力学与钢材实验室

研究团队:

  • 实验室负责人:
何浩祥 博士
  • 实验室副主任:
胡亦非 博士
  • 项目团队成员:
钟国辉教授
黄明欣教授
冯光宏教授
焦增宝博士
邬伟雄工程师
肖婷予女士
王一川先生
金皓先生

引言:

为了推动高性能钢材钢构在建筑工程中的有效应用,香港分中心于2021年成立了力学与钢材实验室。该实验室成立的宗旨是:

  • 对新一代高性能钢材的力学性能进行基础研究
  • 发展和完善新一代高性能钢材的焊接技术
  • 为新一代高性能钢材进行

研究室详细信息:

力学与钢材实验室从事以下方面的主要研究

1. 试验研究

  • 对焊接过程进行模拟和控制,以得到不同种类的热影响区;
  • 对经热处理加工后的拉伸试件进行材性测试;
  • 对对接焊焊缝节点和角焊缝焊接节点的拉伸试件进行材性测试;
  • 对对接焊焊缝节点的拉伸试件进行循环加载测试。

2. 数值模拟

  • 应用热-机械耦合分析和先进的热力学分析对焊接过程进行数值模拟;
  • 对经热处理加工后的拉伸试件在单调加载下的力学性能进行数值模拟;
  • 对对接焊焊缝节点和角焊缝焊接节点的拉伸试件在单调加载和循环加载下的力学性能进行数值模拟;
  • 建立典型焊接节点的材料本构模型。

本项目的主要研究内容有:
高强钢的基本力学性能和材料本构参数;
在不同焊接热输入量下,具有不同热影响区的焊接节点的变形特性;
高强钢的在连续冷却过程中的金属相变特性;
建立高强钢及其热影响区的损伤演化特性;
制定高强钢的实用焊接工艺规范;
研究高强钢及其热影响区在循环荷载下的滞回特性。 力学与钢材实验室的各个研究项目包括了以下研究内容

1. 高强钢及其焊接节点的力学性能

S690高强钢材料具有优秀的强度自重比,可以显著地降低钢构加工的时间和成本,因此该材料为高层建筑和大跨度桥梁提供了一种有效的解决方案。然而,由于微观结构的变化,S690 高强钢板在焊接后的力学性能有所下降,这妨碍了其在实践工程中的广泛应用。尽管最近的研究表明 S690 高强钢有较好的延性,如何评估和量化S690高强钢焊接结构在地震等循环荷载下的非线性循环性能任然十分重要。

本项目研究的重点是对S690高强钢焊接结构在各种循环载荷条件下的结构响应进行试验研究。

项目详细报告了S690高强钢焊接结构在两种不同的加载制度和不同加载应变和加载频率下的 32 次循环加载试验的试验结果。研究特别关注了高强钢焊接结构的强度折减、试件在断裂前完成的有效循环次数以及能量耗散性能。此外,还将 S690 焊接结构与S690 钢板母材的累积循环响应进行了直接比较。基于二者结果的比较,由焊接造成的力学性能的折减得以有效地量化。

图1. S690高强钢焊接结构及其热影响区的材性拉伸试件和微观结构

图1. S690高强钢焊接结构及其热影响区的材性拉伸试件和微观结构

结果表明,随着循环次数的增加,特别是在较大的加载应变下,S690高强钢母材和焊接结构的强度显著下降。但就延性而言,S690 焊接结构的有效断裂循环次数明显低于 S690 母材,通常为 1/3 到 1/2。此外,S690焊接结构的能量耗散密度显示仅为对应母材的 41% 至 47%。总而言之,除了强调进行实际循环加载试验以评定延性的重要性外,本研究的发现还为S690 焊接结构在地震作用下的结构响应提供了详细的数据和分析,包括应变和加载频率的影响。研究的结果还可以对循环响应进行详细的量化,以便进行数值模拟以及制定可靠的延性标准。

图2. S690高强钢母材及焊接结构在循环作用下的滞回曲线和强度修正系数

图2. S690高强钢母材及焊接结构在循环作用下的滞回曲线和强度修正系数

2.不同焊接热输入下S690高强钢焊接短柱的轴压试验

在过去的二十年中,由于焊接过程中采用的不同焊接工艺和参数,很多关于S690 高强钢焊接短柱的力学性能的研究结果存在争议。 为了量化对这些 S690 高强钢焊接短柱的力学性能的不利影响,对采用的不同热输入量的 12 个S690 焊接 H 型拼接短柱进行了受压试验,以研究它们在轴压作用下的变形特性以及构件承载力。 结果表明,通过恰当控制焊接过程中的热输入量,可以控制甚至消除这些 S690 焊接 H 型拼接短柱在轴压作用下的力学性能的降低。

