祷研开发
中等厚度开孔板和缺口板断裂试验＊
王万祯１’２刘五峰１许继祥１张丹丽３史艳莉１
（１．兰州理工大学土木工程学院，兰州７３００５０１２．宁波大学建筑工程与环境学院，浙江宁波３１５２１１；
３．华北水利水电学院水利职业学院土木系，郑州４５０００８）
摘要：时中等厚度的１０个中心开椭圆孔板件和１０个单侧半椭圆缺口板件进行断裂试验，研究开孔和缺口尖锐度对中等厚度钢板断裂模式的影响。试验较精确地记录了全程栽荷一位移曲线。试验结果显示：试件的第一条宏观裂纹起始于缺口顶端厚度中面，裂纹在厚度方向贯通后沿垂直加裁方向迅速扩展，直至完全断裂。开孔或缺口愈尖锐的试件，其开裂延性愈差。开孔板试件宏观断裂荷栽比缺口板试件明显要高。断口粗糙且有大量韧窝，断口暗灰呈杯锥状，断裂形式为正断与剪断混合型。本次试验为研究中等厚度钢板断裂机理及抗断设防提供了较可靠的试验数据。
关键词：结构钢；缺口板；开孔板；开裂
ＦＲＡＣＴＵＲＥＥＸＰＥＲＩＭＥＮＴＳＯＦＰＬＡＴＥＳＷＩＴＨＨＯＬＥＳＡＮＤＮｏＴＣＨＥＤＰＬＡＴＥＳ
flutter前景ＷａｎｇＷｏｎｚｈｅｎｌ・２ＬｉｕＷｕｆｅｎ９１ＸｕＪｉｘｉａｎ９１ＺｈａｎｇＤｏｎｌｉ３ＳｈｉＹａｎｌｉｌ
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００５０・Ｃｈｉｎａ；
２．ＦａｃｕｌｔｙｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒａｌ。ＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ・ＮｉｎｇｂｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎｉｎｇｂｏ３１５２１１，Ｃｈｉｎａ３．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ。ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＣｏｎｓｅｒｖａｎｃｙａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００８・Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ｆｒａｃｔｕｒｅｔｅｓｔｓｗｅｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄｏｎ１０ｐｌａｔｅｓｗｉｔｈｅｌｌｉｐｔｉｃａｌｈｏｌｅａｎｄ１０ｎｏｔｃｈｅｄｐｌａｔｅｓ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｎｏｔｃｈｓｈａｒｐｏｎｆｒａｃｔｕｒｅｄｕｃｔｉｌｉｔｙｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｅｅｌｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｌｏａｄ－ｄｉｓｐｌａｃｅｃｕｒｖｅｓｏｆｓｐｅｃｉｍｅｎｓ
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ＫＥＹＷＯＲＤＳ：ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｅｅｌ；ｎｏｔｃｈｅｄｐｌａｔｅｓ；ｐｌａｔｅｗｉｔｈｈｏｌｅ；ｃｒａｃｋ
结构钢宏观脆断因其复杂性而成为现今重大研究课题。随着现代损伤力学和断裂力学的发展以及工程界
对结构钢断裂机理和抗断设防的认识［１ｑＪ，将结构钢宏观脆断现象与材料科学中的微观断裂机理相结合，进而建立简单有效的抗断设防理论，始终是理论分析与试验研究的重点内容，人们在这方面已经进行了大量的研究工作［３。Ｊ。
为探求中等厚度钢板的断裂机理及抗断设防，对中等厚度的１０个中心开椭圆孔板件和１０个单侧半椭圆缺口板件进行了常温断裂试验。
１试件设计
根据ＧＢ／Ｔ２２８—２００２＜（金属材料室温拉伸试验方法》规定，设计了如图１和图２所示的ｌＯ个中心开椭圆孔板件和１０个单侧半椭圆缺口板件，板件厚约为１６ｍｍ，宽度约为５０ｍｍ，试件长度约为宽度的１０倍，即５００ｍｒｎ，以减弱加载端对椭圆孔周边的圣维南效应影响。
图１开孔板外形
各试件细部尺寸如表１和表２所示，为屏蔽加
＊国家自然科学基金资助项目（５０８０８０９８）。
第一作者：王万祯。男，１９７４年出生，博士．副教授。
Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇｗａｎｚｈｅｎｌ９７５＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ
