(xiàn)狀

與一般框架建筑結(jié)構(gòu)相比，大跨公共建筑的重要性和影響程度不言而喻。鋼管結(jié)構(gòu)是近年來大跨公共建筑廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式。隨著中國城鎮(zhèn)化建設(shè)的迅猛發(fā)展和北京2008年奧運(yùn)會、上海2010年世博會的召開，中國鋼管結(jié)構(gòu)得到前所未有的發(fā)展和應(yīng)用。作為該類結(jié)構(gòu)最常采用鋼管直接焊接節(jié)點(diǎn)的抗斷裂性能對整體結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要，應(yīng)得到研究人員的足夠重視。根據(jù)各國鋼管節(jié)點(diǎn)承載力研究的相關(guān)報道，實(shí)際工程或試驗(yàn)中時常發(fā)生節(jié)點(diǎn)延性斷裂破壞模式。這一方面與鋼管節(jié)點(diǎn)相貫線區(qū)域處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)，幾何外形的突變較易引發(fā)應(yīng)力集中，不能用簡單的單向應(yīng)力狀態(tài)來預(yù)測斷裂，因此目前尚缺乏準(zhǔn)確有效的節(jié)點(diǎn)斷裂強(qiáng)度驗(yàn)算公式；另一方面也與鋼管節(jié)點(diǎn)的構(gòu)造特點(diǎn)有關(guān)，即由于相貫部位腹桿鋼管內(nèi)難以安放內(nèi)襯，焊縫根部的全熔透要求經(jīng)常無法達(dá)到，從而形成構(gòu)造缺陷。這種缺陷是否會導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)在地震作用下提前開裂從而降低承載能力需要加以專題研究。

目前各國對鋼管節(jié)點(diǎn)的研究大多集中于靜力承載性能和非剛性變形性能問題的探討，而對于主管與支管焊接部位斷裂的研究相對較少。Cofer等[36]和Wang等[37]基于連續(xù)損傷力學(xué)（CDM）對T型、K型和KK型管節(jié)點(diǎn)的宏觀裂紋開展進(jìn)行了試驗(yàn)和有限元分析，建立了一個可以較好預(yù)測管節(jié)點(diǎn)宏觀裂紋開展的損傷準(zhǔn)則。Gurson模型能模擬帶微空穴的材料塑性屈服特性，Qian等[38]采用Gurson模型研究了2種加載情況下的圓鋼管節(jié)點(diǎn)，在軸向拉伸時空穴擴(kuò)張和聚合的效果比剪切時更明顯，同時研究了帶初始裂紋和不帶初始裂紋2種類型的管節(jié)點(diǎn)，延性斷裂引起材料軟化，導(dǎo)致荷載位移曲線下降，這與試驗(yàn)觀察結(jié)果一致。由于缺乏材料數(shù)據(jù)，他們還對Gurson材料特性進(jìn)行了敏感性研究。Lie等[3940]對帶初始裂紋的方鋼管焊接T型節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了一系列足尺靜力強(qiáng)度試驗(yàn)和精確數(shù)值模擬。試驗(yàn)中在支管端部對節(jié)點(diǎn)施加軸力，用勢能下降技術(shù)監(jiān)測裂紋擴(kuò)展，并用線性變化位移傳感器記錄裂紋尖端張開位移。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，因此材料處于延性脆性轉(zhuǎn)變曲線的上界，發(fā)生延性破壞。所有試驗(yàn)都在較小的區(qū)域發(fā)生穩(wěn)定的延性撕裂。基于屈服線理論計(jì)算了塑性破壞荷載，并用于BS 7910的失效評定圖（FAD），其足以提供評定帶裂紋的方鋼管截面T型節(jié)點(diǎn)的破壞過程。部分T型節(jié)點(diǎn)精確數(shù)值模型計(jì)算的極限荷載與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，證明了該數(shù)值模型的可行性，在此基礎(chǔ)上，用這個模型研究了不同幾何尺寸的節(jié)點(diǎn)并與屈服線理論的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，支管與主管寬度比β<0.8時用屈服線理論能較準(zhǔn)確地預(yù)測節(jié)點(diǎn)的塑性破壞荷載。Bjork等[41]對冷彎型鋼矩形空鋼管截面制造的焊接K型足尺節(jié)點(diǎn)的變形、極限承載力和斷裂特性進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值分析。在-60 ℃～23 ℃溫度范圍內(nèi)，焊接K型節(jié)點(diǎn)的主要破壞模式為主管翼緣在支主管連接受拉焊縫焊趾處的延性撕裂。在-60 ℃～-40 ℃進(jìn)行的試驗(yàn)中，初始延性裂紋導(dǎo)致脆性斷裂。對1個K型節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展裂紋進(jìn)行了基于有限元的J積分評定，并與-40 ℃測得的材料曲線相結(jié)合，評定結(jié)果表明，裂紋一旦出現(xiàn)就會在幾乎恒定的荷載下不斷擴(kuò)展。有限元模型中假定的初始裂紋形狀和尺寸偏保守，用它預(yù)測的節(jié)點(diǎn)極限承載力和延性比試驗(yàn)結(jié)果偏保守。這個過程能在低溫情況下較好地評定鋼管節(jié)點(diǎn)的極限延性。

