圓鋼管空間滯回性能試驗

聶桂波，支旭東，范 峰

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，哈爾濱150090，nieguibo0323@163.com)

目前，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的損傷累積過程及其失效機(jī)理研究逐漸深入［1-5］，其中材料本構(gòu)模型研究與應(yīng)用是重要工作.與多、高層結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究不同［6-9］，空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的構(gòu)件主要以圓鋼管為主，其在強(qiáng)震下失效時往往變形明顯、材料塑性發(fā)展深入，體現(xiàn)了明顯的強(qiáng)度破壞特征.文獻(xiàn)［10-11］初步進(jìn)行了考慮材料損傷累積對空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)強(qiáng)震響應(yīng)影響的研究，對比表明，考慮材料滯回?fù)p傷累積對結(jié)構(gòu)的失效特征及失效極限具有明顯影響，這種影響最大時可達(dá)20%以上.因此，要精確獲得結(jié)構(gòu)在地震下的響應(yīng)規(guī)律，必須以更為準(zhǔn)確的材料本構(gòu)模型作為基礎(chǔ)，這就要求對此類構(gòu)件進(jìn)行專門的試驗研究，以準(zhǔn)確掌握該類構(gòu)件的空間滯回性能，從而獲得精確適用的材料本構(gòu)模型.

本文考慮空間復(fù)雜荷載特性以及不同長細(xì)比的影響，設(shè)計并進(jìn)行了多組圓鋼管試件的空間滯回性能試驗，考察了該類構(gòu)件的空間滯回性能，獲得了滯回試驗曲線及典型部位的應(yīng)變過程數(shù)據(jù)結(jié)果，為深入研究確定符合圓鋼管截面的鋼材本構(gòu)模型奠定了基礎(chǔ).

1 試驗方案

1.1 試件設(shè)計

為獲得圓鋼管構(gòu)件的滯回試驗曲線及典型部位的應(yīng)變曲線，考察其空間滯回性能，以空間結(jié)構(gòu)工程中常用的圓鋼管為試驗對象，選取3 種高度和截面的試件，截面分別為φ 76，φ 114，φ 140，高度取900，1 200，1 500 mm，所有試件壁厚均為5 mm，試件將設(shè)計成懸臂支撐模式，所選試件的長細(xì)比參考了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)常用的長細(xì)比(試件及試驗裝置見圖1).為使水平加載的加載器與管身相連，構(gòu)件上端端部兩個正交水平方向焊接耳板，允許加載器在豎直及水平面內(nèi)有一定的轉(zhuǎn)角;為增加試件的穩(wěn)定性及剛度，試件底部焊接剛度較強(qiáng)的端板，預(yù)留栓孔與下部鋼箱用高強(qiáng)螺栓連接.

圖1 試驗裝置及試件

1.2 加載裝置及測點(diǎn)布置設(shè)計

水平向加載裝置如圖1(b)所示，考慮雙向水平加載.試件頂部在兩個相互垂直的水平方向均有側(cè)移，所以將連接設(shè)計成鉸接，保證兩方向均可產(chǎn)生一定的旋轉(zhuǎn)角度.水平反力架與鋼管底部的鋼箱用連梁連接，組成自平衡系統(tǒng).

沿試件軸向加載的難度在于試件頂部既要承受豎向力，又要按照懸臂支撐要求保證試件頂部為自由端.為解決這一關(guān)鍵問題，進(jìn)行了多種試驗方案的對比，前期方案采用獨(dú)立反力架上的反力梁承擔(dān)豎向力，試圖通過減小豎向千斤頂與反力梁接觸部位的摩擦力達(dá)到使其在水平向滑動的目的.但前期多個試驗方案的加載表明:

1)這些試驗裝置加工精度要求高，很難克服摩擦力，使接觸部位順利滑動.并且在后期試驗數(shù)據(jù)處理過程中，尚應(yīng)準(zhǔn)確消除該處摩擦力的影響.

2)試驗裝置在試驗過程中安裝比較困難;在加載位移比較大的情況下，還會存在一定的安全隱患.

3)前期方案需要使用試驗室的反力架，用以安裝反力梁承擔(dān)豎向力，反力架雖然在豎向的剛度足夠，但水平向剛度薄弱，試驗過程中承擔(dān)豎向力的反力梁在加載過程中隨水平荷載擺動，嚴(yán)重影響試驗精度，其誤差也難以消除.

