结构钢材在±10%大应变下的循环加载试验

简述：

对结构钢材进行了拉压大应变循环加载的试验。为避免试件失稳，采用标距与直径比为1.13的特小标距试件。采用了循环拉伸、等幅升幅、等幅降幅、等幅交替、随机拉伸等不同的循环加载制度，使最大循环应变幅达到了±10%。

试验方案：

（1）试件设计

试件钢材为Q345B、Q420D钢板。钢板厚度为30mm。

单调拉伸试件基准件根据国家标准《金属材料室温拉伸试验方法：GB/T228-2002》设计，试件测量段的标距与直径比大于5，约为5.4，如图1所示；单调拉伸试验对比件同循环试验试件（图2）。循环加载试验试件参考国家标准《金属材料轴向等幅低循环疲劳试验方法：GB/T15248-94》设计，试件测量段的标距与直径比为1.13，如图2所示。       

     

图1 单调拉伸试件（尺寸单位：mm）

             

       图2 循环加载试验试件（尺寸单位：mm）  

试件编号如表1所示：

表1  试件编号

（2）加载方案

（2.1）试验机采用MTS-880（500kN），加载装置见图3。

                                                 

（2.2）加载制度采用单调拉伸和循环加载2种方式。循环加载制度见表2

                                                                                          表2 循环加载制度                                   

说明：表中括号内的数字为循环次数：a~d中每个应变幅下均循环5次；e中第一个应变幅分别循环13次（Q345B）和12次（Q420D），其余均循环5次；f、i中第一个应变幅循环1次，其余均循环5次；h中第一个应变幅循环6次，其余均循环5次；g的加载制度具体如表3。

表3 随机加载制度（g）

加载制度参考图4。

                                  

                          (a) 循环拉伸                                                         (b) 等幅升幅                                                             (c) 等幅降幅

                 

  (d) 等幅交替                                                          (e) 累积等幅升幅 Ⅰ                                                 (f) 最大等幅升幅Ⅰ  

         

                                                     (g) 随机加载                                                    (h) 累积等幅升幅Ⅱ                                                    (i) 最大等幅升幅Ⅱ  

（3）测试方案

循环加载试件的拉伸变形，在观察到颈缩前（约15%应变）由标距10mm（-10%~+50%）的引伸计测量；之后按加载端的位移等待，由加载端的位移传感器测量，其过程对应循环加载制度完成后直至拉断为止的单调过程。全程荷载由加载端的力传感器测量。 

                

试验现象： 

单调加载试件破坏后情况分别如图5与图6。基准件颈缩段所占比例很小（图5），对比件所占比例较大（图6）。

 

图5 单调拉伸基准件试后图

图6 单调拉伸对比件试后图

循环加载试验卸除引伸仪前（图7左图）和加载制度完成后（图7右图）状况。

                                  

 图7 循环加载试件卸除引伸仪前（左图）                                                   图7 循环加载终止加载前（右图）

                                 

8 Q345试件断后情况 

                           

                                                           图9 Q420试件断后情况

试验数据：

主要数据——循环加载试验曲线

       图10为试件345B-b试验曲线，左图为循环加载过程应力-应变曲线，纵坐标为真实应力（s），横坐标为真实应变（e），分别按公式（1）、（2）由实测的名义应力（s_nom）、名义应变（e_nom）值转换计算；右图为卸除引伸仪后的拉伸荷载-变形曲线。

                       

          （1）

2）式中，l、l_o分别为变形后和变形前的标距间长度。

             

 图10 345B-b试验曲线

[附录]图10数据列表及说明

图11为试件345B-g试验曲线，说明同345B-b。

             

图12 420D-b试验曲线

 

[附录]图12数据列表及说明

图13为试件420D-g试验曲线，说明同345B-b。

            

 图13 420D-g试验曲线

[附录]图13数据列表及说明

参考文献：

关联文献及联系作者

以下文献公布了此项试验的部分关联数据。(The papers/literatures following have published the relating data of this research.) 

Feng Zhou, Yiyi Chen, Qi Wu. (2015). Dependence of the cyclic response of structural steel on loading history under large inelastic strain. JCSR, 104: 64-73

吴旗, 陈以一, 周锋. (2014).高强度钢材在±10%大应变下的循环加载试验. 建筑结构学报, 35(2): 89-94

Yiyi CHEN, Wei SUN, Tak-Ming CHAN. (2014). Cyclic stress-strain behavior of structural steel with yield strength up to 460 N/mm2. Frontier of Structural and Civil Engineering, 8(2):178-186

支持单位：

国家自然科学基金重点项目（50138008）

科技部国家重点实验室基础研究资助项目（SLDRCE08-A-04）