ST12材質(zhì)焊接工字形鋼支撐低周疲勞性能模擬及分析

于海豐，鄒丹丹

（1.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學(xué)圖書館，河北石家莊 050018）

ST12材質(zhì)焊接工字形鋼支撐低周疲勞性能模擬及分析

于海豐1，鄒丹丹2

（1.河北科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北科技大學(xué)圖書館，河北石家莊 050018）

前期的滯回性能模擬證實(shí)有限元可較精確地模擬ST12材質(zhì)焊接工字形鋼支撐試件表面的應(yīng)力應(yīng)變分布。采用基于應(yīng)力應(yīng)變的3種臨界面損傷模型預(yù)測(cè)了支撐的低周疲勞損傷及壽命，結(jié)果表明臨界面法可較精確預(yù)測(cè)裂紋開裂位置，預(yù)測(cè)結(jié)果均低于試驗(yàn)結(jié)果。基于臨界面法的預(yù)測(cè)結(jié)果回歸了壽命估算公式，并與基于試驗(yàn)結(jié)果的估算公式進(jìn)行了比較分析，證實(shí)了影響支撐低周疲勞性能的主要因素是長(zhǎng)細(xì)比和翼緣寬厚比。建議設(shè)計(jì)支撐時(shí)在滿足“小震”不失穩(wěn)的前提下，在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，盡量采用具有較大長(zhǎng)細(xì)比和較小翼緣寬厚比的支撐，以延長(zhǎng)支撐的低周疲勞壽命。

工字形鋼支撐；低周疲勞；數(shù)值模擬；長(zhǎng)細(xì)比；翼緣寬厚比

支撐的低周疲勞性能對(duì)中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)的抗震性能有至關(guān)重要的影響。在罕遇地震時(shí)，一旦支撐斷裂，結(jié)構(gòu)易在局部層間形成薄弱層甚至可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體倒塌 因此對(duì)其低周疲勞性能展開研究是十分有意義的。

在文獻(xiàn)［2］試驗(yàn)研究及文獻(xiàn)［3］支撐滯回性能模擬的基礎(chǔ)上，筆者對(duì)文獻(xiàn)［2］的低周疲勞性能試驗(yàn)進(jìn)行了基于臨界面法的數(shù)值模擬，綜合考慮了材料、幾何非線性的影響，詳細(xì)分析了支撐的裂紋開裂位置，預(yù)測(cè)了支撐的低周疲勞壽命。基于數(shù)值模擬結(jié)果，回歸了支撐低周疲勞壽命估算公式，并與基于試驗(yàn)結(jié)果的壽命估算公式進(jìn)行了對(duì)比，分析了影響支撐低周疲勞性能的相關(guān)參數(shù)，給出了支撐設(shè)計(jì)的相關(guān)建議。

1 試驗(yàn)概況及數(shù)值模型的建立

文獻(xiàn)［2］試驗(yàn)試件為兩端鉸接ST12材質(zhì)焊接工字形截面鋼支撐。試件基本尺寸如表1所示。為模擬試件在罕遇地震時(shí)受到的拉、壓載荷及試驗(yàn)安全有效的進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)先在彈性范圍內(nèi)預(yù)加反復(fù)載荷?0.25δy，?0.5δy，?0.75δy，之后進(jìn)入彈塑性等幅對(duì)稱加載階段。試驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行。為模擬地震時(shí)的應(yīng)變速率，循環(huán)周期取7.5 s。

表1 試件情況一覽表Tab.1 Specimens of bracing members

文獻(xiàn)［3］借助ABAQUS軟件，采用殼元對(duì)ST12材質(zhì)焊接工字形鋼支撐的滯回性能進(jìn)行了模擬，結(jié)果表明有限元可較精確模擬支撐試件表面的應(yīng)力應(yīng)變分布。基于此研究結(jié)論，筆者采用文獻(xiàn)［3］的數(shù)值模型開展支撐的低周疲勞性能研究，模型如圖1所示。

2 低周疲勞損傷預(yù)測(cè)

支撐在往復(fù)載荷下的疲勞問題是比較典型的多軸低周疲勞問題。目前關(guān)于多軸低周疲勞損傷預(yù)測(cè)多采用臨界面法［4］。常用的臨界面損傷模型有主應(yīng)變模型［4］、最大剪應(yīng)變模型［4］以及BROWN-MILLER組合應(yīng)變模型［4］。這些模型實(shí)質(zhì)上是建立了應(yīng)力應(yīng)變與循環(huán)次數(shù)N f的關(guān)系。如式（1）所示的主應(yīng)變模型：