最終確定的方案是:在試件的上下底板預(yù)留圓孔，然后將螺桿從孔中穿入，螺桿的底部用螺栓球與其擰緊，螺桿頂部放置鋼筋拉拔器及力傳感器，用鋼筋拉拔器張拉螺桿產(chǎn)生拉力，從而反作用于鋼管，達(dá)到施加軸力的目的，如圖2(b)所示.該裝置適用于三維損傷構(gòu)件的加載，具有操作簡單、便于安裝調(diào)試和安全可靠的優(yōu)點(diǎn).

兩水平加載器均布置了力傳感器，水平加載器互相垂直，一路記為X 方向，另一路記為Y 方向，管頂兩個方向均設(shè)位移計.試驗過程中，在試件的典型部位布置測點(diǎn)，每個測點(diǎn)粘貼電阻應(yīng)變片測量應(yīng)變變化.測點(diǎn)在試件的3 個高度沿管徑均勻布置，其編號及位置如圖2(a)所示.

圖2 試驗裝置及測點(diǎn)布置圖

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗豎向力采集通過YE2537 采集儀采集;水平力和位移分別通過力傳感器及LVDT 位移計將數(shù)據(jù)傳入到北京波譜儀中，北京波譜儀將測得的力與位移數(shù)據(jù)以圖像的形式實時的顯示出來，并每隔一定時間自動記錄采集數(shù)據(jù).典型部位的應(yīng)變通過東華3816 應(yīng)變采集系統(tǒng)采集.

1.4 加載方案和試件編號

加載方案見圖3，試件編號見表1.

圖3 加載方案

表1 試件編號

2 滯回試驗結(jié)果

2.1 試驗穩(wěn)定性驗證

為驗證該試驗裝置及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性，選取兩組相同試驗進(jìn)行驗證.每組3 根試件，分別采用加載方案1 和方案2，桿件編號見表2.限于篇幅，僅給出第二組試件Y 向滯回曲線，見圖4.為便于比較，將相同加載方案試件的滯回曲線放在圖5 中(圖中隱去了破壞之前變形較大的部分，以利于對圖形的觀察)，各試件滯回曲線吻合較好，表明試驗具有較高的穩(wěn)定性，結(jié)果可信.

表2 對比試驗試件編號

圖4 試件滯回曲線

2.2 試驗加載過程及現(xiàn)象

試驗以編號3-1-3 的試件為例，試驗獲得的水平力與水平位移關(guān)系的滯回曲線隨加載位移變化如圖6 所示.該滯回曲線橫坐標(biāo)為圓鋼管頂部的水平位移，縱坐標(biāo)為圓鋼管頂部水平力.本文僅給出測點(diǎn)2.2 的應(yīng)變曲線.從試驗過程及滯回曲線可以觀察到如下規(guī)律:

圖5 試件滯回曲線對比

1)在彈性范圍內(nèi)循環(huán)加載時，試件滯回曲線的包絡(luò)面積幾乎為零，變形能為彈性應(yīng)變能，幾乎沒有能量消耗.

2)循環(huán)加載過程中，荷載卸載到零時仍存在殘余變形，對每一循環(huán)來說，殘余變形隨循環(huán)幅值的增加而增加.

3)在達(dá)到最大承載力之前，試件滯回性能很好;當(dāng)試件達(dá)到最大承載力后，承載能力緩慢下降(加載位移為50 mm 左右)，表明此時試件具有很好的延性，但隨著加載位移的繼續(xù)增大(加載位移超過-60 mm 時)，試件的承載力下降速度加快，耗能能力迅速降低，表明試件的損傷已經(jīng)很嚴(yán)重.

4)圓鋼管試件在塑性發(fā)展已經(jīng)很充分的情況下，仍然具有良好的滯回性能，如圖6(h)所示，試件端部已經(jīng)起鼓，但承載力仍呈上升趨勢，表明試件的耗能能力仍然很強(qiáng).由此認(rèn)為圓鋼管在地震荷載作用下也具有良好的耗能能力.

5)從試驗過程中可以看到，當(dāng)試件在某一方向屈曲后，繼續(xù)施加荷載，一個方向施加的載荷將明顯對其余兩個方向產(chǎn)生影響.

