加載制度對螺栓球節點組合試件低周疲勞性能的影響

郭凌云,李海旺,宋夏蕓,張 潔

(太原理工大學土木工程學院,太原 030024)

歷史上災難性大地震已給人類造成了無法估量的巨大損失[1]。大跨度空間網格結構的建筑往往在災難地震時為災民提供安全避難場所。因此,大跨度空間網格結構在災難地震作用下的破壞機理與防震減災設計成為了未來建設韌性城市的重要研究課題。已有地震災害表明,在強震作用下大跨度空間網格結構發生超低周疲勞破壞[2]。針對超低周疲勞破壞問題,許多學者已經做出了研究。石永久等[3]對鋼材采用多種加載制度循環加載,研究鋼材的超低周疲勞特性,得出了循環加載對鋼材本構關系的重要影響,為地震荷載下數值模擬提供依據。賈良玖[4]通過對方鋼管短柱進行大塑性循環加載,通過超低周疲勞試驗研究局部屈曲和延性斷裂耦合機理,為結構在強震作用的性能評估提供依據。姚越等[5]、陳學永等[6]、喬永強等[7]、冀濤等[8]通過對管球模型進行軸向往復加載低周疲勞試驗,對管球模型在超低周疲勞下的變形特征、破壞機理、滯回耗能、剛度退化等進行了一系列的研究,為研究網格結構的超低疲勞性能提供了一定基礎。廖芳芳等[9]通過對梁柱焊接節點試件循環加載試驗結果與基于微觀損傷模型有限元模擬分析結果對比,對節點超低周疲勞破壞行為進行預測。

現采用4種加載制度對螺栓球節點組合試件進行超低周疲勞性能試驗研究,以期為大跨度空間網格結構在災難地震作用下的韌性設計提供參考。

1 試件參數及加載裝置

1.1 試件設計

為了研究螺栓球節點組合試件在不同加載制度下的超低周疲勞性能,針對4種加載制度設計了材料以及構造尺寸完全相同的組合試件,每種加載制度2個,共計8個。根據《空間網格技術規程》(JCJ 7—2010)設計試件的節點與桿件,每個組合試件由2根φ60 mm×3.5 mm圓鋼管與3個螺栓球節點組成,上下兩個螺栓球直徑為180 mm,中間螺栓球直徑為100 mm。連接用的4個10.9級M16高強度螺栓球采用20MnTiB鋼材,螺栓球均采用45號鋼,圓鋼管、封板及套筒均為Q235 鋼。試件參數如表1所示。

表1 試件參數Table 1 Specimen parameters

1.2 加載設置

試驗采用FCS電液伺服結構試驗系統對螺栓球節點組合試件進行軸向往復加載試驗,并通過TUST擬靜力試驗控制軟件進行加載控制與數據采集。試驗模型通過上底座與作動器連接,通過下底座與基座連接。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 試驗方法

試驗通過TUST擬靜力分析軟件輸入指令來控制加載,對螺栓球節點組合試件進行4種加載制度下的軸向往復加載試驗并記錄位移與荷載的反饋值,直到試件破壞為止。為了保證試驗的可操控性和安全性,采用位移控制加載方式。根據《金屬材料軸向等幅低循環疲勞破壞方法》(GB/T I5248—2008),設計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%所對應的位移,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%所對應的位移,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,每個拉壓幅值循環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,每個拉壓幅值循環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%所對應的位移圖2 試驗加載制度Fig.2 Test loading system

試驗時先進行小幅值預加載,在確保正確安裝之后,再進行正式加載。

3 試驗結果與分析

3.1 試驗過程

螺栓球節點組合試件在加載過程中,每個試件的變形特征以及破壞形態相似,因此僅對試件SC1的實驗現象進行描述,其典型特征變形狀態如圖3所示。在第1次加載時,試件首先受拉,此時試件處于直立狀態,試件中螺栓受拉進入屈服階段,試件的其他部位沒有明顯變化；在壓第1次時,試件發生失穩,產生明顯的撓曲變形,連接螺栓球的兩個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縫隙,通過裂縫可以觀察到螺栓的螺紋情況；在第2次受拉時,試件再次恢復直立狀態；隨著循環次數的增加,試件的撓曲變形越來越明顯,鋼管的轉角逐漸增大,螺栓球與套筒之間的縫隙也隨之變寬,在壓第10次時,通過螺栓球與套筒之間的縫隙可以看到螺栓產生細微裂紋；隨著加載次數的增加,螺栓受拉一側的縫隙中可見裂縫明顯變深變寬,在達到壓第15次時,螺栓開口,可以通過肉眼看出明顯的損傷情況,螺栓處于破壞的邊緣；在拉第16次時隨一聲巨響,螺栓發生斷裂。破壞后可以發現中間節點下部高強螺栓發生脆性斷裂,螺栓頸縮,所有其他螺栓均發生彎曲變形,螺栓絲扣損傷呈現光亮色。試件發生破壞時循環次數較短,屬于超低周疲勞破壞。

