螺栓球支座節(jié)點(diǎn)中錨栓的超低周疲勞破壞特征

武文喆， 李海旺， 宋夏蕓

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，太原 030024)

隨著社會(huì)的發(fā)展，越來越多的空間結(jié)構(gòu)投入使用[1]?？臻g網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中，規(guī)范里規(guī)定除受拉支座外，支座節(jié)點(diǎn)錨栓按構(gòu)造要求設(shè)置，災(zāi)難性地震發(fā)生時(shí)，錨栓往往會(huì)發(fā)生受剪破壞，結(jié)構(gòu)的失效通常會(huì)造成大量人員無家可歸和財(cái)產(chǎn)損失，所以發(fā)展韌性城市，增強(qiáng)城市抵抗地震的能力顯得尤為重要[2]。大跨度鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的建筑除了滿足日常功能外，也可為災(zāi)民提供應(yīng)急避難場所，在保證人民安全的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)震后的工程結(jié)構(gòu)、城市乃至整個(gè)社會(huì)維持或快速恢復(fù)功能[3]。所以，對大跨度結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用下的破壞形態(tài)成為該領(lǐng)域的重要研究課題[4]。研究表明：鋼結(jié)構(gòu)在地震下的破壞為低周疲勞破壞[5]，有關(guān)學(xué)者也做出了一系列研究。聶桂波等[6]總結(jié)了蘆山地震中兩個(gè)大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的主要部位和典型的破壞模式，認(rèn)為結(jié)構(gòu)破壞形式主要有支座破壞、桿件破壞及附屬結(jié)構(gòu)破壞，并分析造成這些破壞的主要原因。羅云蓉等[7]對鋼結(jié)構(gòu)材料Q235鋼的超低周疲勞性能進(jìn)行了研究，獲得了循環(huán)應(yīng)力響應(yīng)特征曲線和基于塑性應(yīng)變幅及應(yīng)變速率的超低周疲勞壽命預(yù)測公式，通過電鏡掃描，分析了試驗(yàn)材料超低周疲勞下的微觀斷裂機(jī)理。劉希月[8]基于高強(qiáng)度鋼材的斷裂微觀機(jī)理，以大量的試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)值計(jì)算和理論分析，從材料材性、典型構(gòu)造和梁柱節(jié)點(diǎn)3個(gè)層面對高強(qiáng)度鋼材鋼結(jié)構(gòu)的斷裂性能展開研究，得到了豐富的材性數(shù)據(jù)、損傷退化系數(shù)及低周疲勞斷裂預(yù)測模型。徐強(qiáng)等[9]設(shè)計(jì)了3種不同的加載制度對鋼框架節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周往復(fù)加載，研究了不同大位移加載方式對構(gòu)件的破壞形態(tài)的影響。陳芮等[10]對橡膠支座在不同垂直壓力下分別進(jìn)行了單向水平加荷試驗(yàn)、循環(huán)荷載試驗(yàn)，得到了在不同垂直壓應(yīng)力下的單向變形曲線及滯回曲線。楊旭等[11]對螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架中M22高強(qiáng)螺栓的疲勞性能進(jìn)行試驗(yàn)，通過對高強(qiáng)螺栓疲勞破壞斷口宏觀和微觀照片的分析，探討了螺栓球節(jié)點(diǎn)網(wǎng)架中高強(qiáng)螺栓疲勞破壞機(jī)理。

但目前鋼結(jié)構(gòu)疲勞性能的研究主要集中在材料、鋼框架節(jié)點(diǎn)及高周疲勞性能等方面，關(guān)于鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)中螺栓球支座的超低周疲勞性能還未查到相關(guān)文獻(xiàn)。初步探討了螺栓球支座中錨栓的超低周疲勞破壞機(jī)理，為鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)螺栓球支座在發(fā)生超低周疲勞破壞時(shí)提供參考。

1 加載裝置及試件參數(shù)

為模擬試件實(shí)際受力狀況，水平方向通過北京市佛力系統(tǒng)公司電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)對螺栓球支座施加水平往復(fù)荷載，作動(dòng)器錨固于實(shí)驗(yàn)室大型剪力墻。垂直方向通過千斤頂施加豎向荷載，千斤頂錨固于反力架橫梁上的平板滑移小車上，以保證水平加載過程中豎向力可隨支座進(jìn)行水平移動(dòng)，不致發(fā)生過大偏心，加載裝置如圖1所示。分別對錨栓M20和M22的平板支座PS01、PS02以及錨栓M22的橡膠支座RS01進(jìn)行研究，試驗(yàn)所用的支座底板、肋板以及錨桿均采用Q235B級鋼，橡膠支座的橡膠墊板尺寸：上下為2.5 mm的橡膠墊，中間為2 mm的鋼板和 5 mm 的橡膠墊相互交替，共五層，試件參數(shù)如圖2、表1所示。

