单向应力状态下钢材高温分析的损伤模型.pdf

第? ?卷第期???!年∀月上海力学#几、 ∃%?7关于常温下金属材料延性损伤模型 的分析和修改,提出一种适用于单向应力状态下钢材 高温分析的损伤模型,为进行钢框架在火 灾高温作用下及火 灾冷却后的反应和损伤分析提供可能性关键词结构钢材,高温,单向应力,损伤模型≅引言钢 结构 建筑 在正常服 役期 内有可能遭受 火灾 作 用,其结 构 反应分析可归 结 为热 弹 塑性 损伤问题〔’〕解决这类问题的关键之一是建立合理的火 灾高 温分析的损伤模型然 而,迄今为止,有关钢结构材 料损伤 及损 伤模型的研 究工作几乎都集 中在疲劳和地震等常温情况,而对于 火灾高温情 形下的损伤分析模型 尚未见 研究成果1本文将从忽略剪切应力的钢框架结构构件所处的单向应力状态入手,结合结构钢材 火灾高温的特点,提 出一 种适 用 于单向 应力状态下 钢材 高温分析的损伤模型,并 就该模型的具体应用进行简要讨论高温下钢材的损伤类型材料损伤 的类型很多,甚 至 对于同样的材料 在 不 同 因素作用下也可能导 致 不同类型的损伤,因此,首先应确定所研究 问题的 损伤类型对于结构 钢 材 火 灾高温分析而言,其破坏形 式几乎都表 现为 过大的塑性变 形,因此可以认为 延性 损伤是火 灾 高 温下钢 材 主要 的损伤类型。

延性损伤过程一般伴 随着 塑性 大变 形和能 量 耗散川另 外,蠕 变损伤对 于持续高温作用下的钢材性 能也有相 当影 响不 过,考 虑到建筑物 实际 火灾 的持时一般不会太长,蠕变及其损伤对 于结 构材料的影 响一般不很大,同时考虑到蠕变 问题的复 杂性,在本文研究工作中,暂不单独考 虑蠕变损伤的影响,而认为其影响已经 隐含在 延性损伤中〔’Α本 文工作只涉及 钢 材的延 性损伤1本文 收到日期Β?? ?Χ年Δ月 Ε日国家基础研究和应用基础研究重大项目Β重大土木及水利工 程安全性与耐久性 的基础研究 课题 资助曹文衔等Β单向应力状态下钢材高温分析的损伤模型高温下钢材的延性损伤模型5?对2忍;画概金属材料延性损伤模型的回顾在材料层次上 的延性损伤模型主要来 自损伤力学 的研究成果一般而言,材料的损伤模型 可以应力、应变或应力与应变相结合的形 式来表达但是,玩姗=> ? 7通过分析后指出闭Β用应力形 式表示 的延性损伤模型很难应 用于 大 应变范围因为在 此范 围内,材料可能已接近塑性破坏,而应力却变化不大故此,文献〔ΕΑ建议,用应变形式来建立 金属材料的延 性损伤模型更 为适 宜玩Φ比通过实验还表 明Β对 于比例加载情 形,在单向应力状态下一般金属材料8包括钢材:损伤9对于累积 塑性应变扩具有线性关系,即有Γ一丛一了Η,护、 82:式 中,9。

1、端分别为一 维拉伸破坏 时 的临 界损伤值 8表现 为弹性模量 的折减:、破坏时 的临界塑性 应变值8即延伸率:和损伤开始时 的塑 性应变门槛值它们均可由实验得 出5对公式82 :的分析和修改考虑到一般情况下,钢材 的端ΙΙ二,式8?:可进一步改写 为Β8 :式8 :与式82 :相比,最大误差产生于扩二端处,根据文献〔Ε〕对延伸率不超过ϑ ∀Κ的金属材 料的试验研究以及本文作者对 Λ Δ ϑ钢 的试验研究川,上述最大误差 大约在ϑΚ左 右我们注 意到Β玩;? 7的公 式82 :及 由此得出的公式8 :均是 针对比例加载 的单向应力 状态 得 出的对于钢框架结构8火 灾:高温分析的问题而言,一般认为,火灾高温作用全 过 程中,外 力荷载保持不变,荷载不变实际上是比例加载的特例更进 一 步,如果不计剪切 变 形和剪 切应力的影 响,则 钢框架构件处于单向应力状态因此 公 式8?:、8 :应用 的条件 得 到满 足5但同时必须指出Β公式82 :的推导 过程还 涉 及 到材料 的屈 服应力、特 征 系数、初始弹 性模量闭,在常温 下这些指标或参数均被玩;? 7当作常数由实验加以确定,而在变温条件下,它们一般应 与温度Μ有关。