圖1 有限元模型Fig.1 Numerical model

式中：εa為經(jīng)歷最大主應(yīng)變振幅平面上的主應(yīng)變振幅；，和c分別是與疲勞相關(guān)的系數(shù)或指數(shù)，稱為材料疲勞性能參數(shù)；σm為平均應(yīng)力。

筆者借助上述3種臨界面損傷模型（材料疲勞性能參數(shù)由Seeger近似法［5］估算）估算了支撐的裂紋萌生壽命。基本步驟如下：將通過ABAQUS彈塑性有限元分析得到的試件上下表面積分點(diǎn)處應(yīng)力－應(yīng)變張量結(jié)果分解到該積分點(diǎn)的每一個(gè)可能臨界面上（以10°為增量幅），并對(duì)應(yīng)變荷載譜進(jìn)行雨流法計(jì)數(shù)及損傷計(jì)算；一旦某個(gè)積分點(diǎn)在可能臨界面上的累積損傷（按Miner線性累積損傷準(zhǔn)則［6］計(jì)算）最大值等于1.0時(shí)，裂紋萌生，此時(shí)的循環(huán)次數(shù)即為裂紋萌生壽命。

3 裂紋開裂位置及壽命預(yù)測(cè)

圖2給出了裂紋萌生時(shí)（按照主應(yīng)變模型估算），典型試件PS4-1跨中區(qū)域翼緣疲勞損傷分布規(guī)律。可見，局部屈曲越嚴(yán)重的地方，損傷也越大。預(yù)測(cè)裂紋最先在彎曲受壓側(cè)翼緣板尖端局部屈曲方向內(nèi)側(cè)出現(xiàn)，與文獻(xiàn)［2］的模擬結(jié)果相反，與試驗(yàn)結(jié)果一致。由分析知，翼緣板件屬于薄板，局部屈曲位置的變形以彎曲變形為主，拉壓載荷交替變化過程中，沿支撐桿件軸向方向板件彎折方向內(nèi)側(cè)應(yīng)變的變化量應(yīng)高于板件彎折方向外側(cè)，故板件彎折方向內(nèi)側(cè)的損傷應(yīng)高于外側(cè)，這也證實(shí)了本文基于臨界面法的模擬結(jié)果和試驗(yàn)觀測(cè)到的裂紋位置是正確的。

圖2 試件PS4-1損傷分布Fig.2 Fatigue damage of the specimen PS4-1

圖3給出了基于3種臨界面損傷模型的預(yù)測(cè)壽命與試驗(yàn)實(shí)測(cè)壽命的對(duì)比圖。可見，預(yù)測(cè)壽命基本在試驗(yàn)實(shí)測(cè)壽命的3倍分散帶內(nèi)，且均低于試驗(yàn)實(shí)測(cè)壽命，主要原因在于試驗(yàn)實(shí)測(cè)值是借助肉眼觀測(cè)到的宏觀裂紋時(shí)的壽命值，數(shù)值模擬中的預(yù)測(cè)壽命僅僅是積分點(diǎn)處的累積損傷最大值達(dá)到1.0時(shí)的壽命，二者在物理意義上存在一定差別。

4 低周疲勞性能影響因素分析

圖3 試驗(yàn)壽命與預(yù)測(cè)壽命比較Fig.3 Comparison of the predicted and experimental lives

文獻(xiàn)［2］基于試驗(yàn)實(shí)測(cè)壽命回歸了估算支撐低周疲勞壽命的經(jīng)驗(yàn)公式，但該公式?jīng)]有考慮焊縫對(duì)翼緣和腹

考慮到試驗(yàn)實(shí)測(cè)值受觀測(cè)者的影響較大，該經(jīng)驗(yàn)公式不能較準(zhǔn)確考慮各因素對(duì)支撐低周疲勞性能的影響，而基于臨界面法預(yù)測(cè)的支撐低周疲勞壽命則不受這些因素的影響。因此，筆者基于臨界面法的預(yù)測(cè)結(jié)果回歸了支撐低周疲勞壽命的估算公式，如式（3）－式（5）所示。

