硕卜学仃论艾摘要在很多情况下钢结构脆断时并未超载，且塑性变形很小，其后果是灾难性的，任何工程均无一例外的要求避免脆断。而经典金属强度理论、损伤力学和断裂力学的研究成果均对结构钢宏观脆断无能为力。因此，将金属微观断裂机理和宏观经典力学结合起来，创立新的、行之有效的断裂准则将具有重大的理论意义和工程应用价值。本课题由结构钢断裂引出，其研究成果将进一步推广到军工、机械、航空航天等领域。这将是一个跨学科、跨行业的综合型课题，其涉猎范围广阔，涉及到材料力学、金属强度理论、损伤力学、断裂力学、弹性力学、塑性力学等多门学科。应力状态显著影响材料的破坏形式，试验证实：断裂延性随应力三轴比率的增加而降低，高三轴比率使材料更易于脆断。因此，从应力状态的角度可以得出：由强约束引起的高应力三轴比率是金属材料脆断的“元凶”。为探寻结构钢断裂机理，本文进行了开孔管和刻痕杆断裂试验和数值模拟，数值模拟结果和断裂试验吻合较好，为断裂准则的验证提供了可靠的依据。本文通过对结构钢的断裂研究，提出了一个广义双剪静水应力型断裂准则，并用刻痕杆开孔管和缺口板断裂试验对该断裂准则进行了验证，结果表明：建议的断裂准则具有较高的精度，但该断裂准则只适用于 0 的应力区间，对工程意义不大的口m O T h e r e f o r eIs h o u l da c h i e v eal o tt om o d i f yt h i sf r a c t u r ec r i t e r i o ni nf u t u r e G e n e r a lt w i ns h e a r i n gh y d r o s t a t i c a ls t r e s sf r a c t u r eC r i t e r i o nw h i c hi sa V a i l a b l ew a sa d V a n c e db yt h es t u d ya b o u ts t r u c t u r a ls t e e I T h i sf r a c t u r ec “t e r i o nw i l lp o p u l a r i z et oo t h e ra r e a st 0s o l V ep r a c t i c a lc n g i n e e “n gp r o b l e m s O fc o u r s e ，m a n yd i f f i c u l t i e sw i l lI I硕I j 学f 童论艾a p p e a ri nV i e wo fr e f e r T i n gs om a n ys u b j e c t s K 0 yw O r d s ：s t m c t u r a Js t e e l ；g c n e r a l帆i ns h e 撕n gh y d r o s t a t i c a ls t r e s s胁c t u r ec r i t e r i o n ；s t r e s sc o n d i t i O n ；s t r e s st r i a x i a l i t y ；n o t c h e db a r S ；s t T l l c t u r a ls t e e lt u b e sw i t hc i r c u l a rh O l e s ；n o t c h e dp l a t e sl I l兰州理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。储签名魏同期：叩年月I 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 、保密口，在年解密后适用本授权书。2 、不保密( 请在以上相应方框内打“v ”)同期：切。7 | 年乡月，日日期：口c y 年多月，同睫一齐亏力a 玎-药王名名签登者师作导硕l 学位论文1 1 课题背景第1 章绪论钢结构是世界高层建筑中较早采用的一种结构类型，也是今后最有发展前景的结构类型之一。钢结构与其他材料的结构体系相比具有很多优点。例如，钢材材质均匀，抗压、抗拉和抗剪强度均很高，并且具有良好的延性，能减弱地震反应，具有抵抗强烈地震的变形能力【。随着国民经济的快速发展，钢结构也越来越广泛的应用于建筑工程和桥梁工程。2 0 0 8 年北京奥运会的鸟巢和水立方堪称钢结构应用的经典，可以预见，建筑钢结构将迎来一个快速发展高峰。钢框架是钢结构住宅中最常用的结构形式之一。钢结构住宅在欧美的应用己经有几十年的历史，近年来呈逐年上升的趋势。美国普通低层民用住宅中钢结构的比例由9 0 年代的5 发展到目前的2 5 ，而非居住型低层建筑占7 5 ；还有同本积水房屋株式会社开发的B 型体系：意大利钢铁公司与热那亚大学合作研究的B A S I S 工业化建筑体系等，都是较完整的节能环保型钢结构住宅体系l 引。钢结构住宅作为十一五期间我国将要重点推广的项目，具有强度高、自重轻、抗震性能好、施工速度快、结构构件尺寸小、工业化程度高、结构净空大、环保、综合经济指标好等特点，同时钢结构又是可重复利用的绿色环保材料。因此，钢结构住宅是很有发展前途的一种房屋建筑体系【3 _ 5 l 。在1 9 9 4 年美国北岭地震( N o r t h r i d g eE a r t h q u a k e ) 和1 9 9 5 年日本阪神地震( H y o g o k e n N a n b uE a r t h q u a k e ) 以前，钢结构建筑的安全性很少被怀疑。