收穑日期：２００９—０５—１８
３２钢结构２０１０年第２期第２５卷总第１３０期
王万祯，等：中等厚度开孔板和缺口板断裂试验卜一卅
图２缺口板外形
载端滑移影响，在开孔或缺口的变形区采用变形规，测量距缺口中心分别为Ｌ。和Ｌ。两点相对位移。
襄ｌ开孔板试件细部尺寸ｍｍ
２试验过程及试验现象
试验中将试件固定在３００ｋＮ的万能试验机两夹头之间，采用３ｒａｍ／ｒａｉｎ的速度施加轴向位移。分别在试验机的四个角上布置４台经纬仪，观察初始宏观裂纹位置并记录初始开裂加载位移。图３为部分试件照片，图４为加载装置及部分试件断裂照片。
所有试件的第一条宏观裂纹起始于试件厚度中心，然后沿垂直加载方向迅速发展，直至完全断裂。宏观
断裂时载荷急剧下降，断口粗糙且有大量韧窝，呈暗灰，断口呈杯锥状，断裂形式为正断与剪断混合型断裂。开孔或缺口愈尖锐的试件，其开裂延性
图３试件外形照片
图４加载装置及试件断口
愈差。开孔板试件宏观断裂载荷比缺口板试件明显要高。
３试验结果分析与讨论
图５为标准件试验得到的钢材应力一应变曲线，图６为试件的载荷一位移曲线，标有“×”的点为初始开裂点，曲线最后一点为宏观断裂点。表３为试验记录的加载位移、初始开裂载荷和宏观断裂载荷。
罡
＝
、
ｂ
．Ｒ
割
图５真应力一真应变曲线
从本试验得到以下规律：
１）一般而言，开孔或缺口愈尖锐的试件，其开裂延性愈差。如中心开椭圆孔试件ＰＨ５一ＳＳＲＴ，ＰＨ４－ＳＳＲＴ，ＰＨ３一ＳＳＲＴ，ＰＨ２一ＳＳＲＴ和ＰＨｌ一ＳＳＲＴ的短轴尺寸２６分别是２９．８，１９．８，９．８，５．８，３．９ｍｍ，其余参数基本相同，其开裂位移分别为１１．３，８．３，６．４，４．１，３．１ｍｍ；再如单侧半椭圆缺口试件ＮＰ５－ＳＳＲＴ，ＮＰ４一ＳＳＲＴ，ＮＰ３一ＳＳＲＴ，ＮＰ２一ＳＳＲＴ和ＮＰｌ・ＳＳＲＴ－的短轴尺寸２６分别是１９．９，１５．９，１１．９，８．０，４．０ｍｉｌｌ，其余参数基本相同，其开裂位移分别为６．７，４．５，４．４，４．３，４．０ｍｍ（上述是试验得到的总体趋势，其中个别试件的变形规律不符合该趋势，可
ＳｔｅｅｌＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｍ２０１０（２），ＶｏＬ２５，Ｎｏ．１３０
３３
科研开发
能与试件加工有关）。
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图６试验荷载－位移曲线
裹３试件开裂荷载和位移
对中心开椭圆孔（半长轴和半短轴分别为口和ｂ）的板件，当施加均匀轴拉应力口时，其长轴顶端最大应力为：
Ｏ．——
Ｏ＇ｍａ。＝口（１＋竽）＝口（１＋２ｘ／环）（１）
口
其中ＪＤ＝ｂ２／口
式中：ＪＤ为椭圆长轴顶端曲率半径。最大应力与外加应力之比称为应力集中系数Ｋ。，即：
Ｋ，＝ｔ一／ｍａｘ一１＋华＝１＋锄（２）口’０
由式（１）和式（２）可见：当半长轴口固定不变时，随着半短轴ｂ减小。长轴顶端曲率半径减小，应力集中系数Ｋ。增加，试件延性却愈来愈差。
２）试件断口呈杯锥状，断口粗糙呈暗灰，有大量韧窝，断裂形式为正断与剪断混合型。
一般说来，韧窝是韧断的标志。试件在拉伸中，因开孑Ｌ或缺口引起应力集中且试件厚度较大，导致在椭圆孔长轴顶端附近呈三向拉应力状态，此时空洞在夹杂或第二相边界形核，长大；随着载荷的增加，微裂纹呈脆性形成并快速扩展，当微裂纹扩展到试件表面时，试件剩余厚度已经很小，呈平面应力状态，此时板件剩余截面呈剪切断裂，断裂面沿最大剪应力作用面，并且与轴拉力成４５。夹角。这样的断裂形式称为正断与剪断混合型断裂。
（下转第３８页）
３４钢结构２０１０年第２期第２５卷总第１３０期
科研开发
要优于传统的抗震体系。作为抗震用钢的新钢种，低屈服点钢将有广阔的应用前景。
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（上接第３４页）
４结论
试验结果表明：所有试件的第一条宏观裂纹起始于缺口顶端厚度中面，然后沿垂直加载方向迅速发展，直至完全断裂，宏观断裂时载荷急剧下降。断口粗糙且有大量韧窝，呈暗灰，断口呈杯锥状，断裂形式为正断与剪断混合型。开孑Ｌ或缺口愈尖锐的试件，其开裂延性愈差。开孔板试件宏观断裂载荷
比缺口板试件明显要高，显示了缺口顶端应力场对缺口根部开裂的影响。
从整体上看，试验数据离散性较小，显示了结构钢断裂的定性规律，为研究中等厚度钢板断裂机理及抗断设防提供了较可靠的试验数据。
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３８钢结构２０１０年第２期第２５卷总第１３０期
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