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圆形Q690高强钢管混凝土轴压短柱试验研究
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作者 门朋飞 何浩祥 钟国辉 《钢结构（中英文）》 2024年第5期41-48,共8页
圆形钢管混凝土可以充分发挥钢管和混凝土的组合作用,使得钢管混凝土承载力和延性得到明显提升,因而广泛应用于工程结构中。将高强钢应用于钢管混凝土柱,可以减小构件尺寸和自重,使结构在节省材料用量的同时获得更大的可用空间,更加经... 圆形钢管混凝土可以充分发挥钢管和混凝土的组合作用,使得钢管混凝土承载力和延性得到明显提升,因而广泛应用于工程结构中。将高强钢应用于钢管混凝土柱,可以减小构件尺寸和自重,使结构在节省材料用量的同时获得更大的可用空间,更加经济环保。然而,现行钢管混凝土设计规范主要是依据普通钢材强度等级的研究成果制定的,对采用高强钢的钢管混凝土的适用性尚未可知。此外,针对高强钢管混凝土短柱轴压性能,现有研究主要关注其在承载时的结构性能,而很少关注钢管和内填混凝土在不同变形阶段分别承担轴力的贡献。因此,基于试验对高强钢管混凝土短柱的轴压性能展开了研究。首先,对6个短柱进行了轴压试验,包括3个钢管混凝土试件和3个纯钢管试件。主要的试验参数为钢材强度等级,包括Q355,Q460和Q690。之后,基于试验结果,分析了试件的破坏形态、荷载-位移曲线、承载力以及钢管和内填混凝土的轴力贡献。最后,探讨了现行设计规范对圆形钢管混凝土轴压短柱承载力的适用性。试验结果表明:所有纯钢管和钢管混凝土试件均表现出了良好的延性;由于混凝土的存在,钢管混凝土的承载力比纯钢管的承载力提高了30%以上。基于纯钢管和钢管混凝土的应变分析结果,分离了钢管混凝土钢管和内填混凝土的轴力贡献。结果表明:钢管提供的约束作用使得混凝土所承担的轴力明显增加,且钢材强度等级越高,混凝土轴力提高效果越明显;尽管钢管提供了横向约束作用,但其轴力贡献与其屈服承载力相比未明显折减。试验结果和规范预测结果的对比分析表明:现行中国规范GB 50936—2014《钢管混凝土结构技术规范》可以有效预测采用普通强度钢材的钢管混凝土试件的承载力,但当钢管采用高强度钢材时,规范将给出过于保守或偏于危险的预测结果;现行欧洲规范(EN 1994-1-1)中的截面承载力计算方法对采用普通钢和高强钢的钢管混凝土试件均给出了合理且偏于安全的承载力预测值,仍可以适用于Q690高强钢管混凝土,但该规范低估了钢管的轴力贡献,高估了内填混凝土的轴力贡献。 展开更多
关键词 钢管混凝土短柱 圆形截面 Q690高强钢 轴压承载力 轴力贡献 试验研究
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高强度钢材Q690和Q960的焊接拼接短柱轴压试验研究
2
作者 朱梦飞 何浩祥 +1 位作者 金皓 钟国辉 《钢结构（中英文）》 2024年第5期49-56,共8页
近年来,随着冶金技术的发展,屈服强度在460 MPa及以上的高强度钢材和超高强度钢材已在我国实现了工业化生产。这类钢材采用热处理工序获得特定的微观结构,优化其材料属性和机械特性,在建筑结构的受力性能、经济效益和节能减排等方面都... 近年来,随着冶金技术的发展,屈服强度在460 MPa及以上的高强度钢材和超高强度钢材已在我国实现了工业化生产。这类钢材采用热处理工序获得特定的微观结构,优化其材料属性和机械特性,在建筑结构的受力性能、经济效益和节能减排等方面都具有突出的优点。然而,一些研究人员指出,由于冶炼过程中必须的热处理工序,这些高强钢的微观结构在焊接过程中很容易受到影响,发生金属相变,导致焊接热影响区的各种机械性能降低。因此,有必要对建筑工业实用尺寸(如10~30 mm厚)的高强钢Q690和Q960板焊接后结构表现进行深入的研究和量化评估。针对这一问题,首先对Q690和Q960钢材10~30 mm厚的母材试件进行了单调拉伸试验,获得其机械性能。同时,对高强钢Q960在熔化极气体保护电弧焊不同焊接热输入下的焊接接头进行了单调拉伸试验,研究焊接热输入对其屈服强度、抗拉强度、延伸率等的影响,并依据相关试验数据开发了针对Q690和Q960中厚板特定热输入的焊接工艺规范。之后,采用此焊接工艺规范进行加工,并在香港理工大学结构工程实验室对共计36个不同对接拼接焊热输入、不同截面分类的Q690和Q960焊接拼接短柱开展了全面的轴压试验研究,量化了在不同焊接热输入下的高强钢Q690和Q960焊接拼接短柱在轴向压缩下的截面承载力,并将试验结果与现行欧盟规范EN 1993-1-1中的设计要求进行了比较。最后,分析了现行欧盟规范EN 1993-1-1中对于截面分类的规定在高强钢Q690和Q960短柱焊接工字形截面和箱形截面上的适用性,提供试验数据,提出了对现有截面分类规定的一些意见。 展开更多