但在这两次地震中，大量的钢结构框架出现了不同程度的破坏，研究调查显示，破坏均发生在梁柱节点区域，且都呈脆性破坏【鲫l 。这引起了学术界和工程界的广泛关注，许多专家学者都开展了梁柱连接性能及其对钢框架结构抗震性能影响等方面的研究。这些研究主要集中在传统梁柱节点的破坏机理、新型延性节点的静动力试验和数值分析以及梁柱节点与整体结构的相互影响等方面。为此，美同两国成立了专门的研究机构，也提出了一些工程上改良构造( 例如：在节点部位加腋以改变这一区域的应力分布等) 。图1 1 所示的梁柱连接节点被广泛应用在钢框架结构中。当时普遍认为该节点能够保证节点发挥材料延性，促使结构在梁端出现塑性铰，并通过塑性铰的形成和转动来耗散地震能量，使节点免于破坏，并保证结构的整体性以免于倒塌，以满足“强节点弱构件”的设计思想1 1 0 l 。然而，北岭和阪神地震中，此类梁柱节点并没有表现出入们所期待的延性，而是产生了大量的脆性破坏。文献I l 卜1 3 J 对传统钢框架粱柱节点的破坏现象和破坏原因进行了较为系统的总结。结构俐广义双I j f 静水心力，掣晰裂准则股试验研究图1 1 北岭地震前普遍采用的梁柱腹板栓焊节点在对传统的梁柱节点进行调查、分析后，基于抗震要求提出了许多新型节点形式，震后的新型节点形式可以分为加强型( 节点局部加强，图卜2 所示) 和削弱型( 有翼缘削弱、腹板削弱两类，图卜3 所示) 两大类。其宗旨都是“强节点弱构件”的深化。( a ) 盖板式( b ) 梁腋式( c ) 梁肋式图卜2 加强型节点示意图目一( a ) 腹板开洞削弱m ) 腹板开槽削弱( c ) 翼缘削弱图卜3 削弱性节点示意图由于加强节点会在节点区域内增加焊缝数量，而焊缝过多易引起次应力且焊缝质量难以控制，这本身又会成为节点脆性破坏的原因。然而这些方法均是治标不治本，没有从结构钢断裂的力学原理层次上研究，而是仅仅从工程上给予改进。钢结构脆断时并未超载，且塑性变形很小，其后果是灾难性的，任何工程均无一例外的要求避免脆断。经典强度理论、损伤力学和断裂力学的研究成果均对结构钢宏观脆断无能为力I 悼1 8 l 。因此，将会属微观断裂机理和宏观经典力学结合起来，创立新的、行之有效的断裂准则将具有重大的理论意义和工程应用价值。2硕1 1 学位论支1 2 国内外研究现状1 2 1 国外研究现状为了研究材料的断裂理论，早在2 0 世纪6 0 年代，M c C l i n t o c k I l 9 l 和R i c e与T r a c e y1 2 0 l 就各自证明了金属的断裂延性很大程度上取决于其静水压力。在后来的很多研究中，人们定性的发现影响材料断裂延性的关键因素是应力三维度仃。跏( 平均应力与等效应力之比) 【2 1 1 。Fj ，( 1 2 )式中s 为等效应变；，为断裂等效应变。H a n c o c k 和M a c k e n z i e l 2 2 l 进行了大量的试验，他们的研究证明断裂延性取决于应力三维度，公式( 1 2 ) 为数值模拟软件中的断裂判据，他们的研究给出了，和应力三维度仃，仃删的函数关系，并引用了弗里德曼的近似结果，弗旱德曼【2 3 l建议的危险断面处的等效应变为一定值，而数值模拟则显示应力三维度沿危险断面是变化的。近来，B a o1 2 4 以7 l 通过对金属材料的定量分析，给出了应力三维度从一l 3 到O 9 5 的断裂公式，但建议公式并不能涵盖所有的应力状态下的断裂问题，尤其是脆断问题。公式( 1 3 ) ( 1 4 ) 和( 1 5 ) 为提出的断裂公式，图卜4 为B a o建议公式的曲线图。占，一0 1 2 2 5 ( D r m D 螂+ 1 3 ) m 稻一1 3 s o r m q qs 0( 1 3 )，一1 9 ( o - 吼q + 1 3 ) 2 0 1 8 ( 口r 艉o o ) + O 2 10 s 口。o 跏s 0 4( 1 4 )，一O 1 5 ( 吒q 呻) 以0 4s s0 9 5( 1 5 )3结构钢广义双凹静水膨，J ，I q 断裂准则股试验研究fJ一棼j 一j j 一心?乡乒1l 覃一l川吃3 时= 乜当1 2 。部分，子午线为椭圆，椭圆顶点在倾线上( 差厂差鹰厂) 点；该断裂准则与平面= c ( 其中，c 为常数，且o c 1 三厂) 的交线均为正六 彳边形，六边形中心在等倾线上，且随着c 的不同六边形大小不等，从外形上看，像是一“六角帽。结构钢广义双剪静水声力型断裂准则及试验研究图2 8 断裂准则的空间模型2 3 2 断裂准则的参数确定为确定广义双剪静水应力型断裂准则的参数A 和k ，将单向拉伸和纯剪切时的应力状态带入式( 2 1 0 ) 。当单向拉伸状态时：= 吒3 = 厂3 ，q = 吼= 厂，c r 2 = O ，吒= O 代入可得：+ “钾= 后汜即：1 + 彳9 = 七当为纯剪切状态时= O ，q = f ，吒= O ，巳= 一f 带入上式得：( 学卜即= 争汜联立( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 解得A 、k 和材料的断裂强度厂、纯剪切断裂强度f的关系式，在理论上，f 可由薄壁圆管扭转试验测得，但薄壁圆管在扭转屈服后容易发生失稳，因此，剪切断裂强度f 存在试验测试上的困难。所以将该断裂准则修改成： 学卜1 学卜f1当气2 吒3 时( 2 1 4 )当1 2 f 2 3 时当一2 O 的情况，建议的断裂准则在该区间内具有较大的工程价值根据现代原子物理学的观点，假设当仃，以s 正一o o 时，原子核将发生突变，材料瞬间坍