1.3鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)斷裂行為研究的不足

綜上所述，既有節(jié)點(diǎn)斷裂研究存在較大的局限性，包括：①研究對象方面。研究重點(diǎn)主要集中在鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的脆性斷裂，對其他類型的節(jié)點(diǎn)（如大跨度公共建筑中常用的鋼管焊接節(jié)點(diǎn)）研究較少；②研究方法方面。基本均采用傳統(tǒng)的斷裂力學(xué)分析方法（如應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋尖端張開位移和J積分等），由于它們均假定裂紋或缺陷已經(jīng)存在，且在初始裂紋尖端存在高應(yīng)變約束，因此主要適用于研究脆性斷裂或局部塑性損傷程度極其有限的偽脆性斷裂問題[42]，而對強(qiáng)震作用下構(gòu)造無明顯缺陷部位發(fā)生較大尺度屈服（裂紋尖端鈍化）時的延性斷裂問題并不適用[43]，此外由于傳統(tǒng)斷裂力學(xué)未考慮應(yīng)力三軸度因素，也無法適用于以三向應(yīng)力狀態(tài)為主的節(jié)點(diǎn)斷裂問題；③研究內(nèi)容方面。主要偏重于構(gòu)造措施對梁柱節(jié)點(diǎn)脆性斷裂性能的影響分析，尚缺乏對焊接過程中無法避免的缺陷及其殘余應(yīng)力等因素的細(xì)致探討；④研究成果方面。以斷裂原因分析和設(shè)計(jì)改進(jìn)建議的提出為多，尚未形成明確的可供工程應(yīng)用的節(jié)點(diǎn)斷裂預(yù)測準(zhǔn)則。2基于微觀機(jī)制的模型在鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)斷裂預(yù)測中的應(yīng)用從廣義上來說，鋼結(jié)構(gòu)在地震作用下的斷裂屬于低周疲勞問題，通常指延性金屬材料在經(jīng)歷了低于10 000次的周期性塑性應(yīng)變幅循環(huán)作用后發(fā)生的斷裂破壞[44]。近年來，很多學(xué)者在對低周疲勞破壞過程和機(jī)理進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)分[45]后指出，嚴(yán)格意義上的低周疲勞是指中等應(yīng)變幅循環(huán)作用100～10 000次引起的疲勞破壞，破壞性質(zhì)為脆性斷裂或局部塑性損傷程度極其有限的偽脆性斷裂[46]（特指發(fā)生塑性變形后向脆性破壞轉(zhuǎn)變的斷裂）。對于構(gòu)造無明顯缺陷的鋼結(jié)構(gòu)而言，其在強(qiáng)震作用下主要通過非彈性往復(fù)大變形耗散地震能量，這樣就使得局部大多經(jīng)歷了極大的循環(huán)應(yīng)變幅（常達(dá)到鋼材屈服應(yīng)變的數(shù)倍以上）并在很少的循環(huán)次數(shù)后發(fā)生斷裂。該類疲勞問題的本質(zhì)與上述嚴(yán)格意義上的低周疲勞問題不同，屬于一類新型的疲勞問題，稱為超低周疲勞（Extremely Low Cycle Fatigue，ELCF），是指結(jié)構(gòu)在大應(yīng)變幅往復(fù)作用下發(fā)生大尺度屈服并經(jīng)歷幾十次甚至10次以內(nèi)的荷載循環(huán)即發(fā)生斷裂，其破壞性質(zhì)屬于典型的延性斷裂[4547]，這種類型的斷裂大體有空穴形核、擴(kuò)張和聚合幾個過程，如圖2所示[48]。傳統(tǒng)斷裂力學(xué)方法因其局限性并不適用于預(yù)測超低周疲勞斷裂。