圖1 加載裝置Fig.1 Loading device

圖2 支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)詳圖Fig.2 Support joints design detail map

表1 試件基本參數(shù)Table 1 Specimen basic parameters

注：表中錨栓孔尺寸指支座底板錨栓孔長軸和短軸長度。

2 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用雙向加載方案，垂直方向的壓力恒定，水平方向采用位移控制的往復(fù)等幅加載制度。垂直方向的壓力是中型網(wǎng)架在最不利組合下受到的最大豎向力100 kN，水平方向的ΔLoop是單向加載過程中第一根錨栓斷裂時(shí)的位移值的80%，即在100 kN的豎向壓力作用下，試件PS01第一根錨栓斷裂時(shí)位移的80%為28 mm，試件PS02第一根錨栓斷裂時(shí)位移的80%為30 mm，試件RS01第一根錨栓斷裂時(shí)位移的80%為44 mm。如圖3所示。

圖3 加載制度Fig.3 Loading system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為研究錨栓的破壞形態(tài)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)錨栓為螺栓球支座的薄弱區(qū)域，所以定義3個(gè)及以上錨栓斷裂為支座失效。其中，支座向遠(yuǎn)離作動(dòng)器方向移動(dòng)稱為向西加載，向靠近作動(dòng)器方向移動(dòng)稱為向東加載；靠近作動(dòng)器一側(cè)的錨栓稱為東側(cè)錨栓，遠(yuǎn)離作動(dòng)器一側(cè)的錨栓稱為西側(cè)錨栓，另外兩個(gè)錨栓依次根據(jù)方位確定為北側(cè)錨栓和南側(cè)錨栓。

試件PS01在100 kN的豎向壓力下，破壞過程如圖4所示。水平位移等幅加載幅值為28 mm，第一次水平向西加載過程中，試件在10 mm范圍內(nèi)滑動(dòng)平穩(wěn)，支座底板、錨栓螺母及其之間的墊片三者相互錯(cuò)動(dòng)，露出部分長圓孔，超出10 mm后錨桿逐步受到孔壁擠壓產(chǎn)生的水平力與底板上抬造成的上拔拉力的雙重作用，以底板一側(cè)為軸向另一側(cè)開始上抬，錨桿彎曲，產(chǎn)生塑性變形，率先進(jìn)入屈服狀態(tài)，成為試件“薄弱”區(qū)域；反向向東加載，試件錨桿經(jīng)歷一次彎曲→豎直→反向彎曲的過程，底板仍舊無肉眼可見變形；此后以此位移幅值往復(fù)水平加載，東西向錨桿傾角增大，循環(huán)至第34次時(shí)，東側(cè)和南側(cè)錨栓同時(shí)斷裂；西北向錨桿承載力也逐漸降低，在第35次循環(huán)時(shí)，西側(cè)錨栓傾角開始增大，此時(shí)該錨桿發(fā)生軟化現(xiàn)象，損傷積累過大，導(dǎo)致其逐步喪失承載力，并在第36次循環(huán)時(shí)西側(cè)錨栓斷裂，支座失效。

圖4 試件PS01破壞過程Fig.4 Destruction process of specimen PS01

試件PS02在100 kN的豎向壓力下，水平位移等幅加載幅值為30 mm，試件同樣經(jīng)過滑動(dòng)→錨桿磕碰孔壁→底板上抬(整體傾斜)→錨桿彎曲→錨桿斷裂過程，在此不再贅述。支座循環(huán)至第2次時(shí)，西側(cè)和北側(cè)錨栓斷裂；在第3次循環(huán)時(shí)，南側(cè)錨栓斷裂；在第7次循環(huán)時(shí)，東側(cè)錨栓斷裂，支座失效。