圖3 斷裂過程及結果Fig.3 Fracture process and results

表2所示為所有試件試驗加載過程中各特征變形狀態與循環次數的關系。

表2 變形狀態與循環次數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,每組試驗的兩次重復試件的滯回曲線基本一致,說明試驗穩定、可重復。因此每種加載制度均只選取一個試件進行描述分析。試件SA1、SB1、SC1與SD1的滯回曲線均出現“捏攏”現象,形狀表現不飽滿不對稱,耗能能力有限,造成該現象的原因為:①受拉時,試件桿件均處于彈性階段,只有節點螺栓全截面剛剛進入屈服狀態進行耗能,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,因中部螺栓球節點抗彎剛度較小,試件屈曲后桿件仍處于彈性階段,此時螺栓受彎剪作用,其只有少部分截面進入塑性狀態,耗能能力相對受拉狀態急劇減小。試件在卸載過程滯回曲線不過0點,此時已經出現了較明顯的殘余變形,殘余變形隨著加載次數的增多而不斷增大,說明螺栓損傷是個不斷積累的過程。

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,可見螺栓進入塑性的深度對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,受壓部分變得相對圓滿,造成此現象的原因在于試件采用加載制度C時,其初始加載所受壓位移較小,試件彎曲程度較低,節點螺栓進入塑性程度較低,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%所對應的位移值；受壓加載制度相同。顯然SD1較SC1受拉加載時損傷速度降低,超低周疲勞壽命由SC1的16次提高為21次。

3.3 骨架曲線

螺栓球節點組合試件在軸向往復加載作用下,各次加載的荷載極值點依次連接所形成的包絡曲線為骨架曲線,如圖5所示為各試件的骨架曲線。

圖5 骨架曲線Fig.5 Skeleton curve

對比不同試件的骨架曲線發現:試件的受拉區都經歷了彈性階段、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,試件此時處于線彈性階段,各試件的骨架曲線走向趨勢基本相同。超過屈服點后,隨著拉荷載的增加,骨架曲線的斜率明顯減小,試件開始進入強化階段,在荷載小于高強度螺栓抗拉極限荷載前均會因累積損傷提前發生斷裂。在受壓區,各個試件同樣經歷這3個階段,試件在受壓時線性階段很短,因中部節點螺栓抗彎剛度很小,很快進入彎曲失穩狀態,此時桿件仍然處于彈性階段,只有節點的高強度螺栓會受彎屈服,在循環加載過程中剛度不斷降低。由圖5可見,8個不同加載制度的試件骨架曲線,無論受拉還是受壓均基本重合,只是因損傷積累過程不同斷裂點會有所不同。

3.4 承載力退化

圖6 損傷系數變化圖Fig.6 Change chart of damage coefficient

通過對比可以看出:①隨著循環次數的增多,各試件的損傷系數均不斷增大,說明損傷是個不斷累積的一個過程。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,說明在等幅加載時,壓荷載越大,進入塑形深度越深,損傷速度越快。②試件SC1和SD1雖然初始壓荷載較小,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,由于初始壓荷載較小,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,說明拉荷載對試件的損傷退化行為影響較大。

3.5 耗能能力

在災難性地震作用下,結構通過產生塑性變形以此來耗散地震的能量,因此研究結構的耗能能力尤為重要。螺栓球節點組合試件在軸向往復加載過程中,產生塑性變形,通過MATLAB軟件計算滯回曲線的面積,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。其原因與高強度螺栓進入塑性的深度與范圍,開裂前循環次數,開裂后裂口面積擴展速度,最終斷口形狀等相關。總體來講,螺栓球節點的耗能主要來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 結論

針對螺栓球節點組合試件采用4種加載制度進行軸向往復加載試驗研究其疲勞性能,得出以下結論。

(1)在不同加載制度下,螺栓球節點組合試件的破壞形態基本相同,破壞發生在試件的薄弱點-中間螺栓球節點處,試件經歷了彎曲失穩、中部節點的一個高強螺栓產生裂紋、螺栓裂紋擴展直到最終發生斷裂等過程。破壞螺栓有頸縮現象,所有螺栓的螺紋絲扣均有較嚴重變形與磨損,超低周疲勞壽命很短。

(2)加載制度對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,且發展速率大于等幅加載下的試件。

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

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

(5)螺栓球節點組合試件在壓荷載較小時就發生彎曲失穩,表明螺栓球節點的抗彎剛度很弱,在所連接的桿件失穩時,會誘發螺栓的折斷,引起結構的連續破壞。