圖2空穴形核、擴(kuò)張和聚合機(jī)理

Fig.2Mechanism of Void Nucleation，

Growth and Coalescence與傳統(tǒng)斷裂力學(xué)方法相比，基于材料塑性損傷機(jī)制的微觀機(jī)制模型能描述應(yīng)力應(yīng)變場對材料內(nèi)在微觀結(jié)構(gòu)特性的影響，從而能夠作為具有明確物理意義的判據(jù)，實(shí)現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)延性裂紋開展更為準(zhǔn)確的預(yù)測[45]。適用于單調(diào)荷載作用下斷裂預(yù)測的微觀機(jī)制模型有Hancock等[49]提出的應(yīng)力修正臨界應(yīng)變模型（Stress Modified Critical Strain Model，SMCS）以及Rice等[50]提出的空穴擴(kuò)張模型（Void Growth Model，VGM）。適用于超低周疲勞斷裂預(yù)測的微觀機(jī)制模型有Kanvinde[48]提出的退化有效塑性應(yīng)變模型（Degraded Significant Plastic Strain Model，DSPS）和循環(huán)空穴擴(kuò)張模型（Cyclic Void Growth Model，CVGM）。單調(diào)加載和反復(fù)加載的微觀機(jī)制模型見表1。

單調(diào)加載的微觀機(jī)制模型包括模型方程中的斷裂韌性參數(shù)α（SMCS）或η（VGM）和特征長度參數(shù)，微觀機(jī)制斷裂破壞準(zhǔn)則必須在特征長度上得到滿足才能引發(fā)斷裂。反復(fù)加載的微觀機(jī)制模型還包括損傷退化參數(shù)λDSPS和λCVGM，用以反映反復(fù)加載對材料斷裂韌性的降低。

Kanvinde等[5153]通過對螺栓節(jié)點(diǎn)和“狗骨”節(jié)點(diǎn)進(jìn)行12個拉板試驗(yàn)和有限元分析驗(yàn)證了SMCS表1單調(diào)加載和反復(fù)加載的微觀機(jī)制模型

Tab.1Micromechanical Models of Monotonic and Cyclic Loadings模型特點(diǎn)單調(diào)加載模型反復(fù)加載模型假定應(yīng)力三軸度不變εp-αexp（-1.5σmσe）>0ε*critical=exp（-λDSPSεp）εcriticalp考慮應(yīng)力三軸度變化∫εcriticalp0exp（1.5σmσe）dεp-η>0exp（-λCVGMεp）ηm=∫ε2ε1exp（|1.5T|）dεt-∫ε2ε1exp（|1.5T|）dεc注：εp為等效塑性應(yīng)變；σm為靜水應(yīng)力；σe為等效應(yīng)力或Mises應(yīng)力；ε*critical為反復(fù)加載情況下累積拉應(yīng)變與壓應(yīng)變差值的臨界值；εcriticalp為

單調(diào)加載情況下的臨界等效塑性應(yīng)變；ηm為材料在單調(diào)荷載作用下表示臨界空穴擴(kuò)張比的材料參數(shù)； ε1，ε2分別為荷載循環(huán)開始和結(jié)

束時的應(yīng)變；T為應(yīng)力三軸度T=σm/σe；εt，εe分別為拉應(yīng)變和壓應(yīng)變；λDSPS，λCVGM均為損傷退化參數(shù)。和VGM模型能準(zhǔn)確預(yù)測鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)在單調(diào)荷載作用下的延性斷裂。Chi等[54]以SMCS模型為斷裂判據(jù)，通過有限元分析將鋼框架梁柱焊接節(jié)點(diǎn)的斷裂行為與焊接件拉板試驗(yàn)的斷裂行為聯(lián)系起來，為SMCS判據(jù)在延性斷裂預(yù)測中的應(yīng)用提供了例證。隨后Kanvinde等[55]又進(jìn)行了24個用角焊縫連接的十字形試件的單向拉伸試驗(yàn)（圖3），分別用傳統(tǒng)斷裂力學(xué)J積分方法和基于微觀機(jī)制的SMCS模型預(yù)測了試件的斷裂變形，結(jié)果表明，相對于J積分方法，SMCS模型能較準(zhǔn)確地預(yù)測結(jié)構(gòu)角焊縫的斷裂變形，而J積分方法偏保守，尤其對于韌性較大的角焊縫材料，在斷裂前大范圍屈服，J積分結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果差別較大，更顯示出SMCS模型預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。Wang等[56]進(jìn)行了7個鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)子結(jié)構(gòu)單向受拉試驗(yàn)，用J積分方法及VGM和SMCS模型對每個試件進(jìn)行了斷裂預(yù)測，與試驗(yàn)結(jié)果相比，J積分預(yù)測結(jié)果較保守，而VGM和SMCS模型預(yù)測結(jié)果較準(zhǔn)確。Kanvinde等[5758]通過對14個開較鈍槽口的試件和4個“狗骨”試件進(jìn)行試驗(yàn)和有限元分析驗(yàn)證了DSPS和CVGM模型預(yù)測鋼結(jié)構(gòu)超低周疲勞斷裂的準(zhǔn)確性。Fell等[59]將基于微觀機(jī)制的模型用于中心支撐框架系統(tǒng)的足尺鋼支撐構(gòu)件超低周疲勞圖3角焊縫連接的十字形試件示意（單位：mm）

