国产低屈服点钢材低周疲劳实验研究

hardening parameters according to the test data can be used in earthquake response analysis of the components in structure.
Key Words：low-yield-point steel LYP225; low cycle fatigue; S-N Curve; combined hardening parameters E-mail:gerongrong030706@
1.2 实验方法
为了得到钢材的力学性能参数，分别取两根 S 试
样和两根 L 试样（标准拉伸试样）进行单调拉伸试验。
在低周疲劳实验时为了确保与 Peter Dusicha 的结果对
比的一致性，本文采用他的实验加载制度，采用轴向
应变控制的方法：对 S 试样做等幅循环加载实验，实
验的应变幅值 取 1%～7%之间的七个整数值，加载
1 实验概况
1.1 试件尺寸 本次的试验钢材是由国内钢铁公司生产的低屈
服点钢材 LYP225，钢材的化学成分见表 1，表 1 中同 时也给出了国外 LYP225 钢材的化学成分，以便于对 比。本次实验借助中国科学院金属研究所疲劳实验室 的±250KN 电液伺服拉压疲劳试验机完成，其作动器 行程±50mm。引伸计采用标距为 12.5mm，和 70mm 两种类型，安装试样的平行段，量程均为 50%。
Experimental study on low-cycle fatigue of Chinese LYP225
Ge Rongrong1,Xue Yantao2, Niu Xiangyang1 (1.College of Civil Engineering, Nanjing Tech University, Nanjing 211800, China;
2. China Academy of Building Research, Beijing 100013, China)
Abstract：At present, researching on the properties of low cycle fatigue of low-yield-point steel LYP225 remains scant. In this paper, in order to study the cyclic skeleton curve, the characteristics of hysteresis loop, the life of low cycle fatigue etc. two groups of different sizes of specimens were tested under monotonic loading and cyclic loading. The effect of size-effect on the fatigue life of low-yield-point steels were discussed. The skeleton curves were fitted under cyclic loading based on the Ramberg-Osgood model .The low cyclic fatigue life (S-N) curves were fitted by the Coffin-Manson model. Through the experimental data, we established the combined hardening parameters, and the finite element results can simulate the hysteretic curves of LYP225 accurately. The results show that the hysteretic loops of Chinese LYP225 are full, showing good ductility; the low cycle fatigue properties of Chinese LYP225 slightly better than the foreign steels in the same size and grade; The dimensional-effect have a great influence on low cycle fatigue life. Under the same strain amplitude, the low cycle fatigue life was shorter with greater ratio of length to diameter; The calibrated
引言
传统建筑结构抗震主要依靠的是建筑结构自身 来耗散地震能量，在地震作用下，结构通过构件的屈 服耗散地震能量，这样会使得建筑结构产生不可修复
基金项目：“十二五”国家科技支撑计划（2012BAJ07B02） 作者简介：葛荣荣，硕士
