陆建锋1，2 徐 明1 王 飞1 舒赣平1 刘 毅3 陈水荣3
(1.东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室， 南京 210096;
2. 江苏省电力公司淮安供电公司, 江苏淮安 223002； 3.中冶建筑研究总院有限公司， 北京 100088)
摘 要：钢材在循环荷载下将出现包辛格效应、循环硬化及循环软化现象，这使得钢材在循环和单调荷载下的本构关系有所区别。通过对国产Q690GJ高强度结构钢材进行单调和循环加载试验研究，并从单调和循环加载性能、循环加载现象等方面分析其力学性能差异。结果表明，Q690GJ钢材在循环荷载下的滞回性能良好，由于循环硬化作用使得钢材强度提高的幅度很小，循环软化较早出现，同时试件在循环荷载下由于塑性损伤累积，与单调加载相比延性变差。基于Ramberg-Osgood模型，可以较好地拟合Q690GJ高强度钢材在循环荷载下的应力-应变骨架曲线。
关键词：高强度钢材； 单调加载； 循环加载； 力学性能； 滞回性能
我国是地震多发国家，建筑结构在地震作用下的响应对人民的生命财产安全至关重要，因此建筑结构分析计算需要重点考虑地震作用的影响。通常地震作用对于多、高层钢结构是循环往复荷载，而钢材在循环荷载下将出现包辛格效应、循环硬化、循环软化现象以及材料的累积损伤[1]，这使得钢材在循环荷载下的力学性能不同于钢材在单调荷载下的性能，因此循环荷载下钢材的本构关系对研究钢结构的抗震性能有重大的意义，同时也是结构设计进行弹塑性地震反应分析的基础。
目前，高强度钢材已经在国内外多个建筑和桥梁工程中得到了应用，但国内外对高强度钢材在循环荷载作用下受力性能的研究还很少。本文对高强度结构钢材Q690GJ进行了不同加载制度下的单调和循环加载试验，得到不同加载制度下的应力-应变关系曲线，研究高强钢材料的力学性能、破坏模式、变形和延性特征以及损伤退化特性，以期为高强度钢材钢结构的抗震性能研究提供依据。
本文试验采用Q690GJ钢材，由武汉钢铁(集团)公司提供，其力学性能如表1所示[2]。试验在50 t MTS疲劳试验机上进行，试件加载装置如图1所示，采用的试件尺寸如图2所示，共有11个试件。所有加载制度如图3和表2所示，共有9种加载制度。各试件的应变采用拉压引伸仪测量，引伸仪标距为20 mm，拉量程为4 mm，压量程为2 mm，在提取应力-应变关系曲线时，试件尺寸均取实测尺寸。试验中采用手动位移控制加载，实际加载曲线虽与设计加载制度有一定差异，但最大不超过5%。
表1 Q690GJ力学性能
R0.2/MPaRm/MPaA/%72781418.15
注：R0.2为名义屈服强度；Rm为抗拉强度；A为断后伸长率。
图1 试验加载装置
图2 Q690GJ试件尺寸
a—CL1-1,CL1-2(每级应变增加±0.002 5);b—CL1-3(每级应变增加±0.002 5);c—CL2-1;d—CL2-2;e—CL3-1
(每级应变增加±0.002 5；压应变保持-0.007 5);f—CL4-1(每级应变增加±0.002 5)。
图3 Q690GJ钢材循环荷载加载制度
表2 Q690GJ试件加载制度
试件编号加载方式T1—T3单调拉伸C1—C2单调压缩CL1-1关于ε=0对称加载,第一圈应变加载到0.5%,等应变增量0.25%对称逐级加载,先拉后压,每级循环1次。CL1-2关于ε=0对称加载,第一圈应变加载到0.5%,等应变增量0.25%对称逐级加载,先拉后压,每级循环2次。CL1-3关于ε=0对称加载,第一圈应变加载到0.5%,等应变增量0.25%对称逐级加载,先压后拉,每级循环1次。CL2-1关于ε=0对称加载,以应变1.25%等幅加载20圈。CL2-2关于ε=0对称加载,以应变1.25%等幅加载7圈,再以应变2%等幅加载9圈。CL3-1压应变为固定值0.75%,拉应变第一圈加载到0.75%,等应变增量0.25%对称逐级加载。CL4-1以初始强化段上某一点的应变值为中心点(ε=0.75%),按照等应变增量0.25%加载,每级循环2次。
为便于比较钢材在单调和循环荷载下的力学性能，采用与循环加载尺寸相同的试件，故与标准材性试验试件尺寸有所不同。单调加载按照GB/T 228—2010《金属材料室温拉伸试验方法》[3]的规定进行，试验结果如表3所示。分析可知：试件受压时的承载力随着横向截面面积的增加而有所提高，因而单向压缩时的屈服强度和极限强度均比单向拉伸时的大，且其极限应变也大于单向拉伸时的极限应变。钢材的受拉屈强比约为0.893，超过GB/T 19879—2005《建筑结构用钢板》[4]中关于钢材屈强比限值0.85的要求。随着荷载的增加，单向拉伸试件由出现裂纹至承载力缓慢下降而拉断，破坏模式为塑性破坏，但由于引伸仪量程有限，未测得试件的断裂应变及其强度。
表3 Q690GJ试件单调加载力学性能
试件 编号E/MPafy/MPaεy/%fu/MPaεu/%fy/fuQ690-T12140007460.5578406.9740.888Q690-T22110007260.5588166.8200.889Q690-T32090007380.5468187.1990.902平均值2110007370.5548256.9970.893Q690-C12180007530.563>921>9.539<0.818q690-c22080007620.565>937>10.431<0.813平均值2130007570.564>929>9.985<>
注：E为钢材弹性模量；fy为钢材名义屈服强度，取卸载后试件残余应变为0.2%时的应力；εy为fy 对应的应变；fu为钢材极限抗拉强度；εu为fu对应的应变。
