加載制度對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)組合試件低周疲勞性能的影響

郭凌云,李海旺,宋夏蕓,張 潔

(太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院,太原 030024)

歷史上災(zāi)難性大地震已給人類造成了無(wú)法估量的巨大損失[1]。大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的建筑往往在災(zāi)難地震時(shí)為災(zāi)民提供安全避難場(chǎng)所。因此,大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在災(zāi)難地震作用下的破壞機(jī)理與防震減災(zāi)設(shè)計(jì)成為了未來(lái)建設(shè)韌性城市的重要研究課題。已有地震災(zāi)害表明,在強(qiáng)震作用下大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)生超低周疲勞破壞[2]。針對(duì)超低周疲勞破壞問(wèn)題,許多學(xué)者已經(jīng)做出了研究。石永久等[3]對(duì)鋼材采用多種加載制度循環(huán)加載,研究鋼材的超低周疲勞特性,得出了循環(huán)加載對(duì)鋼材本構(gòu)關(guān)系的重要影響,為地震荷載下數(shù)值模擬提供依據(jù)。賈良玖[4]通過(guò)對(duì)方鋼管短柱進(jìn)行大塑性循環(huán)加載,通過(guò)超低周疲勞試驗(yàn)研究局部屈曲和延性斷裂耦合機(jī)理,為結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震作用的性能評(píng)估提供依據(jù)。姚越等[5]、陳學(xué)永等[6]、喬永強(qiáng)等[7]、冀濤等[8]通過(guò)對(duì)管球模型進(jìn)行軸向往復(fù)加載低周疲勞試驗(yàn),對(duì)管球模型在超低周疲勞下的變形特征、破壞機(jī)理、滯回耗能、剛度退化等進(jìn)行了一系列的研究,為研究網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的超低疲勞性能提供了一定基礎(chǔ)。廖芳芳等[9]通過(guò)對(duì)梁柱焊接節(jié)點(diǎn)試件循環(huán)加載試驗(yàn)結(jié)果與基于微觀損傷模型有限元模擬分析結(jié)果對(duì)比,對(duì)節(jié)點(diǎn)超低周疲勞破壞行為進(jìn)行預(yù)測(cè)。

現(xiàn)采用4種加載制度對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)組合試件進(jìn)行超低周疲勞性能試驗(yàn)研究,以期為大跨度空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在災(zāi)難地震作用下的韌性設(shè)計(jì)提供參考。

1 試件參數(shù)及加載裝置

1.1 試件設(shè)計(jì)

為了研究螺栓球節(jié)點(diǎn)組合試件在不同加載制度下的超低周疲勞性能,針對(duì)4種加載制度設(shè)計(jì)了材料以及構(gòu)造尺寸完全相同的組合試件,每種加載制度2個(gè),共計(jì)8個(gè)。根據(jù)《空間網(wǎng)格技術(shù)規(guī)程》(JCJ 7—2010)設(shè)計(jì)試件的節(jié)點(diǎn)與桿件,每個(gè)組合試件由2根φ60 mm×3.5 mm圓鋼管與3個(gè)螺栓球節(jié)點(diǎn)組成,上下兩個(gè)螺栓球直徑為180 mm,中間螺栓球直徑為100 mm。連接用的4個(gè)10.9級(jí)M16高強(qiáng)度螺栓球采用20MnTiB鋼材,螺栓球均采用45號(hào)鋼,圓鋼管、封板及套筒均為Q235 鋼。試件參數(shù)如表1所示。

表1 試件參數(shù)Table 1 Specimen parameters

1.2 加載設(shè)置

試驗(yàn)采用FCS電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)組合試件進(jìn)行軸向往復(fù)加載試驗(yàn),并通過(guò)TUST擬靜力試驗(yàn)控制軟件進(jìn)行加載控制與數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^(guò)上底座與作動(dòng)器連接,通過(guò)下底座與基座連接。為保證垂直方向加載,采用豎向可以自由滑動(dòng)的三向限位支撐使試件上端的螺栓球水平位移受到限制。試件裝置與安裝就位圖如圖1所示。

圖1 試件裝置與安裝就位圖Fig.1 Test device installation and installation

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)通過(guò)TUST擬靜力分析軟件輸入指令來(lái)控制加載,對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)組合試件進(jìn)行4種加載制度下的軸向往復(fù)加載試驗(yàn)并記錄位移與荷載的反饋值,直到試件破壞為止。為了保證試驗(yàn)的可操控性和安全性,采用位移控制加載方式。根據(jù)《金屬材料軸向等幅低循環(huán)疲勞破壞方法》(GB/T I5248—2008),設(shè)計(jì)的加載制度分別包含等幅加載制度和變幅加載制度,如圖2所示。