的损伤，甚至倒塌。这种传统“硬碰硬”的耗能方法 是消极被动的，是不经济的。1972 年 Kelly[1]等人首次 提出了在结构中附加金属屈服耗能器来耗散地震输入 结构的部分能量，以减轻结构的地震反应避免结构产 生破坏或垮塌的思想。之后对于金属耗能器的研究、 开发和应用取得了很大的进展。在地震作用下，金属 耗能器先于结构进入塑性状态来耗散地震能量，在地 震往复荷载作用下，金属耗能器会产生较大的位移幅 值，很容易发生塑性疲劳破坏。因此，钢材的低周塑
性疲劳性能对金属耗能器的整体工作性能起到主导作 用。然而对于金属耗能器的用料——低屈服点钢材的 力学性能的研究,特别是低周塑性疲劳性能的研究目 前还不多,缺乏实验数据。
钢材在单调荷载作用下的性能研究已经较为成 熟，而在循环荷载作用下的力学性能的研究近年来才 得到国内外学者的关注[2]。文献[3-6]是对结构用钢在 大应变下的低周疲劳性能进行研究，结果表明：在循 环荷载作用下，结构用钢材会产生包兴格效应，有循 环硬化和循环软化现象；循环加载制度和位移幅值对 材料的疲劳性能有很大的影响；累积塑性变形对材料 的延性有很大的影响。
目前，国外对低屈服点钢材低周疲劳实验研究具 有代表性的学者有 Eiichiro Saeki[7]和 Peter Dusicha[8]等 人.他们对 LYP100、LYP225 和建筑用钢进行了低周 疲劳实验的研究，通过实验数据的比较得出相同的观 点：应变速率对低屈服点钢材的疲劳性能影响很小； Manson-Coffin 模型[9,10]能很好的拟合低屈服点钢材的 疲 劳 寿 命 曲 线 。 另 外 ， Peter Dusicha 还 提 出 Ramberg-Osgood 模型[11]能近似的模拟循环应力-应变 骨架曲线；钢材的最大循环应力值取决于钢材的型号 和应变幅值；在给定的应变幅范围内不同型号的钢材 的疲劳寿命大致相同等观点。2014 年，国内石永久、 王元清等人[2]对日本的 LYP225 钢材进行了低周疲劳
图 2 所示。
（a）加载仪器
（b）S 试样装置图
（c）L 试样加防屈曲装置图
图 2 实验装置图
Fig.2 Experimental apparatus
2 实验结果与分析
2.1 单调加载实验 将四根试样拉伸至断裂，L 试样用 LYP225-1 和
LYP225-2 表示，S 试样用 LYP225-3 和 LYP225-4 表示。 由于操作出错导致试样 LYP225-3 的实验数据丢失， 故在表 2 中只给出了三组数据，并且表中数值均考虑 的是初始截面面积而非颈缩后的截面面积。实验测得 的弹性模量、屈服强度、延伸率等参数列于表 2 中， 同时将国外 LYP225 的实验参数列于表中对比。图 3 为国产 LYP225 钢材单调拉伸实验的应力-应变曲线。 从图 3 和表 2 中看出，国产 LYP225 钢材具有明显的 屈服平台，其下屈服强度均值为 212MPa,弹性模量 E 均值为 203GPa，与国外学者[8]实验用钢的力学参数 接近。我们发现 LYP225-4（长细比为 1.25）试样测得 的抗拉强度对应的应变值 比 LYP225-1（长细比为 5） 和 LYP225-2 所对应的值都大，且 LYP225-4 试样的断 后延伸率达到 83.2%，对于这一异常现象，分析认为 由于 LYP225 有颈缩现象,钢材的变形不是随试样的 长度方向均匀发展的，其中颈缩段的变形量较大。当 长细比较大时，其颈缩段变形量占总试验段的比例较 小；而试样长细比较小时，平行段几乎都参与了颈缩 变形,颈缩段变形占比较大，导致延伸率变大。
国产钢材 LYP225 的低周塑性疲劳实验研究
葛荣荣 1 薛彦涛 2 牛向阳 1
（1.南京工业大学 土木工程学院，南京 211800；2.中国建筑科学研究院，北京 100013）
摘要:目前，对于低屈服点钢材的低周疲劳性能实验的研究不多。本文对两组不同尺寸的国产低屈服点 LYP225 钢材进行低周循环加载实验，研究其循环骨架曲线、滞回环特点、低周疲劳寿命等特性;同时探讨 长细比对低屈服点钢材疲劳寿命的影响。通过 Ramberg-Osgood 模型对不同应变幅加载下的滞回环进行拟合， 得出钢材循环骨架曲线；通过 Coffin-Manson 模型拟合得到钢材的低周疲劳寿命 S-N（应变-寿命）曲线； 通过实验数据确立了混合强化参数并将其输入 ABAQUS 软件中,所得结果能很好地模拟 LYP225 钢材的滞 回曲线。结果表明：国产 LYP225 钢材滞回环饱满，表现出良好的延性，低周疲劳特性好于国外相同试样 尺寸的同等级钢材；国产 LYP225 钢材低周疲劳寿命受试样长细比的影响较大，相同应变幅下，长细比越 大其低周疲劳寿命越低；通过实验数据拟合得到的强化参数可用于构件在整体结构中的地震反应分析。 关键词:低屈服点钢材 LYP225；低周疲劳；S-N 曲线；混合强化参数 图书分类号：TU391 文献标识码：A
实验，采用对称逐级加载方式，实验结果表明钢材在 循环荷载下的性能不同于单调荷载；通过实验数据确 定了等向强化和随动强化参数，并通过有限元软件准 确的模拟了 LYP225 的滞回曲线。但他们并没有对该 钢材的疲劳寿命进行研究。