关键词 高强钢 短柱 H形截面 箱形截面 轴压试验
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Q690高强钢冷成型方钢管柱轴心受压整体稳定性能试验研究
3
作者 宁克洋 肖蒙 钟国辉 《钢结构（中英文）》 2024年第5期1-7,共7页
建筑业去碳化的策略之一是提高工程设计效率以降低对建材用量的需求。近年来,得益于高强钢生产技术的进步,使得这一构想成为可能。高强钢在结构工程中的有效使用可以减少构件尺寸和用钢量以及随后的制造、运输和施工成本,这些将有助于... 建筑业去碳化的策略之一是提高工程设计效率以降低对建材用量的需求。近年来,得益于高强钢生产技术的进步,使得这一构想成为可能。高强钢在结构工程中的有效使用可以减少构件尺寸和用钢量以及随后的制造、运输和施工成本,这些将有助于节约资源和减少碳排放。与普通钢Q355相比,虽然Q690高强钢的屈强比高、断后伸长率低,但是其具有优异的比强度。Q690高强钢的这些特性会对结构性能产生较大影响。因此,量化这些特性对结构性能的影响,对于确认其在建筑结构中的适用性非常重要。目前主要的钢结构设计规范中的轴压构件整体稳定承载力计算方法主要是参照普通碳钢Q235和Q355的研究数据而开发的,对于Q690高强钢是否适用,还须进一步验证。因此非常有必要检查这些设计方法对于采用各种制造工艺制造的Q690高强钢轴心受压构件的适用性。为研究Q690高强钢冷成型方钢管柱轴心受压的整体稳定性能,共设计8个试件,包括4种截面尺寸和8种长细比,6 mm和10 mm两种板厚,并通过轴心受压试验对其整体稳定性能进行了研究。试验前对试件的几何初弯曲和荷载初偏心以及截面的纵向残余应力分布均进行了测量。残余应力测量结果显示冷成型方形截面焊缝处的内外表面均存在较大的残余拉伸应变,在截面转角区的外表面和内表面分别存在显著的残余拉伸和压缩应变。轴心受压下所有试件失稳模式均为整体弯曲失稳。将试验结果同中国设计规范GB 50017—2017《钢结构设计标准》和欧洲规范Eurocode 3计算结果进行了对比。结果表明:根据中国规范和欧洲规范建议的设计曲线计算结果均偏于保守,且中国规范建议设计曲线相比欧洲规范更为保守。根据试验结果和设计规范中各柱设计曲线的对比结果,建议采用中国规范和欧洲规范中的a类柱子曲线设计此类Q690高强钢冷成型方钢管柱。 展开更多
关键词 Q690高强钢 冷成型方钢管 整体稳定性能 试验研究
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Q690高强钢在单调荷载下的延性断裂判据研究
4
作者 李梦飞 何浩祥 钟国辉 《钢结构（中英文）》 2024年第5期57-63,共7页
Q690高强钢由于其优越的强度和自重比在工程结构中受到越来越多的关注。螺栓连接是钢结构节点组成的重要形式,了解Q690钢的延性断裂行为对于研究Q690构件之间螺栓连接的破坏形式至关重要。为了解决这一问题,使用传统的延性断裂分析方法... Q690高强钢由于其优越的强度和自重比在工程结构中受到越来越多的关注。螺栓连接是钢结构节点组成的重要形式,了解Q690钢的延性断裂行为对于研究Q690构件之间螺栓连接的破坏形式至关重要。为了解决这一问题,使用传统的延性断裂分析方法对Q690钢进行了全面的初步研究,包括校准空穴扩张模型(VGM)和应力修正临界应变(SMCS)模型。对标准拉伸试件和不同缺口半径的圆棒缺口试件进行单调拉伸试验,通过对试验数据的分析得到了Q690钢的真实应力-应变关系和在不同应力三轴度下的工程应力-应变曲线。随后对断口进行电镜扫描试验,区分了试验试件的破坏模式,并对断口表面韧窝形成的凸起和凹陷进行分析,计算出Q690钢的特征长度,用于确定后续有限元模型的网格尺寸。建立有限元模型对试验加载过程进行模拟,使用校准后的本构模型计算出的工程应力-应变曲线与试验结果吻合较好。通过提取不同试件延性断裂发生时断裂起始点的应力应变状态确定了空穴扩张模型(VGM)和应力修正临界应变(SMCS)模型的断裂参数,并用其对试验试件的断裂位移进行预测。结果表明,传统的VGM和SMCS模型不能准确预测Q690试件的断裂,预测误差达到了31%和39%。在此基础上,提出了一种改进的孔洞生长模型,充分考虑了应力三轴度对断裂时临界塑性应变的影响。数值分析表明,改进后的断裂模型对试验试件的断裂位移的预测值与实测值吻合较好,平均误差控制在5%以内。研究强调了了解Q690高强钢延性断裂行为的重要性,并提出了一种改进的延性断裂模型,以提高预测其延性断裂的准确性。 展开更多
