裝配式建筑梁柱節(jié)點低周疲勞損傷識別研究

陳墨

(安徽工業(yè)經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051)

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)的疲勞行為可劃分為兩種不同模式：低周疲勞與高周疲勞[1]。低周疲勞產(chǎn)生的主要原因為循環(huán)塑性應(yīng)變，以高應(yīng)力-應(yīng)變與低循環(huán)壽命為特點，結(jié)構(gòu)的時效循環(huán)次數(shù)較少[2]。高周疲勞則由彈性范圍內(nèi)循環(huán)荷載對應(yīng)的應(yīng)力與應(yīng)變造成，失效循環(huán)次數(shù)較多。低周疲勞是裝配式建筑結(jié)構(gòu)面臨的主要問題，也是威脅裝配式建筑安全運行的主要影響因素[3]。當(dāng)裝配式建筑梁柱節(jié)點發(fā)生低周疲勞失效時，將導(dǎo)致裝配式建筑發(fā)生斷裂事故，造成嚴重的財產(chǎn)損失與人員傷亡。為避免裝配式建筑結(jié)構(gòu)因低周疲勞損傷產(chǎn)生嚴重危險事故，本文研究裝配式建筑梁柱節(jié)點低周疲勞損傷識別方法。識別方法為通過梁柱節(jié)點低周疲勞壽命評估與低周疲勞損傷失效準(zhǔn)則確定裝配式建筑梁柱節(jié)點低周疲勞損傷情況。

1 裝配式建筑梁柱節(jié)點低周疲勞損傷識別方法

1.1 梁柱節(jié)點低周疲勞壽命評估

裝配式建筑梁柱節(jié)點在疲勞荷載影響下，有較大概率產(chǎn)生不同類型的應(yīng)力集中現(xiàn)象[4]，當(dāng)疲勞荷載影響達到一定值時，會出現(xiàn)塑性變形，塑性變形會對裝配式建筑梁柱節(jié)點的延性產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)裝配式建筑梁柱節(jié)點材料的屈服點與其應(yīng)力幅值相比較低時，需調(diào)整材料的彈性應(yīng)力幅值，以此獲取真實應(yīng)力幅值[5]。

在評估裝配式建筑梁柱節(jié)點低周疲勞壽命時采用S-N曲線分析法，在低周疲勞壽命評估過程中引入高周疲勞分析理論，在合理的設(shè)定條件下，以應(yīng)變幅取代S-N曲線內(nèi)的應(yīng)力幅，同時對應(yīng)轉(zhuǎn)換相關(guān)參數(shù)[6]，由此完成裝配式建筑梁柱節(jié)點低周疲勞分析，詳細分析過程如下。

循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線同Neuber雙曲線圖，見圖1。

圖1 循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線同Neuber雙曲線

Neuber雙曲線方程可通過式(1)描述：

(1)

式中:σn和S分別表示名義應(yīng)力和通過線性分析獲取的裝配式建筑梁柱節(jié)點位置應(yīng)力集中系數(shù)；W和σa分別表示彈性模型和真實熱點應(yīng)力；m和K′均為材料系數(shù)，兩者可由實驗獲取。

基于以上過程獲取真實熱點應(yīng)力σa后，利用Ramberg-Osgood方程可獲取裝配式建筑梁柱節(jié)點的真實應(yīng)變εnl：

(2)

通過式(2)能夠確定裝配式建筑梁柱節(jié)點的偽熱點應(yīng)力σp：

σp=Wεnl

(3)

基于偽熱點應(yīng)力σp，參考國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對裝配式建筑梁柱節(jié)點設(shè)定的不同連接形式的S-N曲線，能夠確定裝配式建筑梁柱節(jié)點的低周疲勞壽命(即疲勞荷載循環(huán)次數(shù))M：

(4)

式中，ν和b均為材料常數(shù)，可通過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中所示的疲勞細節(jié)類型確定[7-8]。

