高強度鋼材鋼結構的脆性斷裂機理和抗斷設計理論研究結題摘要

高強度鋼材在建筑結構工程、橋梁工程和輸電塔架工程中得到了廣泛的應用，盡管如此，相對于普通強度鋼結構而言，高強鋼結構發(fā)生脆性斷裂的傾向性更大，而且面臨一系列的關鍵技術問題，如韌性降低與低溫冷脆問題、高屈強比和低伸長率的問題、低周疲勞斷裂破壞的問題等等。本項目采用試驗和數值分析相結合的方法，從材料、焊縫和構造細節(jié)、構件與節(jié)點三個層面，系統(tǒng)研究了高強鋼母材及焊接接頭的力學、沖擊韌性和斷裂韌性性能；典型高強鋼框架梁柱節(jié)點局部構造細節(jié)在拉伸和往復荷載下的斷裂性能；高強鋼框架栓-焊混接節(jié)點的低周疲勞斷裂性能。提出了基于微觀機理的斷裂模型，進行節(jié)點延性斷裂預測分析；并通過局部構造細節(jié)試驗和足尺框架節(jié)點試驗進行了驗證，從而為高強鋼結構節(jié)點的低周疲勞斷裂分析提供了一種有效的分析方法。 本項目的為高強鋼的研究提供了豐富的材性數據、還為高強度鋼結構的防斷設計以及抗震性能設計提供了新思路和參考依據。對鋼結構設計規(guī)范的修訂，以及推進高強鋼結構的廣泛應用，減少工程事故，都具有重要的理論意義和工程應用價值。 2100433B

高強度鋼材能減輕結構自重、節(jié)約鋼材，具有良好的社會經濟效益。但由于高強度鋼結構存在如下問題而限制了其推廣應用：高強鋼隨屈服強度的提高，塑性降低、屈強比增大、韌性變差而脆性斷裂傾向增大；結構的設計應力水平更高，由斷裂力學可知其對裂紋缺陷更敏感；我國存在大范圍的寒冷地區(qū)，低溫下鋼結構易發(fā)生脆性斷裂。本申請項目采用理論分析、試驗研究和數值模擬相結合的方法，從高強度鋼結構的材料、焊縫和構造細節(jié)、構件和節(jié)點等三個層面開展逐漸深入的研究。積累高強度鋼材及其連接焊縫低溫力學性能和斷裂韌性指標的試驗數據；建立單調拉伸和循環(huán)荷載下，預測高強度鋼結構斷裂的兩類模型，即基于傳統(tǒng)斷裂力學方法的模型和基于局部法的模型；進行典型焊接接頭和梁柱節(jié)點的驗證性試驗，進而進行參數化分析，得到簡化的斷裂計算公式，提出較為完整的抗斷設計理論。本項目的研究對高強度鋼材鋼結構的推廣和我國節(jié)能減排、發(fā)展低碳經濟目標的實現(xiàn)具有重要意義。

雖然由于裂紋的存在，材料在力學特性上呈現(xiàn)出非線性特征，但是脆性材料本身是彈性連續(xù)的，其裂尖的開裂過程可看做是連續(xù)的。因此在小范圍屈服的條件下，裂尖的破壞和斷裂過程仍可用線彈性力學理論加以解釋和描述。

設A和B分別為裂紋尖端處裂尖徑向方向上相鄰的兩個材料微單元體，其公共界面為節(jié)點3和節(jié)點4之間的連線。在荷載作用下裂尖應力場在微元A和B上的最大應力分別為

在某一組遠場力系

在另外一組遠場力系

由此可見，在脆性斷裂時，裂紋開裂擴展方向并不是由材料的最大主應力、最大剪應力或最大屈服點所決定，而應考慮脆性斷裂微過程傳播的上述一致連續(xù)性特點 。

學科：工程地質學

詞目：抗剪斷強度

英文：shear strength

釋文：

抗剪斷強度是指土體抵抗剪切破壞的極限能力，是土的重要力學性質之一 ?？估瓘姸群苄?，可以忽略不計，但可以承受一定的剪力和壓力。工程實踐表明，建筑物地基和土工建筑物的破壞絕大多數屬于剪切破壞、例如，建筑物地基的失穩(wěn),堤壩邊坡的坍滑，所示，都是沿某一些面上的剪應力τ超過土的抗剪溫度τf所造成；室內試驗也表明，土樣的破壞大多數是剪切破壞