单向拉伸和单向压缩试件的应力-应变关系曲线如图4所示，从单向拉伸试验曲线可以看出，拉断之前的伸长率超过了17%。单向压缩：当试件发生屈曲时将引伸仪取下，试验即停止。
a—Q690-T3;b—Q690-C1。
图4 Q690GJ钢材的单调加载应力-应变曲线
3.1 循环加载现象
当试件在循环荷载下发生较大屈曲变形、或者试件变形超过引伸仪量程、或者试件承载力下降较多时即停止循环加载，然后将试件直接拉断。图5为所有Q690GJ试件在循环加载下的应力-应变曲线。试件CL1-1—CL1-3这三种对称循环加载下的滞回曲线比较饱满，表明抗震性能良好；随着应变的增加，由于发生循环硬化，应力相比单调加载下该应变幅对应的应力而言有所提高，但提高不明显，且应变增加至约0.017 5时，钢材应力循环硬化至最大值，后期应力缓慢下降，发生循环软化；随着滞回圈数的增加，每一圈卸载段的弹性模量均有所下降。
a—CL1-1;b—CL1-2;c—CL1-3;d—CL2-1;e—CL2-2;f—CL3-1;g—CL4-1。
图5 Q690GJ钢材的循环应力-应变曲线
与图4b单向压缩曲线相比，试件CL1-1经过预加的塑性拉应变后，其压缩屈服应力及最大压应力下降较多；与图4a单向拉伸曲线相比，试件经过预加的塑性压应变后，其拉伸屈服应力及最大拉应力也有所下降，出现了包辛格效应，同时钢材在对称循环加载制度下的最大拉、压应力相差较多。先拉后压试件的应力-应变曲线如图5a、图5b所示，每级循环2次的试件CL1-2由于在循环作用下的累积塑性损伤，其极限强度及对应的极限应变均比试件CL1-1小，其延性相对较差。
以应变0.012 5等幅加载21圈的试件CL2-1(图5d)为例，其最大应力值大于先等幅加载7圈而后增大应变幅的试件CL2-2(图5e)，相比加载第一圈而言，这两个等幅试件均在第二圈出现了明显的应变硬化现象，随后应力趋于稳定，但随着滞回圈数的增加，最大应力逐渐下降，即为循环软化现象。由CL2-2的应力-应变曲线可知，当以较小的应变幅循环加载一定圈数后再加大等幅循环应变时，应力硬化现象不再明显，应力有小幅上升，但已达不到前一应变幅的应力峰值。
压应变为固定值0.007 5的试件CL3-1,其压应力基本保持不变，由压缩至拉伸的再加载应力-应变曲线随着应变幅的增加在较小应变段呈现逐渐降低的趋势，循环软化明显，后期应力则逐渐趋于稳定。对于初始应变较大的试件CL4-1，后续循环加载时应力增加较少，由于应变增量为0.002 5较小，导致前几圈的应力-应变曲线呈现出一定的加(卸)载规律，未形成明显的滞回环，且同一级应变幅下第二次循环时应力下降较多。
总的来说，与普通钢材类似，高强度钢材的滞回特性表现为各向同性强化以及随动强化的混合模式。与普通钢材相比，高强度钢材的循环再加载应力-应变曲线拐弯更明显，表明其循环软化更早，这样的刚度软化表明高强钢的包辛格效应更为显著。
图6 Q690GJ钢材的循环骨架曲线与单调拉伸曲线比较
3.2 循环加载性能
表4列出了所有循环加载试件的主要力学参数，其中fu1为钢材循环加载后单向拉断的极限强度，εu1为应力为fu1时对应的应变。部分试件由于循环加载过程中承载力下降较多，故提前将引伸仪取下，未测得循环后拉伸的极限应变。表中数据表明，在循环加载过程中应变幅上升不大的情况下，钢材就已达极限强度，此时对应的应变在1.252%～1.756%范围内。与单调加载相比，除试件CL1-2外，钢材循环后拉伸的极限应变εu1均有所下降，表明钢材在经受循环作用产生塑性损伤累积后延性变差。试件的滞回能量取所有滞回环的面积和，可以从材料层面上表征钢材的抗震耗能能力。
表4 Q690GJ试件循环加载力学性能
试件编号fy/MPafu/MPaεu/%fu1/MPaεu1/%滞回圈数滞回能量/(N·mm)CL1-17207831.754719—1410951893CL1-27257781.5037737.7011914044482CL1-37568081.751767—1511672574CL2-17038241.2527989.903219812731CL2-27167911.2557635.9451610360345CL3-17137801.7567514.9731612143386CL4-17497991.2577763.1841711389377
3.3 循环骨架曲线与单调曲线比较
钢材在循环荷载作用下内部组织发生堆叠错位，由文献[5]电镜扫描结果可知，与单调加载曲线相比，由于发生循环硬化或软化使得钢材在循环荷载下的骨架曲线有着不同的特点。本文利用式(1a)的Ramberg-Osgood模型[6]对各种加载制度下的循环骨架曲线进行拟合，其中试件CL2-1、CL2-2由于应变幅不变，故未进行拟合。对于Q690GJ钢材，为便于与单调加载下的曲线进行比较，采用变形后的式(1b)进行拟合。表5为对Q690GJ的材性骨架曲线进行拟合后上述公式中的参数值，图6为Q690GJ钢材部分试件循环骨架曲线和单调拉伸曲线的比较。
(1a)
(1b)
式中：Δεe、Δεp分别表示弹性应变幅、塑性应变幅；K′为循环强度；n′为循环应变硬化指数。
(2)
表5 Q690GJ钢材在循环荷载下的力学性能循环强化参数
试件编号E/MPaK'/MPan'CL1-1203000903.480.03323CL1-2212000909.210.03307CL1-3206000916.060.02895CL3-1213000894.480.03111CL4-12040001043.830.05790平均值208000933.410.03685
