在单调载荷作用下，相似和不同结构钢焊件的延性断裂行为

《Journal of Building Engineering》：Ductile fracture behaviour of similar and dissimilar structural steel weldments under monotonic loading

　　**摘要**
在抗震钢结构（SRSS）中，必须准确预测焊接接头的延性断裂起始（DFI），以避免关键连接区域过早失效，尤其是在变形控制元件附近。此外，在SRSS中同时使用相似和不同的钢材等级来制造变形控制元件和力控制元件时，需要研究接头区域以了解基材和焊件的断裂行为。因此，首先使用气体金属弧焊技术，用三种印度结构钢材E250、E350和E450的20毫米板材，制作了五种组合的对接单V型槽焊接接头：E250-E250（22个样本）、E350-E350（33个样本）、E450-E450（44个样本）、E250-E350（23个样本）和E250-E450（24个样本）。从这五个焊件中选取了50个试样，并加工成三种缺口配置，同时也准备了无缺口试样，以模拟SRSS中焊件所经历的DFI应力状态。缺口试样的设计旨在模拟特定的高应力三轴性（T=1），Lode角度参数（ξ）在0到1之间，进行单调加载。通过数字图像相关（DIC）技术和25吨万能试验机，定量评估了加载和缺口伸长量直至DFI发生的情况。通过对无缺口试样获得的实际应力-应变行为进行校准，验证了数值模型的准确性。从经过验证的数值模型中提取了断裂位置参数，即T、ξ和等效塑性应变（PEEQ）。使用这些提取的参数绘制断裂位置图，并校准了所提出的ELVGM模型以及七个现有的解耦模型。所有焊件配置在DFI时的平均PEEQ值排序为：23（0.45）> 22（0.43）> 24（0.42）> 33（0.37）> 44（0.33）。此外，所提出的模型（??a44=0.94%）在44材料方面的性能优于其他现有模型；而SWDFM（??a22=1.16%）、SWDFM（??a33=2.91%）、LHM（??a23=0.24%）和EVGM（??a24=0.79%）分别在22、33和24材料方面的表现更好。

**背景、创新点和研究目标**
抗震钢结构（SRSS）采用容量设计理念，其中变形控制元件发生较大的非弹性变形，而力控制元件和接头主要处于弹性范围内[1]。因此，当前的抗震规范建议使用低强度结构钢（屈服强度< 450 MPa）制造变形控制元件和力控制元件。此外，ASCE 341-22[2]鼓励使用高强度结构钢。

**材料和焊接参数**
为了充分了解低强度结构钢的优势，并促进类似和不同配置下向高强度结构钢的过渡，研究变形控制元件和力控制元件之间的接头是必要的。因此，作者在先前研究[11]中探索的基材材料被扩展到了三种相似和两种不同的单V型槽对接焊件。

**数值模拟**
使用ABAQUS/CAE v6.17程序[42]进行了弹性-塑性有限元分析，以获得本研究中所有试样在DFI前的PEEQ、T和L的历史数据。这是通过使用八节点三维线性砖元素（C3D8R）对每个试样进行建模来实现的。精确的有限元模型对于复现实验结果至关重要，特别是所有试样的加载-伸长路径。

**图7（a–i）**比较了本研究中评估的三十个有缺口和二十个无缺口试样的力-伸长数据，以及数值模拟的结果。对于所有焊接试样，图7（a–h）中的图例表示为KMNO。“K”和“M”分别代表焊接接头左右两侧的基材等级。“N”表示试样几何形状，即C、G、R、U分别代表环形缺口、单槽或平槽、双槽或...

**提出的模型与七种现有的断裂预测模型**
在第4.6节中，利用三十个有缺口焊件、十个无缺口焊件和十个无缺口热影响区（HAZ）试件的单调试验结果来确定其2D断裂位置。然而，本节的评估仅使用了三十个有缺口焊件的单调试验结果，这些结果代表了T=1、Lp值从-1到0范围内的应力条件。选择这些特定应力状态的试样是因为SRSS中焊件的DFI行为...

**结论**
这是首次使用印度建筑行业中使用的结构钢来评估类似和不同焊件的DFI的研究。本研究从五种焊件配置中提取了五十个试样并进行了单调加载。从这项研究中得出的主要结论如下：
1. 用于模拟实验响应的各向同性硬化参数（Q∞和b）的中值分别为：(90, 24)、(93, 19)、(89, 25)、(73, C...

**作者贡献声明**
- Tamilselvan Nambirajan：撰写初稿、可视化、验证、软件开发、方法论、数据整理、概念化。
- Ashok Kumar Perka：资源提供、项目管理、方法论、数据分析、正式分析、数据整理。
- Vivek Rai：资源提供、项目管理。
- Kanwer Singh Arora：资源提供、项目管理。
- P.C. Ashwin Kumar：撰写审查与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务关系/个人关系：P.C. Ashwin Kumar与科学与工程研究委员会（Science and Engineering Research Board）存在关系，包括资金资助。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务关系或个人关系。

**致谢**
实验工作得到了印度科学技术部下属的法定机构科学与工程研究委员会（SERB，拨款编号 - CRG/2022/003563）和教育部（MoE）通过向第一作者提供研究助理的支持。作者还感谢Pyrodynamics的Abhishek Gurudutt在DIC仪器和技术分析方面的技术支持。