1.2 低周疲勞損傷失效準(zhǔn)則

確定低周疲勞損傷準(zhǔn)則是識別裝配式建筑梁柱節(jié)點低周疲勞損傷的前提[9]，以此為基礎(chǔ)能夠確定裝配式建筑梁柱節(jié)點的疲勞壽命。此處需著重提出一點，裝配式建筑結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的損傷失效并非節(jié)點完全損壞，還包含梁柱節(jié)點整體與局部構(gòu)建屈曲、梁柱節(jié)點所用材料的循環(huán)軟化或硬化，以及不同梁柱節(jié)點間連接件受損等[10-11]?；诖?，可選取以能量耗散與等效位移幅度的低周疲勞為基礎(chǔ)的疲勞損傷失效準(zhǔn)則識別裝配式建筑梁柱節(jié)點的低周疲勞損傷情況。

以能量耗散性能下降為指標(biāo)分析疲勞損傷失效準(zhǔn)則最初應(yīng)用于分析半剛性梁柱節(jié)點的低周疲勞[12]。通過梁柱節(jié)點疲勞荷載條件下的最終能量耗散系數(shù)φf與最初能量耗散系數(shù)φ0確定低周疲勞壽命，公式描述如下：

(5)

式中，αf表示比例系數(shù)，可通過梁柱節(jié)點類型與材料特性的實驗結(jié)果擬合確定αf取值。在αf取值為0.5的條件下可獲取較為精準(zhǔn)的梁柱節(jié)點低周疲勞壽命[13]。φf與φ0可通過實際梁柱節(jié)點的能量耗散與理想彈塑性材料梁柱節(jié)點的能量耗散比值確定，公式描述如下：

(6)

(7)

式(6)、(7)中：Ec和Ef分別表示最終實際梁柱節(jié)點的能量耗散與最初實際梁柱節(jié)點的能量耗散；E0和Ec0分別表示最終理想彈塑性材料梁柱節(jié)點的能量耗散和最初理想彈塑性材料梁柱節(jié)點的能量耗散。在常幅疲勞荷載條件下，Ec與Ec0相等，基于此，可簡化式(5)得到：

(8)

(9)

計算結(jié)果受疲勞荷載循環(huán)次數(shù)M波動的影響，獲取的梁柱節(jié)點產(chǎn)生低周疲勞損傷失效的循環(huán)次數(shù)合理。

在確定αf時，可通過觀察裝配式建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件，利用梁柱節(jié)點的位移幅確定并識別梁柱節(jié)點的低周常幅度疲勞損傷破壞模式，以Δβth表示位移門檻值，其值可由實驗確定，即靜載條件下梁柱節(jié)點極限強度條件下位移量的兩倍；同時Δβth值也可通過當(dāng)前實驗數(shù)據(jù)擬合的方法確定，公式描述如下：

(10)

式中:βz表示擬合系數(shù)；γ表示焊縫與梁柱節(jié)點構(gòu)造細節(jié)相關(guān)的參數(shù)，在焊縫與梁柱節(jié)點構(gòu)造細節(jié)抗疲勞狀況較好或較差的條件下，γ值分別取1.0和0.5；ξ表示無量綱系數(shù)；θw和θf分別表示梁腹板的高厚比系數(shù)和梁翼緣的寬厚比系數(shù)，兩個系數(shù)可通過以下公式確定：

(11)

(12)

式中：Gw表示梁腹板的高度;tw表示梁腹板的厚度；yf表示梁翼緣的寬度;tf表示梁翼緣的厚度。

對焊接裝配式建筑構(gòu)件與梁柱節(jié)點進行低周疲勞測試，依照所施加的位移幅Δβ和位移幅門檻值Δβth的比值可將裝配式建筑梁柱節(jié)點低周疲勞損傷模式劃分為3種[15]，如式(13)所示：

(13)

2 實驗分析

為驗證本文研究的裝配式建筑梁柱節(jié)點低周疲勞損傷識別方法的有效性，選取裝配式建筑中T型管狀的梁柱節(jié)點為研究對象，以Abaqus 6.13版有限元軟件為分析平臺，采用本文方法識別其在外循環(huán)載荷影響下的低周疲勞損傷情況。

