焊接贫双相不锈钢T型件在变加载速率下的行为

《Engineering Structures》：Behaviour of welded lean duplex stainless steel T-stub components under varying loading rates

　　

本研究通过集成试验与数值模拟程序，首次对焊接贫双相不锈钢（lean duplex stainless steel）T型件（T-stub）组件的应变率相关响应进行了系统研究。研究人员对包含M16与M20全螺纹A4–70及DX109螺栓的24个T型件试件，在准静态加载及10?mm/s至75?mm/s变加载速率下开展试验；并通过板材与螺栓-螺母组件试验量化材料应变率敏感性。结果表明：法兰板与螺栓均呈现明显的正应变率效应，T型件组件等效屈服抗力（equivalent yield resistance）最高提升15%，而变形能力与耗能下降；螺栓间距控制刚度、抗力与撬动作用（prying action），峰值荷载前加载速率对撬动发展影响有限。研究人员建立并经试验验证的有限元模型（finite element model）可高精度复现含断裂的全历程响应；提出一种基于应变限值法（strain limit approach）、耦合应变硬化与加载速率影响的法兰弯矩承载力改进预测方法，为静力与中高加载速率拉伸作用下不锈钢T型件连接塑性抗力提供合理评估基础，支撑极端荷载下连接鲁棒性可靠评定。

研究背景方面，不锈钢因耐腐蚀、高延性与显著应变硬化能力，在结构连接中优势突出；T型件模型是表征节点受拉区（柱翼缘受弯、端板受弯等）的基本构件法（component-based method，依据EN 1993–1–8）核心单元。既有不锈钢T型件研究多聚焦准静态单调或往复加载，极少涉及冲击或连续倒塌悬链阶段的变加载速率情景。由于不锈钢具正应变率敏感性，中高应变率下屈服强度可增高达70%–91%，而组件层面率相关行为未知，导致设计模型在极端荷载下校准困难。为此，研究人员以热轧贫双相不锈钢EN 1.4162焊接T型件为对象，配M16/M20全螺纹A4–70与DX109螺栓，系统填补该空白。

主要关键技术方法上，研究人员设计24个焊接T型件（翼缘厚16?mm、腹板厚10?mm，螺栓边距N30/N65），在630?kN伺服液压机中以0.03、25、80?mm/s位移控制加载；辅以EN 1.4162板材纵向/横向coupon试验（Instron 8802，DIC（Digital Image Correlation，数字图像相关）配1000?Hz相机）与M16/M20螺栓-螺母组件试验（Schenck 630?kN，标距60?mm，DIC追踪），获取材料与螺栓的率相关应力-应变与力-位移曲线；进而构建经试验标定的有限元模型，并拟合扩展Cowper-Symonds（C-S）模型描述强度与延性参数随应变率演化。

研究结果部分，3.1节板材材料性能表明：纵/横向coupon在0.007%/s至1.2?s^?1下，f_0.2增约5%–27%、f_u增5%–10%，而ε_u、ε_f与断面收缩率RA随速率上升最高降42%、26.5%与约10%，断口形貌更脆；横向强度略高但延性低于纵向15%–18%。3.2节螺栓材料性能显示：A4–70与DX109螺栓峰值力增5%–10%，A4–70极限位移略增、DX109非单调；断裂位移降14%–17%（A4–70）及约20%（DX109），RA同步下降；M20刚度较M16高41%–98%。3.3节率相关建模中，扩展C-S模型以X_d=X_s·[1+sgn(D)·(|ε?/D|)^1/q]统一拟合板材f_0.2、f_1.0、f_3.0、f_u及ε_u，R²≥0.99。T型件试验中，螺栓间距主导刚度/抗力/撬动，速率使组件等效屈服抗力最高升15%，变形与耗能降低，峰值前撬动受速率影响小；破坏模式维持Mode 1（全翼缘屈服）与Mode 2（翼缘部分屈服伴螺栓断裂）。有限元模型高精度复现力-位移与断裂。研究人员提出基于应变限值、纳入应变硬化与速率效应的法兰弯矩承载力改进式，使塑性抗力预测误差可控。

讨论与结论翻译总结：研究人员指出，贫双相不锈钢T型件在10–80?mm/s区间呈现明确正应变率效应，组件级等效屈服抗力提升达15%，但变形能力与能量耗散衰减；螺栓间距较加载速率更能决定刚度、抗力与撬动演化。所建有限元模型与扩展C-S材料模型为不锈钢连接在中高加载速率（如连续倒塌悬链阶段）下的抗力评估提供了试验标定基础；所提应变限值法法兰弯矩预测公式，兼顾静态与变速率拉伸，可支撑EN 1993–1–8框架内不锈钢T型件连接塑性抗力与鲁棒性的可靠设计判定。该研究首发于《Engineering Structures》。