試件RS01在100 kN的豎向壓力下，破壞過程如圖5所示。水平位移等幅加載幅值為44 mm，第一次水平向西加載過程中，試件在12 mm范圍內(nèi)滑動(dòng)平穩(wěn)，支座與橡膠連接可靠，整體無傾斜，橡膠墊板發(fā)生水平剪切變形；超出12 mm后試件整體傾斜，橡膠墊板東側(cè)受拉，西側(cè)受壓，受壓側(cè)產(chǎn)生明顯的壓縮變形，受拉側(cè)橡膠墊下部已經(jīng)脫膠且其上錨栓與底板之間的彈簧產(chǎn)生明顯壓縮變形。錨桿主要受到孔壁擠壓的水平力而彎曲，產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形，率先進(jìn)入屈服狀態(tài)，成為試件“薄弱”區(qū)域；反向向東加載，試件錨桿經(jīng)歷彎曲→豎直→反向彎曲過程；此后以此位移幅值往復(fù)推拉水平加載，東西向錨桿傾角增大，循環(huán)至第13次時(shí)，南側(cè)和北側(cè)錨栓斷裂；東西向錨桿承載力也逐漸降低，在第14次循環(huán)時(shí)，東西側(cè)錨栓斷裂，支座失效。

圖5 試件RS01破壞過程Fig.5 Destruction process of specimen RS01

3.2 宏觀特征

實(shí)驗(yàn)中，試件是水平循環(huán)往復(fù)加載，所以錨栓斷口表面往往是對稱的。錨栓破壞位置均為錨栓與過渡板交界處，由于錨栓和過渡板交界處存在應(yīng)力集中，使該處成為錨栓在剪力和拉力共同作用下易產(chǎn)生疲勞破壞的位置；其次，錨栓與過渡板的連接方式為塞焊，構(gòu)件在加工過程中，錨栓和過渡板交界處受到高溫作用，構(gòu)件表面往往會(huì)產(chǎn)生組織缺陷，加工過程中產(chǎn)生的材料初始缺陷也是錨栓發(fā)生疲勞破壞的重要原因；支座水平方向是通過作動(dòng)器施加在螺栓球中心的位移控制的，導(dǎo)致錨栓和過渡板交界處受到的彎曲應(yīng)力最大，所以裂紋首先在錨栓和過渡板交界處萌生。PS01錨栓宏觀斷口如圖6所示，該錨栓的疲勞源呈對稱分布，位于斷口的兩側(cè)，光滑且呈現(xiàn)白亮色，裂紋逐漸從兩側(cè)向中間擴(kuò)展也呈對稱分布，非常光滑并伴隨起伏變化，擴(kuò)展區(qū)面積較大，擴(kuò)展區(qū)面積約為總面積的80%，顏色相比較裂紋源較暗，瞬斷區(qū)位于斷口的中間，斷裂時(shí)形成一個(gè)較大的凹槽，有許多小的晶粒凸起。PS02錨栓斷口如圖7所示，斷面非常粗糙，且無明顯分區(qū)，所以該錨栓屬于剪切破壞。RS01錨栓斷口如圖8所示，錨栓斷口形態(tài)與PS01基本相似，擴(kuò)展區(qū)面積約為總面積的50%。

圖6 PS01宏觀斷口Fig.6 Macro fracture of specimen PS01

圖7 PS02宏觀斷口Fig.7 Macro fracture of specimen PS02

螺栓球支座中錨栓的超低周疲勞破壞有如下特點(diǎn)。

(1)疲勞源裂紋是由于錨栓的表面存在缺陷而產(chǎn)生，特別是在錨栓和過渡板交界處，存在應(yīng)力集中和焊接的加工工藝產(chǎn)生的材料初始缺陷，產(chǎn)生較大的應(yīng)力而成為錨栓容易產(chǎn)生疲勞破壞的位置。錨栓斷口的疲勞源比較光滑且呈現(xiàn)白亮色，這是由于循環(huán)荷載使得兩個(gè)斷裂面互相摩擦、擠壓而形成的。與高周疲勞破壞相比較，兩種破壞方式斷口的疲勞源區(qū)都比較光滑，但超低周疲勞破壞的疲勞源面積較小，且顏色較亮，是由于應(yīng)力幅值較大，裂紋在源區(qū)的擴(kuò)展速度迅速，裂紋表面互相摩擦、擠壓造成的(圖9)。