图3. S690高强钢焊接H型拼接短柱轴压试验布置和测试结果

图3. S690高强钢焊接H型拼接短柱轴压试验布置和测试结果

3. 部分约束S690高强钢焊接工字型梁的侧向扭转失稳

在本研究项目中,总共对了18 根S690 高强钢焊接工字型简支梁在不同约束条件下的结构性能进行了系统的试验研究,研究的重点是侧向扭转失稳。总的来说,这些梁的变形特性、结构失效模式和抗弯强度都得到了全面的研究和讨论。研究结果表明这些 S690 焊接工字钢梁的结构性能与 S355 工字型钢梁基本相似。这些钢梁的侧向扭转屈曲性能经过全面的分析,并与 欧洲规范EN1993-1-1 建议公式的计算结果进行了比较。计算过程采用欧洲规范的计算过程,并采用无量纲长细比与实测的钢材机械性能、几何尺寸和约束条件进行计算。结果表明,目前规范建议的设计方法在沿用到设计S690 焊接工字钢梁时趋于保守。这项全面的试验调查提供了科学依据和测试数据,强调了提高 欧洲规范EN 1993-1-1 中设计效率的必要性,以便结构工程师在建筑结构中充分利用这些S690 高强钢的优势。

图4. 部分约束S690高强钢焊接工字型梁侧向扭转失稳试验布置和测试结果

图4. 部分约束S690高强钢焊接工字型梁侧向扭转失稳试验布置和测试结果

4. S690高强钢冷弯圆管T型焊接节点的结构性能

在本项目中,对S690高强钢冷弯圆管T型焊接节点的结构性能进行了实验研究。总共有 12 个 S355 和 S690 冷弯圆管T型焊接节点分别在支管受轴压作用和支管平面内受弯作用下进行试验,以研究它们的变形特性,节点承载力和破坏模式。试验过程中布置了大量传感器以测量T型节点的整体变形和焊接节点的局部变形。 S690 冷弯圆管节点之间的焊接都经过仔细控制,因此焊接过程中的热输入量控制在 1.2 和 1.5 kJ/mm 之间。此外还对从钢板母材和圆管中裁取的试样进行标准拉伸试验,以提供钢材材性用于随后的节点承载力分析。所有测试均成功完成。主管塑性破坏是 S690 冷弯圆管节点支管受轴压作用下的主要失效模式,而支管断裂和主管冲切破坏则是S690冷弯圆管节点在支管平面内受弯作用下的关键失效模式。发现测得的所有S690冷弯圆管节点的承载力均高于欧洲规范 EN 1993-1-8 和 CIDECT 设计指南建议的设计值。因此,这项研究为提供了测试数据和分析,可用于改进设计方法的准确性。

图5. S690高强钢冷弯圆管T型节点试验布置

图5. S690高强钢冷弯圆管T型节点试验布置

5. 用瞬时面积法测量结构钢的真应力应变关系

本项目致力于研究S275、S355普通钢和S690 高强钢的真实应力应变特性。旨在为钢结构的分析和设计提供可被广泛采用的本构模型。基于九次单调拉伸试验的试验结果,对结构钢的力学性能进行了综合试验研究和数值模拟。研究发现当试件在非常大的变形下时,在颈缩区域内的应力和应变分布并不均匀。在通过逐次迭代的瞬时面积法修正应力和应变不均匀性后,成功地将测试钢材的真实应力应变特性量化为本构模型。此外,对典型结构钢的微观结构进行了仔细观察,并通过数字图像分析成功地量化了它们的微观结构成分。该研究结果对于后续对钢结构在非常大的变形直至断裂下的结构性能进行数值模拟非常重要。

