预应变试件滞回特性分析

在上述滞回试验之外，同时加工了4个含预应变的沙漏形试件，通过试验研究了预应变对Chaboche混合强化模型模拟精度和标定结果的影响（Jia，et al.，2013）。试样KA08至KA11的加载历史包括两个步骤。首先对试件施加拉伸（KA08，KA09）或压缩（KA10，KA11）预应变，然后大约一个月后在单调拉伸（KA08，KA10）或循环加载历史下（KA09，KA11）加载至断裂，循环加载的加载历史与KA07相同。表3-4列出了KA08至KA11的加载历史。

表3-4　含预应变沙漏型试件的加载历史

限于篇幅，本节没有给出第一加载阶段KA08至KA11的试验结果。第二加载阶段拉伸预应变试件（KA08，KA09）的荷载-位移曲线如图3-15（a），（b）所示，压缩预应变试件（KA10，KA11）的荷载-位移曲线如图3-15（c），（d）所示。根据试验结果可得出以下结论。

（1）图3-15（a），（b）表明，对于具有拉伸预应变的试件，初始拉伸屈服应力高于原始材料，而含压缩预应变的试件屈服应力与原始材料的初始屈服应力大致相同。

（2）图3-15（c），（d）表明，对于具有压缩预应变的试件，受拉和受压的初始屈服应力与原始材料的初始屈服应力大致相同。

（3）图3-15表明，屈服平台现象在具有压缩预应变的试件中消失，但仍出现在具有拉伸预应变的试件中。

图3-15　预应变沙漏形试件试验结果和有限元结果的对比

在结构工程中，通常采用单调拉伸材性试验来确定含预应变钢（如冷加工钢构件）的材料性能，初始拉伸屈服应力在实际应用中具有重要意义。根据以上第一和第二个结论，含拉伸预应变钢材的初始拉伸屈服应力因应变硬化相对于原始材料增大，而含压缩预应变的钢材的初始拉伸屈服应力几乎不受影响。其原因在于：在含预压缩应变钢材的拉伸试验过程中产生了包辛格效应，抵消了应变硬化引起的应力增加。(www.xing528.com)

在实际工程中，研究人员主要目的是准确模拟KA09和KA11在第二加载阶段的荷载-位移曲线。本节模拟中采用了两种方法，第一种方法使用根据含预应变钢材拉伸试件试验结果标定的塑性模型参数，而第二种方法根据原始材料拉伸试验结果以及材料预应变历史来标定塑性模型的参数。在实践中，第一种方法更为普遍，因为原始材料的材性试验结果以及预应变历史通常是未知的。

图3-16　材性试件与单调拉伸沙漏形试件KA01试验结果对比

同样，对含预应变结构钢的循环塑性进行了数值模拟研究。对于第一种塑性参数标定方法，沙漏形试件KA01的荷载-直径变化曲线几乎与材性试验的曲线一致，如图3-16所示。因此，KA08和KA10在第二阶段加载的试验结果可视为含预应变材料的单调拉伸材性试验结果。对于第二种标定方法，使用上述试件的测试结果来进行塑性模型参数的标定。表3-5列出了使用两种方法的Chaboche模型参数。原始材料和含预应变材料的γ1等于零，表明每种材料都有一个具有线性演化规律的背应力。含拉伸预应变材料标定的屈服应力远高于原始材料，而具有压缩预应变材料的标定屈服应力值接近原始材料。

表3-5　含预应变钢材的Chaboche混合强化模型参数

备注：σy0，C 1，C 2，C 3，Q∞单位为MPa；γ1，γ2，γ3和k为无量纲参数。

第二加载阶段的试验结果和相应的数值结果如图3-15所示。第一种标定方法和第二种方法都能很好地模拟含拉伸和压缩预应变材料的单调拉伸试验结果，如图3-15（a），（c）所示。第一种标定方法略微高估了含拉伸预应变钢材的压应力，如图3-15（b）所示，同时精确预测了含压缩预应变钢材的力，如图3-15（d）所示。拉伸预应变导致应变硬化引起的初始拉伸屈服应力增加，而包辛格效应抵消了压缩预应变引起的屈服应力增加。因此，含压缩预应变材料的初始拉伸屈服应力接近原始材料的初始拉伸屈服应力。Chaboche模型的标定方法可以利用拉伸试件试验结果对具有压缩预应变材料的循环塑性进行良好的评价，同时对含拉伸预应变材料的各向同性硬化有所高估。对于第二种标定方法，与含拉伸和压缩预应变材料的试验结果对比，数值结果对比良好。