Fig.3Schematic Illustration of Cruciform Specimen

Connected by Fillet Weld （Unit：mm）斷裂的預(yù)測。隨后進(jìn)行的6個足尺柱腳節(jié)點(diǎn)在反復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)結(jié)果證明了CVGM模型預(yù)測實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)斷裂的能力[60]。Zhou等[61]用CVGM模型對9個足尺梁柱節(jié)點(diǎn)超低周疲勞斷裂進(jìn)行了預(yù)測，預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。Liao等[6263]校準(zhǔn)了Q345鋼母材、熔敷金屬和熱影響區(qū)3種材料的微觀機(jī)制模型參數(shù)，進(jìn)行了足尺鋼結(jié)構(gòu)梁柱焊接節(jié)點(diǎn)試件在超低周疲勞下的試驗(yàn)，用校準(zhǔn)的微觀機(jī)制模型對鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)在單調(diào)荷載作用下和超低周疲勞下的試驗(yàn)進(jìn)行了斷裂預(yù)測，得到了較好的預(yù)測結(jié)果，用自編的ABAQUS子程序VUMAT，以微觀機(jī)制模型為斷裂判據(jù)，模擬了鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)在單調(diào)荷載作用下的裂后路徑。

現(xiàn)有研究成果驗(yàn)證了微觀機(jī)制模型用于預(yù)測實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)母材、鋼支撐和焊接節(jié)點(diǎn)延性斷裂的適用性，及在有限元分析中引入微觀機(jī)制斷裂判據(jù)可得到鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)在單調(diào)荷載作用下的裂后路徑，但仍存在以下尚未解決的問題：①目前中國常用的除Q345鋼以外其他牌號鋼材的微觀機(jī)制模型參數(shù)尚未校準(zhǔn)，微觀機(jī)制模型參數(shù)的敏感性分析及不同批次鋼材參數(shù)的穩(wěn)定性分析尚未進(jìn)行，影響參數(shù)的主要因素尚未確定；②超低周往復(fù)荷載作用下鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)裂后路徑的數(shù)值分析和適用單元尚未解決；③對造成節(jié)點(diǎn)超低周疲勞斷裂的各種因素尚未進(jìn)行深入研究，尚未從機(jī)理上了解節(jié)點(diǎn)的超低周疲勞斷裂并提出控制地震作用下節(jié)點(diǎn)延性斷裂的設(shè)計(jì)對策。3結(jié)語

目前關(guān)于節(jié)點(diǎn)斷裂的研究多集中于鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的斷裂，對鋼管節(jié)點(diǎn)斷裂的研究較少，而且多采用傳統(tǒng)的斷裂力學(xué)方法，如應(yīng)力強(qiáng)度因子、裂紋尖端張開位移或J積分等，它們是基于高應(yīng)變約束或小范圍屈服假定建立的，主要適用于研究脆性斷裂或局部塑性損傷程度極其有限的偽脆性斷裂問題，而對強(qiáng)震作用下構(gòu)造無明顯缺陷部位發(fā)生較大尺度屈服時的延性斷裂問題并不適用。近來發(fā)展的基于微觀機(jī)制的斷裂預(yù)測方法可以考慮節(jié)點(diǎn)區(qū)顯著的應(yīng)力三軸度因素，并且適用于無初始裂紋或處于明顯塑性階段的節(jié)點(diǎn)延性斷裂預(yù)測，但目前其應(yīng)用也極其有限。鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)在強(qiáng)震下的斷裂失效一般是在幾十次甚至10次以內(nèi)的荷載循環(huán)次數(shù)下經(jīng)歷反復(fù)非彈性變形后在焊縫熔敷金屬或熱影響區(qū)處發(fā)生，屬于延性斷裂與超低周疲勞的交互作用，因此今后的研究有必要將微觀機(jī)制模型引入鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)的超低周疲勞斷裂預(yù)測分析。參考文獻(xiàn)：

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