所選研究對象幾何尺寸如圖2所示，該節(jié)點為T型管。

圖2 研究對象幾何形狀與尺寸

根據(jù)圖2所示的研究對象的幾何形狀和尺寸，設(shè)定研究對象材料循環(huán)應(yīng)力、應(yīng)變行為滿足Ramberg-Osgood方程，研究對象的材料系數(shù)與應(yīng)力、應(yīng)變曲線如圖3所示。

(a)弦桿

(b)撐桿圖3 研究對象材料的應(yīng)力與應(yīng)變曲線

根據(jù)圖3所示，研究對象材料分為弦桿和撐桿，其中弦桿應(yīng)變曲線比撐桿應(yīng)變曲線的變化幅度更陡。利用Abaqus 6.13版有限元軟件對研究對象進行非線性有限元分析，以8節(jié)點殼單元S8R為網(wǎng)格，根據(jù)DNV-RP-C203規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)給定研究對象網(wǎng)格尺寸做法，研究對象有限元模型節(jié)點局部細化網(wǎng)格示意圖如圖4所示。

圖4 研究對象有限元模型節(jié)點局部細化網(wǎng)格示意圖

根據(jù)圖4有限元模型節(jié)點局部細化網(wǎng)格，設(shè)定研究對象有限元模型邊界條件，并施加載荷。為分析低周疲勞循環(huán)條件下研究對象裂紋發(fā)生的初始區(qū)域與裂紋終結(jié)區(qū)域，獲取低周疲勞循環(huán)條件下研究對象的缺口根部與中心處損傷的對比波動情況，該對比波動情況是隨循環(huán)次數(shù)的提升而提升的，具體對比波動結(jié)果如圖5所示。

圖5 低周疲勞損傷對比波動情況

分析圖5得到，隨著低周疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，位移幅與位移幅門檻值的比值也顯著提升，由此說明研究對象低周疲勞損傷裂紋發(fā)生的初始區(qū)域為研究對象中心處，這一結(jié)論符合相關(guān)學(xué)者的實驗結(jié)論。依照本文的低周疲勞壽命評估方法，確定研究對象低周疲勞壽命設(shè)計曲線，如圖6所示。

圖6 低周疲勞S-N曲線

根據(jù)圖6能夠看出偽熱點應(yīng)力值隨著研究對象的低周疲勞壽命(即疲勞荷載循環(huán)次數(shù))的增加而降低，在低周疲勞壽命為200月時，偽熱點應(yīng)力為200 MPa。其原因是疲勞損傷失效準(zhǔn)則可以有效描述梁柱節(jié)點的受損破壞模式，同時參考梁柱節(jié)點的強度與能量耗散等特征參數(shù)，提升裝配式建筑梁柱節(jié)點疲勞設(shè)計的安全性。通常情況下，可將梁柱節(jié)點靜載強度理論作為基礎(chǔ)判斷梁柱節(jié)點的高周疲勞損傷壽命。

3 結(jié)論

裝配式建筑梁柱節(jié)點有較大概率產(chǎn)生低周疲勞損傷，低周疲勞損傷造成梁柱節(jié)點脆性斷裂的同時還有較大概率對建筑整體的延性性能與能量耗散產(chǎn)生影響。為此本文研究裝配式建筑梁柱節(jié)點低周疲勞損傷識別方法，通過低周疲勞壽命評價與低周疲勞損傷失效準(zhǔn)確判斷裝配式建筑梁柱節(jié)點損傷情況。隨著低周疲勞循環(huán)次數(shù)的提升，位移幅與位移幅門檻值的比值顯著提升，本文設(shè)計的方法可以提升裝配式建筑梁柱節(jié)點疲勞設(shè)計的安全性。期望本文的研究能夠為裝配式建筑的應(yīng)用提供更有效、更廣泛的理論基礎(chǔ)與應(yīng)用支撐。