从图6可以看出，当应变幅增加至1.75%后，所有试件均产生了循环软化，骨架曲线应力明显下降。在钢材应力达到骨架曲线峰值强度前，采用Ramberg-Osgood形式的公式可以较好地拟合钢材的循环骨架曲线；骨架曲线上升段和单调加载曲线基本一致，有一定的硬化发生，但试件CL1-1、CL1-2及CL3-1由于循环硬化作用使钢材强度提高的幅度很微小；对比文献[7-8]中Q460钢材的循环试验结果表明，随着钢材强度的提高，钢材的循环硬化作用逐渐减弱，循环软化较早出现。
从表5中可知，各试件的循环强度K′以及循环应变硬化指数n′相差不大，由其平均值可得Q690GJ钢材循环骨架曲线的统一拟合式(2)。
1)Q690GJ高强度钢材在单调加载下的应力-应变曲线没有明显的屈服平台，试件在单向拉伸时
的破坏模式为延性破坏，变形能力较好。
2)Q690GJ高强度钢材在循环荷载作用下发生包辛格效应，在各种加载制度下的滞回环饱满、稳定，表明材料的滞回性能良好。所有试件因循环加载下塑性损伤累积，与单调加载相比延性变差。
3)Q690GJ钢材由于循环硬化作用钢材强度提高不明显，当应变幅增加至1.75%后即产生循环软化，骨架曲线应力值发生明显下降。
4)Q690GJ钢材在其应力达到骨架曲线峰值强度前，利用Ramberg-Osgood公式可以较好地拟合其循环骨架曲线。
参考文献
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[3] GB/T 228—2010 金属材料室温拉伸试验方法[S]．
[4] GB/T 19879—2005 建筑结构用钢板[S]．
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Lu Jianfeng1，2 Xu Ming1，2 Wang Fei1 Shu Ganping1 Liu Yi3 Chen Shuirong3
(1. Key Lab of RC & PC Structures of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China;2. Huaian Power Supply Company of Jiangsu Electric Power Company, Huaian 223002, China;3. Central Research Institute of Building and Construction Co.Ltd, MCC Group, Beijing 100088, China)
ABSTRACT：Bauschinger effect, cyclic hardening and cyclic softening often occur in structural steel under cyclic loading, which lead to the constitutive response under monotonic and cyclic loading is different. Therefore, experimental study on domestic Q690GJ high strength structural steel under monotonic and cyclic loading was conducted. The differences in mechanical properties were analyzed in terms of monotonic and cyclic loading performances as well as cyclic loading phenomena. The results showed that the hysteretic behavior of Q690GJ steel under cyclic loading was favorable, and the influence of cyclic hardening on steel strength was limited, which led to premature occurrence of cyclic softening. The ductility of specimen under cyclic loading was reduced owing to cumulative plastic damage compared with that under monotonic loading. On the basis of Ramberg-Osgood model, stress-strain skeleton curves of Q690GJ high strength steel under cyclic loading could be appositely fitted.
KEY WORDS：high strength steel; monotonic loading; cyclic loading; mechanical property; hysteretic behavior
DOI:10.13206/j.gjg201602001
收稿日期：2015-10-20
通信作者：徐明，xuming@seu.edu.cn。
*“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAJ13B01)。
第一作者：陆建锋，男，1990年出生，工学硕士。
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