关键词 高强度钢材 延性断裂 电镜扫描 断裂预测
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不同焊接热输入的Q690-QT高强钢焊接接头抗拉性能 被引量：1
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作者 李彬 刘校 钟国辉 《钢结构（中英文）》 2024年第5期34-40,共7页
Q690-QT高强钢具有轻质高强等优点,应用于钢结构建筑中,可显著减轻结构自重、降低成本。过去20年里,大量Q690-QT高强钢焊接材料及构件的力学性能试验结果表明,如果焊接控制不当,会导致高强钢微观结构出现变化,出现焊接截面的屈服强度、... Q690-QT高强钢具有轻质高强等优点,应用于钢结构建筑中,可显著减轻结构自重、降低成本。过去20年里,大量Q690-QT高强钢焊接材料及构件的力学性能试验结果表明,如果焊接控制不当,会导致高强钢微观结构出现变化,出现焊接截面的屈服强度、抗拉强度和延性显著下降的现象。上述试验更多地是进行焊接后接头表现的性能特点描述,未能系统采用试验或理论分析不同焊接工艺的参数对高强钢焊接接头力学性能的影响,也未能形成可避免高强钢焊接强度折减的焊接工艺参数,难以为高强钢材料在建筑和桥梁等工程的实际应用提供技术支撑。在此背景下,以焊接热输入为控制变量,利用惰性气体保护焊(GMAW)和埋弧自动焊(SAW)的机器人自动焊接系统,设计并制作了12个不同热输入(1.0、1.5、2.0、5.0 kJ/mm)Q690-QT高强钢焊接接头试件、3个Q690-QT高强钢金属母材试件及3个焊接材料试件进行标准拉伸试验。通过分析引伸计和高精度连续摄像方式采集的试件过程应力、应变数据,探究不同焊接参数对高强钢焊接接头强度折减的影响,为实际工程Q690-QT高强钢材料焊接强度控制提出相应的工程建议。结果表明:不同焊接热输入的Q690-QT高强钢焊接接头试件,在竖向拉力的作用下,其断裂位置均位于热影响区(HAZ)内,未受焊接冷热循环影响的金属母材部分和焊接材料部分均未出现明显损伤现象。分析应变引伸计和高速摄像机采集的应力、应变数据可知,相较于Q690-QT高强钢母材试件,当焊接热输入由1.0、1.5、2.0 kJ/mm至5.0 kJ/mm变化,不同Q690-QT焊接接头试件的屈服强度和抗拉强度由基本不变变化为10%折减,最后出现30%左右屈服强度折减现象。母材与焊接接头试件的伸长率测试数据对比结果表明,随着焊接热输入升高,钢材焊接延性折减程度增高。通过对实际工程中焊接热输入进行监测,可较为准确地预测不同Q690-QT高强钢焊接接头强度,将焊接热输入控制为1.0 kJ/mm和1.5 kJ/mm,可实现高强钢焊接接头的等强连接。 展开更多
关键词 高强钢 焊接接头 热输入 强度折减 延性折减
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Q690高强钢及其焊接构件的疲劳性能
6
作者 陈韡 钟国辉 《钢结构（中英文）》 2024年第5期27-33,共7页
高强钢指屈服强度fy不小于460 MPa的钢材,因其良好的材料性能已被逐步应用于建筑和桥梁中。与普通强度钢材相比,高强钢具有更高的屈服强度,可以减小构件的尺寸,且较薄的钢板厚度可以减少焊接工作量、提高焊接质量,从而避免厚板带来的焊... 高强钢指屈服强度fy不小于460 MPa的钢材,因其良好的材料性能已被逐步应用于建筑和桥梁中。与普通强度钢材相比,高强钢具有更高的屈服强度,可以减小构件的尺寸,且较薄的钢板厚度可以减少焊接工作量、提高焊接质量,从而避免厚板带来的焊接问题。疲劳损伤一直以来是桥梁结构最为关键的服役问题之一,在国内外现行的结构设计规范中并没有包含针对高强钢材疲劳性能的设计标准。