本文的研究工作是与上海建筑工程集团总工程师陈晓明、华东建筑设计研究院结构总工程师包连金、上海机械建设副总工程师周凤合作完成的。
论文：
张乃洲， 赵华天， 包连金， 周峰， 陈晓明， 江盛， 石刚.Q345GJ厚钢板对焊的力学性能及本构模型.建筑钢研究学报.2024, 213, 108321.
DOI：
研究概况
随着高层和大跨度结构的日益发展，对厚钢板的使用需求越来越大，在实际工程项目中，厚钢板的现场对接焊缝常用于柱柱拼接和梁梁拼接。因此，厚钢板现场对焊的力学性能将是保证整体结构安全的关键。但由于开展相关试验的难度和成本，现阶段厚钢板对焊材料的试验数据较少，因此迫切需要开展相关研究，补充相关基础试验数据，指导实际工程设计。
在此背景下，上海机械制造集团、华东建筑设计研究院、清华大学合作开展相关研究，主要关注我国国产GJ系列厚钢板对焊的基本材料性能。
背景
：
土木建筑行业中的厚钢板一般是指厚度不小于40mm的钢板。对于国内生产的GJ系列高性能钢板，其厚度范围可达6-200mm，并且由于GJ系列钢板具有厚度效果低、有害元素含量低、屈服强度上限等优点，GJ系列厚钢板已广泛应用于高层和大跨度结构。如下图1所示，在施工现场，柱柱连接和梁梁拼接处常存在对接焊缝，因此焊缝的力学性能将直接影响整体结构的安全性。考虑到厚钢板对焊过程中显著的热影响可能会使接缝区域的材料性能变差，并且由于现场的对接焊缝往往有单边坡口，不同厚度层的材料会受到不均匀的焊接热输入，导致厚板对接焊缝的材料性能沿厚度方向离散。
图1 厚板对焊位置及试件一般情况
为此，通过模拟现场焊接工艺，完成了60mm和100mm厚的Q345GJ钢板的对焊（图1）。焊缝探伤合格后，采用机加工分层取样法，完成沿焊缝横向和纵向五个厚度位置的分层取样。其中，焊缝横向垂直于焊缝长度，用于研究对接焊缝在主力方向上的力学性能。焊缝的纵向试样与焊缝的长度平行，量规截面仅包含焊缝金属，用于研究熔焊金属的力学性能。对加工后的试样共获得160套试验数据，分别进行了单调拉伸试验和循环载荷试验。基于实验数据和文献研究，分析了厚钢板焊缝沿厚度方向的单调性和循环性能的变化规律。对Chaboche循环本构模型的参数进行了校准和验证。系统地比较了对接焊缝两个方向的力学性能。
本文的试验结果直接验证了单调和循环条件下厚钢板对焊“等强连接”的轴承目标。层状材料性能结果可为Q345GJ厚钢板焊缝材料的研究与应用提供基础数据支持。本文涉及的焊接参数和试验方法也可为相关工程实践和研究工作提供技术参考。
试验设计
对于60mm和100mm厚度的钢板，设置单面槽用于现场对接，如下图2所示。根据《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》（GB/T 228.1-2021）设计了单调拉伸比例试样，标距截面刻度系数为5.65，循环加载试样的标宽比设定为1.5（图2），以防止循环载荷试样的屈曲影响试验结果的精度在压缩下，并考虑试验机引伸计的标距长度。
图2 单张拉伸和循环载荷试样（mm）。
对于焊接横向试样，美国焊接协会标准AWS B4.0-16规定，焊缝区域应位于试样测距截面长度的中心，对于焊缝的纵向试样，中国标准《焊缝和熔覆金属拉伸试验方法》（GB/T 2652-2008）和美国焊接协会标准AWS B4.0-16规定，试样的平行截面全部由熔焊金属组成， 平行截面的几何中心与焊接区的中心重合。因此，焊缝试样按沿厚度方向的阶跃方向分为5层，沿上下表面层、上下1/4厚层、中间层取样，每层采样厚度为10mm。以单个调试件为例，采样情况如下图3所示。
图3 焊缝单个调试部分采样位置示意图（mm）。
为了保证测试数据的可靠性，每组单调试片包含3个相同的测试片。每组循环试样包含5个相同的试样，在5个不同的工艺中经受循环载荷，如表1所示，共计160个焊缝试样。
表1 标本清单
这
单调拉伸试验由清华大学土木工程系WAW-1000G万能试验机进行，循环载荷试验由清华大学力学系Instron8801试验机进行，试验装置如下图4所示。
图例.4. 测试设置
测试结果