對(duì)照式（2）－式（5），可見λ越大，b／t越小，支撐低周疲勞壽命越高；式（2）認(rèn)為h0／tw越大，支撐低周疲勞壽命越高，式（3）－式（5）中沒有考慮h0／t w對(duì)支撐低周疲勞壽命的影響。從分析角度講，h0／t w越大，腹板對(duì)翼緣約束作用越小，局部屈曲越容易出現(xiàn)，支撐低周疲勞壽命越低，但考慮到支撐低周疲勞開裂主要集中在翼緣尖端，受腹板高厚比影響不會(huì)太大，這也是式（3）－式（5）忽略該因素、式（2）直接將該因素對(duì)支撐低周疲勞壽命影響給出相反結(jié)論的原因。

以上研究表明，在罕遇地震時(shí)某些支撐不可避免會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)的情況下，為避免其斷裂而退出工作，支撐設(shè)計(jì)時(shí)在滿足“小震不失穩(wěn)”及相關(guān)規(guī)范［7］允許的前提下，應(yīng)該盡量采用較小翼緣寬厚比和較大長(zhǎng)細(xì)比。

5 結(jié) 語(yǔ)

在綜合考慮材料、幾何非線性影響的基礎(chǔ)上，對(duì)ST12材質(zhì)焊接工字形鋼支撐的低周疲勞性能進(jìn)行了基于臨界面法的數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，臨界面法可較精確地預(yù)測(cè)裂紋萌生位置；預(yù)測(cè)壽命基本在實(shí)測(cè)壽命的3倍分散帶內(nèi)，且均低于實(shí)測(cè)壽命。在此基礎(chǔ)上，基于試驗(yàn)實(shí)測(cè)值和臨界面法預(yù)測(cè)結(jié)果分別回歸了支撐裂紋萌生壽命的估算公式，并進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了影響支撐低周疲勞性能的主要因素是長(zhǎng)細(xì)比和翼緣寬厚比。建議在滿足“小震不失穩(wěn)”及相關(guān)規(guī)范允許的前提下，支撐應(yīng)基于采用較小翼緣寬厚比和較大長(zhǎng)細(xì)比的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

［1］RAI D C，GOEL S C.Seismic evaluation and upgrading of chevron braced frames［J］.Journal of Constructional Steel Research，2003，59（8）：971-994.

［2］連尉安.焊接工字形鋼支撐低周疲勞性能及其應(yīng)用研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.

［3］于海豐，連尉安.ST12材質(zhì)焊接工字形鋼支撐滯回性能數(shù)值模擬［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)（Journal of Hebei University of Science and Technology），2011，32（6）：628-634.

［4］英國(guó)FE-SAFE公司駐京辦事處.FE-SAFE軟件使用指南［M］.［S.l.］：［s.n.］，2003.

［5］姚衛(wèi)星.結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.

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Numerical simulation and analysis on low cycle fatigue behavior of ST12 welded I-section steel bracing members

YU Hai-feng1，ZOU Dan-dan2
（1.College of Civil Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China；2.Library，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang Hebei 050018，China）

The research has demonstrated that the stress and strain distribution on the surface of the ST12 welded I-section steel bracing members gained by numerical analysis is in accordance with the true distribution.In this paper，three critical plane damage models，established based on the relationship between the strain and the low cycle fatigue life，are used to simulate the damage and predict the low cycle fatigue lives of the ST12 welded I-section bracings.The results show that，the location of the crack initiation can be predicted accurately，and the predicted lives are all less than the test ones.The empirical formulas are regressed and compared with the empirical formula obtained by the test results.It is verified that the main factors affecting the low cycle fatigue life are the flange width-thickness ratiob／tand the slendernessλ.Under the premise of meeting the design requirement of"no buckling under frequent earthquake"and the allowable range of standards，it is suggested that smallb／tand largeλshould be adopted in the brace design.

welded I-section steel bracing member；low cycle fatigue property；numerical simulation；slenderness ratio；flange width-thickeess ratio

TU391；TU317.1

A

1008-1542（2012）04-0360-04

2012-02-14；責(zé)任編輯：馮 民

河北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（10276914）；河北科技大學(xué)校立基金資助項(xiàng)目 （XL201032）；河北科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（QD201052）

于海豐（1980-），男，遼寧興城人，講師，博士，主要從事鋼結(jié)構(gòu)抗震方面的研究。