摘要
高强钢作为新型建筑材料，广泛应用于高层建筑、工业厂房、桥梁等工程。焊接作为钢结构的主要连接工艺之一，在实际工程中不可避免的存在缺陷。失效过程中的断裂、裂纹扩展与焊接结构的初始缺陷紧密相关，而焊接导致的残余应力更是对结构的韧性和疲劳寿命有重要影响。因此，本文以Q690CFD高强钢平板对接焊接节点为研究对象，系统研究影响其断裂韧性、冲击韧性以及疲劳裂纹扩展特性的因素，对众多因素进行量化分析，最终提出含缺陷的高强钢疲劳寿命评估流程。主要内容如下： 1、通过Q690CFD高强钢焊接节点的拉伸试验，发现高应变率提高了节点的极限极限抗拉强度，最高可达12%。通过平面应变断裂韧度试验和夏比冲击试验来评估材料的断裂韧性和冲击韧性，获得焊接节点在不同交货状态、焊接热输入和屈服强度下的断裂韧度以及冲击功。屈服强度由550MPa上升到890MPa时，断裂韧度提高了20MPa.m1/2，冲击功下降了72J；QT状态与TMCP状态相比，断裂韧度接近而冲击功升高了85J；热输入从5kJ/cm上升到26kJ/cm时，焊接节点的断裂韧度会提高16%，而冲击韧性下降；温度由20℃降低到-40℃时，冲击功下降了66J；根据拟合的Boltzman曲线，表明Q690CFD高强钢脆韧转变温度为-0.7℃。 2、采用盲孔法对利用CO2气体保护焊焊接的Q690CFD高强钢进行了残余应力测试，发现纵向残余应力沿着焊缝方向由拉应力逐渐转变为压应力，横向残余应力由压应力逐渐转变为拉应力。 3、利用解析式法、轮廓积分法和扩展有限元法（XFEM），求解得到Q690CFD高强钢母材CT试件模型在外荷载作用下的应力强度因子Kapp；利用权函数法以及有限元法，求解得到焊接节点CT试件模型在焊接残余应力作用下的应力强度因子Kres。 4、基于Abaqus分析平台，开展Q690CFD高强钢焊接节点的疲劳裂纹扩展数值模拟研究，考虑应力比R，荷载周期T的影响。结果表明，Q690CFD高强钢的Paris常数C为1.103×10-5，n为0.991；当R在0~0.5时，最高应力比与最低应力比相比提高了裂纹扩展速率100%；荷载的循环周期对于裂纹扩展的速率影响在5%以内，可以忽略。通过虚拟裂纹闭合技术VCCT考虑残余应力的重分布下复合应力场内应力强度因子Ktol的计算，最后对Walker公式进行修正，得到疲劳裂纹扩展速率公式。 5、基于上述研究，提出高强钢焊接节点在考虑残余应力场和外荷载应力场的复合应力场下的疲劳寿命评估流程。
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