圖6 試件3-1-3 底部起鼓發(fā)展及相應(yīng)的Y 向滯回曲線和典型測點(diǎn)應(yīng)變曲線

6)從試件典型部位的應(yīng)變曲線圖中(如圖6)，可觀察到在前25 個荷載步內(nèi)，試件的應(yīng)變隨荷載增加而均勻增加，可推斷出此時尚未達(dá)到最大應(yīng)力，損傷累積不明顯，而當(dāng)30 個荷載步后，應(yīng)變增加幅度明顯變得劇烈，由試驗過程中的觀察亦可發(fā)現(xiàn)此時試件底部將起鼓，而應(yīng)變在第40 個荷載步時迅速增加，表明此時試件將破壞.

2.3 試驗結(jié)果分析

試驗過程必然受到裝置模擬的準(zhǔn)確性以及外界因素的影響，以試件3-1-3 為例，本試驗誤差主要有3 個方面:

1)試驗過程中，試件底部的鋼箱將會產(chǎn)生剛體轉(zhuǎn)動，對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響，如圖7(b)所示.試驗過程中，記錄了圖6(a)所示的4 個位移計的豎向位移(其位移隨荷載變化曲線如圖9(a)所示，限于篇幅，僅給出1、2 號測點(diǎn)的豎向曲線).以Y 方向為例，1、4中點(diǎn)位移可由二者豎向平均值得到，同理可得到2、3中點(diǎn)的位移.二者之間的關(guān)系如圖7(b)所示，根據(jù)圖示線性關(guān)系可求得由于鋼箱轉(zhuǎn)動而使試件頂端產(chǎn)生的位移.鋼箱轉(zhuǎn)動作用消除與未消除曲線對比如圖9(b)所示.從處理結(jié)果可以看到，鋼箱剛體轉(zhuǎn)動造成最大的誤差可達(dá)10%左右.

圖7 鋼箱轉(zhuǎn)動處理簡圖

2)三維加載實驗中一個不利的影響是雙向推拉千斤頂?shù)奈灰飘a(chǎn)生了幾何非線性，如圖8 所示.根據(jù)圖8(b)中所示的幾何關(guān)系:

則試件在X 和Y 兩方向的實際受力為

式中:Fx和Fy分別為推拉千斤頂所連接力傳感器量測值，根據(jù)試件加載到最大位置時，相應(yīng)的cos αx=0.997，sin αx=0.07，cos αy=0.998，sin αy=0.06，式(1)和式(2)中的正弦項可以忽略，余弦項認(rèn)為等于1，因此實際受力近似等于力傳感器測量值.

圖8 雙向水平位移的互相影響

圖9 試件3-1-3 典型測點(diǎn)應(yīng)變曲線及滯回曲線對比

圖10 試件3-1-3 頂端位移及試驗處理對比圖

3)試驗過程中，試件加載部位的力傳感器與 頂板的位移計不在同一高度，如圖10(a)所示，在消除鋼箱轉(zhuǎn)動基礎(chǔ)上，將頂端位移變換到力方向上.變換后曲線與原曲線(這里原曲線指消除鋼箱影響后曲線)對比如圖10(b)所示.

試驗仍以編號3-1-3 的試件為例，試驗獲得的水平力與水平位移關(guān)系的滯回曲線經(jīng)以上方法消除后最終如圖11 所示.

圖11 試件3-1-3 滯回曲線

3 結(jié) 論

1)試驗選取的設(shè)計參數(shù)對圓鋼管構(gòu)件具有代表性和覆蓋面，試驗結(jié)果離散性小，數(shù)據(jù)可靠.

2)設(shè)計了滿足空間三向加載的試驗裝置，該裝置可以適應(yīng)不同長細(xì)比、不同空間加載方案的需要，操作方便，便于試件的安裝拆卸.對比試驗表明，裝置具有良好的穩(wěn)定性，能夠滿足試驗精度要求.

3)試驗數(shù)據(jù)處理過程中，剔除了各種不良因素的影響，如鋼箱的剛體轉(zhuǎn)動、力位移不在同一高度上造成的影響，均予以消除.

4)在試件起鼓之前，滯回曲線呈一直增強(qiáng)的狀態(tài)，表明在起鼓之前試件的損傷累積并不明顯，而當(dāng)試件底部產(chǎn)生起鼓之后，從試驗過程中可以看到試件的滯回能力明顯變?nèi)?，表明試件起鼓后損傷累積在明顯增加.

5)從試驗過程中可以看到，圓鋼管具有良好的滯回性能，在很大的位移作用情況下，仍能保持良好的耗能能力.

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