图6. S275 至S690钢材真实应力应变特性的试验结果和数值模拟

图6. S275 至S690钢材真实应力应变特性的试验结果和数值模拟

6. 考虑相变的 S690 和 S960 高强钢焊接结构的热力学耦合分析

在该项目中,提出了一种先进的有限元方法来模拟考虑相变的高强钢焊接过程。 应用 S690 和 S960 材料的各种热力学特性(包括一般相变、CCT 曲线、与温度相关的钢材强度等)以及考虑相变的 S690 和 S960 材料模型。 将双椭球热源模型进行校准,应用于 H 型截面和箱形截面,以模拟对接焊缝和角焊缝的气体保护焊工艺。 本项目所提出的有限元方法将用于对比后续 S690 和 S960 焊接短柱受压试验结果,进行进一步校准。

图7. S690 高强钢焊接节点的数值模拟结果

图7. S690 高强钢焊接节点的数值模拟结果

7.电弧焊中的高动态范围双目立体点云

本项目旨在研究自动机器人焊接生成的路径和轨迹所需的点云。
在电弧焊接期间,所有通用 RGBD(色深)视觉传感器将饱和且无法工作。该项目计划使用两台 HDR(高动态范围)CMOS(互补金属氧化物半导体)相机在 GMAW(气体金属电弧焊)期间捕获图像。它们形成一个双目立体相机,将从焊点的左右两侧捕捉焊接场景。捕获的图像将被配对以计算它们的视差。根据视差,将生成深度图。然后将从该深度图投影场景的点云。这些点云将被开发的软件用于生成路径和轨迹,以引导机器人手臂跟踪焊接。

图8: 焊接过程中的CLAHE’d 图像

图8: 焊接过程中的CLAHE’d 图像

图9: 焊接过程中立体相机生成的点云

图9: 焊接过程中立体相机生成的点云

 

出版物列表:

期刊论文

Ho, H. C., Guo, Y. B., Xiao, M., Xiao, T. Y., Jin, H., Yam, M. C. H., Chung, K. F., & Elghazouli, A. Y. (2021). Structural response of high strength S690 welded sections under cyclic loading conditions. Journal of Constructional Steel Research, 182, 106696.

Hu, Y. F., Chung, K. F., Jin, H., Ban, H., & Nethercot, D. A. (2021). Structural behaviour of T-joints between high strength S690 steel cold-formed circular hollow sections. Journal of Constructional Steel Research, 182, 106686.

Pandey, M., Chung, K. F., & Young, B. (2021). Numerical investigation and design of fully chord supported tubular T-joints. Engineering Structures, 239, 112063.

Pandey, M., Chung, K. F., & Young, B. (2021). Design of cold-formed high strength steel tubular T-joints under compression loads. Thin-Walled Structures, 164, 107573.

Wang, K., Xiao, M., Chung, K. F., & Nethercot, D. A. (2021). Lateral torsional buckling of partially restrained beams of high strength S690 welded I-sections. Journal of Constructional Steel Research, 184, 106777.

Zhou, X., Liu, J., Wang, X., Liu, P., Chung, K. F., & Wei, W. (2021). Structural Performance and Compression Resistances of Thin-Walled Square CFST Columns with Steel Lining Tubes. Journal of Structural Engineering, 147(7), 04021105.

会议论文

Chung, K. F., Ho, H. C., Liu, X., Wang, K., & Hu, Y. F. (2021). Compression Tests on High Strength S690 Welded Sections with Various Heat Energy Input. In EASEC16 (pp. 1525-1533). Springer, Singapore.

Guo, Y. B., Ho, H. C., Xiao, M., Liu, X., & Chung, K. F. (2021). Structural Responses of High Strength S690 Welded Sections Under Different Cyclic Actions. In EASEC16 (pp. 1569-1578). Springer, Singapore.

Ho, H. C., Chung, K. F., & Guo, Y. B. (2021). Transformation Rules on Engineering Stress Strain Curves of S690 Funnel-Shaped Coupons. In EASEC16 (pp. 1535-1545). Springer, Singapore.

Ho, H. C., Xiao, T. Y., Chen, C., & Chung, K. F. (2021). Determination of true stress strain characteristics of structural steels using Instantaneous Area Method. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 1777, No. 1, p. 012070). IOP Publishing.

Hu, Y. F., & Chung, K. F. (2021). Investigations into Compression Behaviour of T-Joints Between S690 Circular Hollow Sections Under Brace Axial Force. In EASEC16 (pp. 1547-1557). Springer, Singapore.

Xiao, M., & Chung, K. F. (2021). Structural Behaviour of High Strength S690 Cold-Formed Structural Hollow Sections Under Compression. In EASEC16 (pp. 1559-1568). Springer, Singapore.

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