加載制度A:拉位移幅值Δ拉采用螺栓受拉極限承載力的75%所對(duì)應(yīng)的位移,壓位移幅值采用5Δ拉。

加載制度B:拉位移幅值Δ拉采用螺栓受拉極限承載力的75%所對(duì)應(yīng)的位移,壓位移幅值采用6Δ拉。

加載制度C:拉幅值Δ拉采用螺栓受拉極限承載力的75%保持不變,壓幅值初始值Δ壓=17 mm,每個(gè)拉壓幅值循環(huán)3次后,壓幅值以17 mm遞增,直到試件破壞。

加載制度D:拉幅值Δ拉采用螺栓受拉極限承載力的70%保持不變,壓幅值初始值Δ壓=17 mm,每個(gè)拉壓幅值循環(huán)3次后,壓幅值以17 mm遞增,直到試件破壞。

Δ1、Δ2分別采用螺栓受拉極限承載力的75%和70%所對(duì)應(yīng)的位移圖2 試驗(yàn)加載制度Fig.2 Test loading system

試驗(yàn)時(shí)先進(jìn)行小幅值預(yù)加載,在確保正確安裝之后,再進(jìn)行正式加載。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

螺栓球節(jié)點(diǎn)組合試件在加載過(guò)程中,每個(gè)試件的變形特征以及破壞形態(tài)相似,因此僅對(duì)試件SC1的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行描述,其典型特征變形狀態(tài)如圖3所示。在第1次加載時(shí),試件首先受拉,此時(shí)試件處于直立狀態(tài),試件中螺栓受拉進(jìn)入屈服階段,試件的其他部位沒有明顯變化；在壓第1次時(shí),試件發(fā)生失穩(wěn),產(chǎn)生明顯的撓曲變形,連接螺栓球的兩個(gè)圓鋼管之間形成明顯的夾角,中間螺栓球中和軸以上球和套筒的接觸面相互頂緊,而中和軸以下球和套筒的接觸面相互脫開出現(xiàn)縫隙,通過(guò)裂縫可以觀察到螺栓的螺紋情況；在第2次受拉時(shí),試件再次恢復(fù)直立狀態(tài)；隨著循環(huán)次數(shù)的增加,試件的撓曲變形越來(lái)越明顯,鋼管的轉(zhuǎn)角逐漸增大,螺栓球與套筒之間的縫隙也隨之變寬,在壓第10次時(shí),通過(guò)螺栓球與套筒之間的縫隙可以看到螺栓產(chǎn)生細(xì)微裂紋；隨著加載次數(shù)的增加,螺栓受拉一側(cè)的縫隙中可見裂縫明顯變深變寬,在達(dá)到壓第15次時(shí),螺栓開口,可以通過(guò)肉眼看出明顯的損傷情況,螺栓處于破壞的邊緣；在拉第16次時(shí)隨一聲巨響,螺栓發(fā)生斷裂。破壞后可以發(fā)現(xiàn)中間節(jié)點(diǎn)下部高強(qiáng)螺栓發(fā)生脆性斷裂,螺栓頸縮,所有其他螺栓均發(fā)生彎曲變形,螺栓絲扣損傷呈現(xiàn)光亮色。試件發(fā)生破壞時(shí)循環(huán)次數(shù)較短,屬于超低周疲勞破壞。

圖3 斷裂過(guò)程及結(jié)果Fig.3 Fracture process and results

表2所示為所有試件試驗(yàn)加載過(guò)程中各特征變形狀態(tài)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。