(2)錨栓裂紋的擴(kuò)展，是由于疲勞裂紋在構(gòu)件表面形成后，循環(huán)加載時(shí)，反復(fù)變形，裂開的兩個(gè)面不斷張開、閉合向錨栓內(nèi)部擴(kuò)展，并且互相摩擦使得擴(kuò)展區(qū)非常光滑，形態(tài)明顯起伏是由于錨栓承受較高幅值所導(dǎo)致的。剛開始錨栓的有效截面較大，其裂紋以比較均勻的速率穩(wěn)定向前擴(kuò)展，隨著次級裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，擴(kuò)展區(qū)深度逐步加深，錨栓剩余的有效截面面積較小，應(yīng)力逐漸增大，加快了裂紋的擴(kuò)展速率，直至錨栓發(fā)生瞬斷。與高周疲勞破壞相比，兩種破壞形態(tài)斷口的擴(kuò)展區(qū)都非常光滑，且都比疲勞源區(qū)顏色暗，但超低周疲勞破壞的擴(kuò)展區(qū)面積較小，是由于較大的應(yīng)力幅導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展速度迅速所形成的(圖9)。

(3)錨栓的瞬斷區(qū)面積占總面積較小，位于錨栓的中間，顏色較暗，表面粗糙，形狀很不規(guī)則，形成一個(gè)較大的凹槽，在和擴(kuò)展區(qū)交界處有明顯的“山脊”，凹槽內(nèi)有許多小的晶粒凸起，呈現(xiàn)出明顯的韌性斷裂特征。與高周疲勞破壞相比，兩種破壞形態(tài)斷口的瞬斷區(qū)都呈現(xiàn)出粗糙且不規(guī)則的形態(tài)，但超低周疲勞破壞的瞬斷區(qū)顏色較暗且面積較大，呈現(xiàn)出韌性斷裂特征，是由于超低周疲勞應(yīng)力水平比較高導(dǎo)致的(圖9)。

圖9 高周疲勞破壞螺栓宏觀斷口Fig.9 Macro fracture of bolts under high cycle fatigue damage

3.3 微觀特征

圖10～圖12為斷口不同特征區(qū)域在電子顯微鏡下放大不同倍數(shù)的圖片。從圖6(b)、圖6(c)、圖8(b)、圖8(c)中可以看出，疲勞源區(qū)比較光滑顏色較亮，且存在解理面，表明錨桿起裂為解理斷裂，且存在明顯的裂紋擴(kuò)展所留下的沙灘狀標(biāo)記；從圖10(b)、圖12(b)中可以看出擴(kuò)展區(qū)疲勞條紋從兩側(cè)逐步向中間擴(kuò)展，且條紋間距逐步增大，條紋中間有河流狀圖案，疲勞條紋上存在韌窩，是錨栓疲勞斷裂的微觀特征；從圖10(f)、圖12(d)中可以看出瞬斷區(qū)粗糙不平，形狀也很不規(guī)則，顏色較暗，且存在明顯韌窩。

通過掃描電鏡可以看出，不同位移幅值下錨栓破壞有共同的特點(diǎn)，疲勞源區(qū)的海灘狀標(biāo)記，是由于載荷劇烈變動(dòng)時(shí)，在裂紋前沿出現(xiàn)較大應(yīng)力而留下塑性變形的痕跡，海灘條帶是斷口的基本特征，是判斷結(jié)構(gòu)斷裂失效是否為疲勞斷裂的重要依據(jù)；以疲勞源為中心向中間擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)比較光滑，存在貝殼狀的疲勞條紋和疲勞條紋中間平行于疲勞條紋的河流狀的條紋，且在靠近疲勞源的地方，擴(kuò)展速率較慢，疲勞條紋較密集，靠近瞬斷區(qū)的疲勞條紋較稀疏，說明裂紋擴(kuò)展速率較快，然而在不同位移幅值作用下，錨栓斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)面積大小不一，疲勞條紋的間距也有所不同，從微觀圖中可以看出，位移幅值越大，裂紋擴(kuò)展區(qū)面積越小，疲勞條紋間距越大，疲勞條紋上的韌窩減少，撕裂狀更明顯，表明大位移下的破壞是延性破壞；瞬斷區(qū)的韌窩是由于循環(huán)荷載作用下材料損傷積累過大，有效截面不足以承受外力作用而發(fā)生瞬斷，該區(qū)域的韌窩就是錨栓內(nèi)部缺陷的集合處，位移幅值越大，斷口的瞬斷區(qū)面積越大，更加粗糙不規(guī)則，撕裂狀更明顯。高周疲勞破壞的裂紋有尖、窄、深的特點(diǎn)，斷面擴(kuò)展區(qū)的疲勞輝紋更加明顯，但擴(kuò)展區(qū)疲勞條紋上以及瞬斷區(qū)往往沒有韌窩的出現(xiàn)，或者有很淺的韌窩，呈現(xiàn)出脆性破壞的特征，與高周疲勞破壞相比，超低周疲勞的裂紋具有鈍、寬、開口大的特點(diǎn)，疲勞條紋上和瞬斷區(qū)均有韌窩的出現(xiàn)，屬于延性破壞。