因此在变 温条件下应将式8 :改写成ΒΒ:令七,,ΟΠ、 ‘ 月Θ正产8Δ:式 中,9Ρ8Β:、认Β:和找Β:分别为在某一温度Μ下 一维 拉伸破坏时 材料的临界损伤值8表现为弹性模量的折减:、在温度Μ下 破 坏时 材 料 的临 界塑 性应变值8即延伸率:和在 温 度Μ下材料已有的塑 性应 变损伤 变量9一般具有如下性质囚Β2 :9任「∗,?」,9Ν∗对应于无损状态Σ9二?对应于材料抗力的完全丧失9应为单调递 增函数,即损伤向着增大的方向发展,且损伤不可逆值得指 出的是,玩;?给出的9是通 过损伤引起的弹性模量 的下降来度量的闭例如果考虑剪切变形和剪切应力的影响,则钢框架构 件处于多向应力状态,此时 的损伤模型 不仅与应变有关,还与应力的状态及其大小有关叫,损伤模型变得复杂上海力学?? ?!年第? ?卷如,对于钢材,他得出材料达到 极 限塑 性应 变时 的弹性模量下降大约 ≅Κ,因 而9即取为≅5左右显 然,他对于不同材料所得到的损伤最大值9是不同的,且 一般均不符合上 述9的性质2:另 一方面,如果再考虑变温影响,则即使对于 同一材料在不同温度状态下认也有可能不同,这样难以分析同一材料在整个火灾变温全过程 中的损伤累积。

另一个需要指出 的问题是Β文献〔Ε」的9值对应于材料的断裂破坏,也 就是说包括材料的颈缩段在内而在结构钢材 的实际工程应 用中,颈 缩段材料的抗力是 难以计及的因为当材料的应变超过极限应力所对应的应变点之后,除非材料应力迅速降低,否则材料从达到极限应力到 彻底断裂8即颈缩过 程:将迅 速 完成从这 一 事 实 出发,本文将9二?定义为材料的应 变达 到极限应力点对应的极限塑性应变‘,而非材料的延伸率玩; 、损伤公式82 :最重要的性质在于从理论上推导 出在一定条件下损伤9与应变之 间 的线性关系,并得到了实验验证本文在保留这一基本性质的前提下,对式8Δ :中9的表达式进 行简单的归一化处理令乃Ν刀Ο9 Ρ8Β:,并将力 改写 为9Β,则 式8Δ:成为9Β二争七68Μ:8Ε:经 处理后 的9Β具有与玩;? 7定义 的刀不同的物理 意义Β9Β的大小 反 映了材料塑性变 形 能力 的耗散程度但在相 同温度条件下,材料损伤9Β对于 累积 塑性应 变试Β:仍具有线性关系另 外,对于新的9Μ,其大 小 的实验测量更直观、更简便Δ损伤模型式8 Ε :的具体应用Δ5?固定荷载作用 下不同温度时钱Β:的确定在实验确定试Β:时,一般只能测定材料在某 一恒定荷载 下某一标距内总 的平均应变。

8Β:,而8Β:Ν试Β:Τ是Μ:Τ? 7关于常温下金 属材料延性损伤模型的分析和修改,提 出一 种适用于单向应力 状 态下 钢材高温分析 的损伤模型,并就有关该模型具体应 用的问题进行简要讨论本文工作为进行钢框架 在火 灾高温作用 下及火灾冷却后 的反应和损伤分析提供了一 种可能 性参考文献【2 Α曾攀5材料 的概率疲劳损伤特性及现代 结构分析原理5北京Β科学技术文献出版社,?卯ΔΥ]」楼志文5损伤力学基础5西安Β西安交通大学出版社,?? ??【Δ〕赵金 城钢框架结构抗火性能研究5ς学位论文〕,上海Βς ? > )济大学结构工程学院,?? ?ϑςΕ」)7 ? 75∋7 4Γ > =Γ 6 4 6[⊥田22=27Υ ? 6? 75 ∋ #入(0,)4 6 ? Γ7? =7? 7[=[2 22川」 7 2Υ 4 ?δ27 72;7; ε侧> ∴ ⊥=4 Γ7Υ Υ 78>[5 乃,Ξ7 7 ⊥=Γ罗 4 Υ? 1∋##’Κ,7 4Γ7 7;7⊥,7? =∴=[δ? 67>6? 7 726Γ击?6ηΓ=? 7 [ [7; Ψ7 ? 6?7=ΓΥ =?7,εχι∴=7∴4∴7ε 7∴=4 Γ4Υ[>7 72Υ ?7 ?Υ =? 75φ7χι4?⊥ [[> ? 67>6? 7 72,∴=_ ∴>7;δ7? <>6? 7,6Γ=? 7[[,⊥< ;<郎;记725。