表2 變形狀態(tài)與循環(huán)次數(shù)Table 2 Deformation and cycle times

3.2 滯回曲線

各試件的滯回曲線如圖4所示。由圖4可以看出,每組試驗(yàn)的兩次重復(fù)試件的滯回曲線基本一致,說(shuō)明試驗(yàn)穩(wěn)定、可重復(fù)。因此每種加載制度均只選取一個(gè)試件進(jìn)行描述分析。試件SA1、SB1、SC1與SD1的滯回曲線均出現(xiàn)“捏攏”現(xiàn)象,形狀表現(xiàn)不飽滿不對(duì)稱,耗能能力有限,造成該現(xiàn)象的原因?yàn)?①受拉時(shí),試件桿件均處于彈性階段,只有節(jié)點(diǎn)螺栓全截面剛剛進(jìn)入屈服狀態(tài)進(jìn)行耗能,而螺栓的體積在試件的總體積中占比較小,且為高強(qiáng)度鋼材其塑性變形能力也較差,故其總體耗能不大；②在壓荷載作用下,試件彎曲失穩(wěn),因中部螺栓球節(jié)點(diǎn)抗彎剛度較小,試件屈曲后桿件仍處于彈性階段,此時(shí)螺栓受彎剪作用,其只有少部分截面進(jìn)入塑性狀態(tài),耗能能力相對(duì)受拉狀態(tài)急劇減小。試件在卸載過(guò)程滯回曲線不過(guò)0點(diǎn),此時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了較明顯的殘余變形,殘余變形隨著加載次數(shù)的增多而不斷增大,說(shuō)明螺栓損傷是個(gè)不斷積累的過(guò)程。

圖4 滯回曲線Fig.4 Hysteresis curve

試件SA1和SB1均為等幅加載,受拉加載幅值相同,SA1的受壓幅值為5Δ拉,SB1的受壓幅值為6Δ拉,其超低周疲勞壽命分別為32次和6次,相差5.33倍,可見螺栓進(jìn)入塑性的深度對(duì)其超低周疲勞壽命有巨大影響。

試件SA1與 SC1的受拉加載制度相同,均為等幅加載,SC1的受壓加載制度改為變幅逐級(jí)加載,其滯回曲線受拉部分與SA1基本相同,受壓部分變得相對(duì)圓滿,造成此現(xiàn)象的原因在于試件采用加載制度C時(shí),其初始加載所受壓位移較小,試件彎曲程度較低,節(jié)點(diǎn)螺栓進(jìn)入塑性程度較低,損傷積累較慢,但隨著壓荷載的階梯式增大,試件的損傷速度不斷增加,最終較試件SA1提前發(fā)生破壞,其超低周疲勞壽命降為16次。

試件SC1與 SD1的受拉加載制度均為等幅,幅值分別為螺栓受拉極限承載力75%與70%所對(duì)應(yīng)的位移值；受壓加載制度相同。顯然SD1較SC1受拉加載時(shí)損傷速度降低,超低周疲勞壽命由SC1的16次提高為21次。

3.3 骨架曲線

螺栓球節(jié)點(diǎn)組合試件在軸向往復(fù)加載作用下,各次加載的荷載極值點(diǎn)依次連接所形成的包絡(luò)曲線為骨架曲線,如圖5所示為各試件的骨架曲線。

圖5 骨架曲線Fig.5 Skeleton curve

對(duì)比不同試件的骨架曲線發(fā)現(xiàn):試件的受拉區(qū)都經(jīng)歷了彈性階段、彈塑性階段及塑性階段。在加載初期試件的力-位移曲線均為直線,試件此時(shí)處于線彈性階段,各試件的骨架曲線走向趨勢(shì)基本相同。超過(guò)屈服點(diǎn)后,隨著拉荷載的增加,骨架曲線的斜率明顯減小,試件開始進(jìn)入強(qiáng)化階段,在荷載小于高強(qiáng)度螺栓抗拉極限荷載前均會(huì)因累積損傷提前發(fā)生斷裂。在受壓區(qū),各個(gè)試件同樣經(jīng)歷這3個(gè)階段,試件在受壓時(shí)線性階段很短,因中部節(jié)點(diǎn)螺栓抗彎剛度很小,很快進(jìn)入彎曲失穩(wěn)狀態(tài),此時(shí)桿件仍然處于彈性階段,只有節(jié)點(diǎn)的高強(qiáng)度螺栓會(huì)受彎屈服,在循環(huán)加載過(guò)程中剛度不斷降低。由圖5可見,8個(gè)不同加載制度的試件骨架曲線,無(wú)論受拉還是受壓均基本重合,只是因損傷積累過(guò)程不同斷裂點(diǎn)會(huì)有所不同。