圖10 PS01微觀斷口Fig.10 Micro fracture of spceimen PS01

圖11 PS02微觀斷口Fig.11 Micro fracture of spceimen PS02

圖12 RS01微觀斷口Fig.12 Micro fracture of spceimen RS01

3.4 斷裂機(jī)理

結(jié)構(gòu)鋼材在反復(fù)荷載作用下的斷裂破壞通?？梢苑譃檠有院痛嘈云茐膬纱箢?。當(dāng)加載應(yīng)變幅度較低時(shí)，斷面上有疲勞輝紋的出現(xiàn)，裂紋具有尖、窄、深的特征，在裂紋端部沒有微空穴出現(xiàn)，屬于脆性破壞；當(dāng)加載應(yīng)變幅度較高時(shí)，斷面上有破碎的韌窩出現(xiàn)，裂紋具有鈍、寬、開口大的特征，裂紋端部周圍存在微空穴，屬于延性破壞；實(shí)驗(yàn)對錨栓疲勞試驗(yàn)斷口的電鏡掃描得出，斷口表面存在兩側(cè)的疲勞條紋和中央的韌窩兩種典型的區(qū)域，超低周疲勞條紋不同于高周疲勞破壞的條紋，在疲勞條紋上可以觀察到凹坑，條紋間距比高周疲勞寬，最后瞬斷區(qū)還可以觀察到韌窩，這在高周疲勞破壞中是找不到的，這主要是由于超低周疲勞破壞的試件是在大幅值的塑性應(yīng)變下產(chǎn)生的，疲勞條紋和韌窩的存在表明試件是韌性-脆性過渡的斷裂模式?；谶@些觀察，可以認(rèn)為錨栓的斷裂模式隨著應(yīng)變幅的增加從高周疲勞下的脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)槌椭芷谙碌捻g性斷裂，如果位移幅值中等，則存在韌性-脆性過渡斷裂模式。SEM掃描結(jié)果還表明，隨著位移幅度增加，韌性斷裂部分增加。

4 結(jié)論

針對螺栓球支座開展不同幅值的循環(huán)往復(fù)位移下的超低周疲勞破壞試驗(yàn)，獲得了螺栓球支座的破壞過程，并通過對斷口的宏觀照片與微觀照片分析得到了螺栓球支座的破壞機(jī)理，獲得以下主要結(jié)論。

(1)與高周疲勞相比，錨栓斷口存在解理、海灘條帶、河流狀圖案、韌窩，符合大位移作用下的超低周疲勞特征，屬于韌性斷裂，當(dāng)位移幅值中等時(shí)，則屬于韌性-脆性過渡斷裂模式。

(2)在不同位移幅值加載制度下，擴(kuò)展區(qū)面積也有所不同，應(yīng)力幅較小，則裂紋擴(kuò)展區(qū)較大，隨著位移幅值的提高，裂紋擴(kuò)展區(qū)面積逐漸減小；瞬斷區(qū)位于錨栓斷口中間，以韌窩為主要特征，應(yīng)力幅較小，則瞬斷區(qū)面積較小，隨著應(yīng)力幅的增大，瞬斷區(qū)面積也增大，且韌窩會(huì)較少，斷口的撕裂狀更加明顯。

(3)從錨栓斷口可以看出，在等幅加載制度下，錨栓疲勞源區(qū)面積很小，裂紋以裂紋源為中心向中間擴(kuò)展，錨栓的擴(kuò)展區(qū)中近疲勞源區(qū)部分的貝殼狀疲勞條紋較密集，表明裂紋擴(kuò)展速率慢，遠(yuǎn)離疲勞源區(qū)部分則較為稀疏，表明裂紋擴(kuò)展較快；擴(kuò)展區(qū)的疲勞條紋上還存在很多韌窩，略帶河流狀圖案，表明錨栓的破壞屬于韌性斷裂。