对Q690高强钢及其焊接件的疲劳性能进行了系统性的试验研究,确定Q690高强钢及其焊后的疲劳强度,以推进Q690高强钢在实际工程中的应用。首先对Q690高强钢及其焊接件的标准试件进行单调拉伸试验,确定其材料性能,在Q690焊接件进行试验前对试件进行了腐蚀处理,目的是更为直观地在试验中观察到焊材、热影响区和母材的分布,试验确定颈缩发生的位置为热影响区。根据单调拉伸试验得到的材料力学性能确定了多级疲劳荷载,并对Q690高强钢及焊接光滑圆棒试件进行系列高周-低应变疲劳试验,确定了Q690高强钢母材及其焊接试件的疲劳寿命,并根据试验值拟合出疲劳曲线(S-N曲线)。疲劳试验得到Q690焊接件的疲劳极限为420.0 MPa,Q690母材的疲劳极限为668.8 MPa,结果表明Q690高强钢焊后疲劳极限有明显降低,但Q690高强钢母材及其焊接试件的疲劳极限均远远高于欧洲规范的设计值(母材:118 MPa,焊接件:82.5 MPa)。对Q690焊接试件进行了硬度试验,确定其沿纵向的硬度分布,发现焊材区的硬度最高约为328 HV,在热影响区有明显的软化现象,硬度为240 HV,说明Q690高强钢焊后硬度差异较大。对疲劳破坏后的Q690焊接件断口试件进行了腐蚀试验,发现疲劳裂纹起源于焊材区而非热影响区。并且对断口试件进行了扫描式电子显微镜观察,在疲劳断面发现非金属夹杂物。根据电镜观察的结果,分析了疲劳断口的微观现象,确定疲劳裂纹源及扩展过程,得到初始缺陷是影响Q690焊接件疲劳性能关键因素的结论。 展开更多
关键词 高强钢 焊接接头 疲劳性能
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Q690高强钢厚板焊后力学性能
7
作者 金皓 朱梦飞 +2 位作者 钟国辉 王焰华 刘海龙 《钢结构（中英文）》 2024年第5期17-26,共10页
对50、70 mm厚的高强度Q690钢板及其对接焊接件在拉伸条件下的机械性能进行了全面研究,共进行了40次拉伸试验。首先,针对母材在钢板厚度范围内的3个不同层上提取了18个圆形截面比例试样。对所有这些试样进行了拉伸试验,以获得其机械性能... 对50、70 mm厚的高强度Q690钢板及其对接焊接件在拉伸条件下的机械性能进行了全面研究,共进行了40次拉伸试验。首先,针对母材在钢板厚度范围内的3个不同层上提取了18个圆形截面比例试样。对所有这些试样进行了拉伸试验,以获得其机械性能,并研究了它们在不同板厚上的变化。其次,在这些厚钢板之间采用不同热输入能量的埋弧焊制备焊接件。此外,还对焊接部分的典型热影响区进行了微观结构检查。对总共22个矩形截面标准试样进行了拉伸试验,以获得其机械性能,并评估和比较了这些试样的全方位变形特性,特别是其抗拉强度和断裂伸长率,以评价热输入对厚板焊接件力学性能的影响。在拉伸试验过程中,使用数字图像相关技术(DIC)观测并记录试件表面在拉伸状态下的真实应变,进一步研究热影响区对焊接件力学性能的影响。通过针对母材的试验发现,从50 mm厚Q690钢板的各层中取出的试件,其力学性能只有可忽略不计的差别,可以认定沿板厚方向,50 mm板各层之间的力学性能是均一的。而70 mm板中层取出的试件,其屈服强度与抗拉强度相较于上、下两层中的试件,各有7%与6%的折减,而断后延伸率则相差不大。对于焊接件的试验表明,相对于16 mm Q690板,焊接热输入对50、70 mm厚板的力学性能影响更小:对16 mm板焊接件热输入由1.0 kJ/mm增大至2.0 kJ/mm时,焊接件强度折减由0%增大至8%;而对于50 mm板焊接件热输入由2.4 kJ/mm增大至5.0 kJ/mm时,焊接件强度折减保持在4%左右;而对于70 mm板焊接件热输入由2.4 kJ/mm增大至5.0 kJ/mm时,焊接件强度折减保持在1%以内。可以看到对于厚板焊接件,热输入的增大引起的焊接件强度折减的波动更小,因而在厚板焊接时,可以使用更大的热输入以提高焊接效率。同时,提供了有关这些建筑用高强度钢板及其对焊部分机械性能的重要试验证据。试验证明,只要按照既定的焊接规范对焊接过程进行适当控制,这些对焊部分的机械性能几乎不会降低,甚至不降低。因此,这些厚的高强度Q690钢之间的全强度对焊型材在实践中很容易实现,与通常采用的Q355钢类似。 展开更多
关键词 高强钢 焊接 焊后力学性能
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