3.4 承載力退化

圖6 損傷系數(shù)變化圖Fig.6 Change chart of damage coefficient

通過(guò)對(duì)比可以看出:①隨著循環(huán)次數(shù)的增多,各試件的損傷系數(shù)均不斷增大,說(shuō)明損傷是個(gè)不斷累積的一個(gè)過(guò)程。試件SA1和SB1的初始損傷速率相同,隨后在不斷加載中SB1的損傷速率明顯高于SA1,說(shuō)明在等幅加載時(shí),壓荷載越大,進(jìn)入塑形深度越深,損傷速度越快。②試件SC1和SD1雖然初始?jí)汉奢d較小,但是損傷速度卻比SA1的速度快很多,原因在于等幅加載過(guò)程中雖然第一次損傷很大,但也是損傷最大的一次,在此之后試件累積損傷速率逐漸減小。在增幅加載中,由于初始?jí)汉奢d較小,初始損傷積累較小,但隨著壓幅值階梯式增大,損傷速度越來(lái)越快,最后損傷積累變大。③試件SC1和SD1的初始損傷速率基本相同,隨后SD1損傷較SC1慢,原因在于加載初期壓荷載較小,累積損傷較小,隨著壓荷載的不斷增大,SD1的拉幅值較小,損傷積累較小,說(shuō)明拉荷載對(duì)試件的損傷退化行為影響較大。

3.5 耗能能力

在災(zāi)難性地震作用下,結(jié)構(gòu)通過(guò)產(chǎn)生塑性變形以此來(lái)耗散地震的能量,因此研究結(jié)構(gòu)的耗能能力尤為重要。螺栓球節(jié)點(diǎn)組合試件在軸向往復(fù)加載過(guò)程中,產(chǎn)生塑性變形,通過(guò)MATLAB軟件計(jì)算滯回曲線的面積,從而得到試件的耗能情況,如圖7所示為各試件累積耗能情況。

根據(jù)圖7可以看出,耗能順序分別為SA1與SA2、SD1與SD2、SC1與SC2、SB1與SB2,其均值比為1∶0.78∶0.55∶0.47。其原因與高強(qiáng)度螺栓進(jìn)入塑性的深度與范圍,開裂前循環(huán)次數(shù),開裂后裂口面積擴(kuò)展速度,最終斷口形狀等相關(guān)?？傮w來(lái)講,螺栓球節(jié)點(diǎn)的耗能主要來(lái)自高度螺栓的塑性變形,總體耗能能力很小,抗震韌性較差。

圖7 累積耗能曲線Fig.7 Cumulative energy consumption curve

4 結(jié)論

針對(duì)螺栓球節(jié)點(diǎn)組合試件采用4種加載制度進(jìn)行軸向往復(fù)加載試驗(yàn)研究其疲勞性能,得出以下結(jié)論。

(1)在不同加載制度下,螺栓球節(jié)點(diǎn)組合試件的破壞形態(tài)基本相同,破壞發(fā)生在試件的薄弱點(diǎn)-中間螺栓球節(jié)點(diǎn)處,試件經(jīng)歷了彎曲失穩(wěn)、中部節(jié)點(diǎn)的一個(gè)高強(qiáng)螺栓產(chǎn)生裂紋、螺栓裂紋擴(kuò)展直到最終發(fā)生斷裂等過(guò)程。破壞螺栓有頸縮現(xiàn)象,所有螺栓的螺紋絲扣均有較嚴(yán)重變形與磨損,超低周疲勞壽命很短。

(2)加載制度對(duì)試件的超低周疲勞性能影響顯著。在加載初期,等幅加載下試件的損傷退化與滯回耗能的發(fā)展程度大于增幅加載制度下的試件。隨著增幅加載的壓幅值階梯形增大,損傷退化與累積耗能速率呈階梯形增大,且發(fā)展速率大于等幅加載下的試件。

(3)螺栓球節(jié)點(diǎn)組合試件的滯回曲線均出現(xiàn)“捏攏”現(xiàn)象,不飽滿不對(duì)稱耗能能力均較小,抗震韌性也很小。主要為節(jié)點(diǎn)的耗能靠高強(qiáng)度螺栓的塑性變形,但高強(qiáng)度螺栓的體積占比很小,同時(shí)高強(qiáng)度螺栓的塑性變形能力也相對(duì)較小等原因所致。

(4)不同加載制度的試件骨架曲線,無(wú)論受拉還是受壓均基本重合,只是因損傷積累過(guò)程不同斷裂點(diǎn)會(huì)有所不同。

(5)螺栓球節(jié)點(diǎn)組合試件在壓荷載較小時(shí)就發(fā)生彎曲失穩(wěn),表明螺栓球節(jié)點(diǎn)的抗彎剛度很弱,在所連接的桿件失穩(wěn)時(shí),會(huì)誘發(fā)螺栓的折斷,引起結(jié)構(gòu)的連續(xù)破壞。