【单调性能方面】一般来说钢结构设计规范gb50017 2024，60mm和100mm厚板对焊的横向和纵向材料的强度指标较高，焊缝的纵向强度略高于横向焊缝。例如，100mm厚焊缝纵向试样的5层材料的最小屈服强度为515.8MPa，符合《焊缝和熔覆金属拉伸试验方法》（GB/T 2652-2008）中对熔覆金属的强度要求。横向试件5层材料的最小屈服强度为460.2MPa，符合《钢结构设计标准》（GB 50017-2017）中对焊缝等强度连接的要求。以60mm厚度的对焊材料为例，典型的单调应力-应变曲线如下图5所示。
图5 60mm厚板对焊每层应力-应变曲线
在材料性能沿厚度方向的分布方面钢结构设计规范gb50017 2024，与厚板母材相比，厚板对接焊缝不同厚度位置的材料离散度较低，但D层和E层材料往往具有较高的强度值，这可能是由于该位置的材料位于焊缝沟口底部， 并且在多层多道次焊接过程中，它们会受到更多的焊接热循环，使焊缝金属具有更致密的微观组织结构。
如下表2所示，显示了所有焊缝试样的单调拉伸性能。
表2 焊缝材料单调力学性能
【在循环性能方面】60mm和100mm厚板对焊中每层材料的滞后曲线均饱满，说明它们具有良好的滞后耗能能力。此外，在相同的循环载荷体系下，焊缝纵向试件的循环耗能值和峰值应力略高于横向试件。图6显示了典型的循环滞后曲线，从中可以看出，强化行为以后续强化为主。
图6 厚板对焊缝典型滞后曲线
在沿厚度方向的滞后性能分布方面，与单调性能相似，各厚层的滞后性能相似，但D层和E层材料往往具有更高的耗能值和峰值应力。
本构模型研究
基于ABAQUS程序模型库中的Chaboche本构模型，根据对称等幅循环载荷试验结果对Chaboche模型中的参数进行标定，选取4个背应力分量模拟材料的后续强化行为。
图7 厚板焊缝各层屈服面的变化
表3 循环本构参数的校准结果
利用表3中的循环本构参数，模拟了每层材料的滞后行为，典型结果如下图8所示，表明标定参数可以准确模拟厚板焊缝各厚层的材料。
图8 厚板焊缝各层屈服面的变化
综合对比
基于本文介绍的厚板焊缝单调拉伸和循环载荷试验结果以及之前对厚板母材力学性能的研究，对厚钢板母材和焊缝的单调和循环性能进行了综合比较。
【单调性能方面】对屈服强度fy、极限强度fu、应变εu对应极限强度、断裂后伸长率A进行归一化，归一化标准为60mm或100mm厚钢板中间层（C层）的性能指标。相关归一化如下图9所示，从中可以看出，焊缝材料每层的强度指标大多高于母材，只有100mm厚钢板母材的表层强度值较高（表层加工硬化效果显著）， 焊缝横向和纵向厚度的五个厚层的平均强度值明显高于母材。在延展性方面，焊缝材料的延性指标明显降低，焊缝的横向试件最低，这可能与横向试件中成分的多样性有关。总之，焊缝材料的实际强度也可以满足与母材相同强度的要求，但其延展性性能相对较差。
图9 厚板焊缝和母材力学性能的归一化参数
【循环性能方面】计算了同一加载体系下5层厚度位置的材料耗能值和峰值应力，并计算了平均值。结果如下表4所示。
表4 5层厚板焊缝和母材的平均耗能和峰值应力
从表4可以看出，在不同的循环载荷工况下，焊缝材料的能耗值普遍略高于母材。在峰值应力方面，60mm厚钢板对焊的循环峰值应力一般接近母材的循环峰值应力。100mm厚钢板对焊的循环峰值应力高于母材。因此，从循环耗能值和峰值应力的角度来看，在循环载荷作用下，焊缝材料也能满足与母材强连接的要求。
研究结论
这
厚钢板焊缝材料具有较高的强度指标，焊缝纵部的强度指数略高于横向焊缝。
厚钢板焊缝材料各层位置具有良好的滞后性能，纵向焊缝材料的循环耗能值和峰值应力略高于横向焊缝材料。
厚钢板焊缝材料的单调性和滞后性能沿厚度方向均匀分布，靠近焊缝坡口下部的材料具有较高的抗拉强度和滞后耗能值，这可能是由于焊接热循环次数较多后晶粒密度所致。
与厚钢板基材相比，在单调性能方面，厚钢板焊缝材料具有更高的强度值和更低的延展性指数。在循环性能方面，厚钢板焊缝材料具有较高的循环耗能值和几乎相同的峰值应力，可以满足单调和循环载荷下等强度连接的要求。
本实验标定的Chaboche循环本构模型参数能够准确模拟厚钢板焊缝材料各厚度的循环行为，相关参数和标定方法可指导相关研究工作和工程应用。
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结束
