基于循环孔洞扩张模型的Q355钢超低周疲劳断裂数值模拟

尹 越，张 松，韩庆华，马 涛

(1.天津大学建筑工程学院，天津300072；2.滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室，天津300072)

罕遇地震作用可能导致钢结构节点的应力集中区域因经历较大的循环塑性应变而发生延性断裂。这种断裂一般在10次～100次应变循环后发生，被称为超低周疲劳(Ultra-low cycle fatigue,ULCF)断裂。1994年北岭地震和1995年神户地震中，大量钢框架结构的倒塌就是由梁柱节点的超低周疲劳断裂引起的[1−3]。基于应力强度因子[4]、裂纹尖端张开位移[5]和J 积分[6]等断裂力学指标的传统断裂力学可以预测塑性有限的裂纹尖端区域的钢材断裂，但并不适用于伴随着大范围屈服的延性断裂。基于微观断裂力学的各种断裂判据已逐渐成为处理钢结构延性断裂问题的有效工具。

在微观断裂力学中，钢材在超低周疲劳荷载下发生断裂的基本机制是微孔洞的扩张和聚合[7−8]。孔洞扩张模型(Void growth model,VGM)[9]给出了材料中微孔洞的增长与应力三轴度和塑性应变的关系，基于微孔洞大小达到临界值时发生延性断裂的判据，VGM可以预测单调荷载下钢材的延性断裂[10]。循环孔洞扩张模型(Cycle void growth model,CVGM)[11−12]在VGM的基础上，考虑了循环塑性应变引起的材料损伤，可以预测钢材的超低周疲劳断裂。CVGM基于应力三轴度和塑性应变计算断裂指标，通过与经历循环塑性应变后材料的断裂参数的比较，预测材料的延性断裂。我国钢结构常用钢材Q235钢和Q355钢的CVGM断裂参数均已得到了校准[13−14]。尽管CVGM忽略了孔洞扩张引起的材料退化及其对延性断裂的影响，但考虑到耦合微观断裂模型的复杂性，CVGM仍广泛应用于工程实践中超低周疲劳断裂的研究[15− 18]。……