鋼夾板-螺栓連接膠合木梁疲勞壽命預測

周建華

（中南林業科技大學土木工程與力學學院，湖南 長沙 410004）

鋼夾板-螺栓連接膠合木具有施工方便、外型美觀以及防火等優點，逐步成為現代木結構中使用較為廣泛的一種連接形式，已有學者研究了其抗彎抗剪等力學性能[1-4]。但在實際工程中，鋼板螺栓連接膠合木梁結構除承受靜力作用外，還會因動荷載作用發生疲勞破壞，因此疲勞性能的研究也是必不可少的。

1 疲勞有限元分析

1.1 模型建立

膠合木梁尺寸[2]為2 500 mm×60 mm×127 mm，而鋼夾板-螺栓連接膠合木梁，是將兩段尺寸為膠合木梁從中間截斷，然后用鋼夾板和螺栓將其連接在一起。螺栓的順紋端距取50 mm、橫紋端距取20 mm。鋼板長600 mm、寬127 mm、厚6 mm，螺栓順紋間距100 mm，其中螺栓直徑6 mm。運用SolidWorks進行建模。

1.2 材性參數

在本文的試驗模型中，忽略木材復雜的各向異性，認為它是均勻理想線彈性材料。材性參數參考試驗數據[5]。

1.3 邊界參數

在分析膠合木與膠合木、膠合木與螺栓、膠合木與鋼板、螺栓與鋼板之間的接觸問題時，將螺栓作為目標面，而膠合木和鋼板作為接觸面，認為它們之間是摩擦接觸[6]。純膠合木梁和鋼夾板-螺栓連接的膠合木梁都設置為簡支約束，跨高比為18，并在計算跨徑的三分點上施加荷載。有限元模型如圖1所示。

2 靜力分析

通過控制豎向位移，得出其荷載變化。將計算結果繪制成曲線，且得到的荷載位移曲線與抗彎性能試驗[2]中基本一致，可以得出膠合木梁的極限荷載約為23.5 kN，同理可得到鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的極限荷載約為25 kN。

3 疲勞壽命對比分析

在Static Structural模塊的solution中插入Fatigue Tools工具，由于膠合木梁是由多個落葉松木材膠合而成，存在木材本身的缺陷，不均勻，比較粗糙，存在木節中等，所以不能太過理想化，適當降低疲勞強度因子并取值為0.7，采用等幅正弦波加載，加載類型是按比例加載，應力比為0.2[5]。由于膠合木并不是純粹的理想的彈性材料，需要引入平均應力理論來修正平均應力與最大應力和最小應力的關系，在這里引入古德曼曲線理論進行修正。因此在這里設計的疲勞壽命也為200萬次即認為無限壽命。疲勞壽命有限元預測結果如表1所示。

表1 疲勞壽命有限元預測結果

S-N曲線的函數形式有冪函數式、指數式及三參數式三種，經過分析，指數式更符合膠合木梁的疲勞壽命變化趨勢，其表達式[7]為：

式（1）中：m和C為與材料性能、加載方式、加載頻率、應力比等有關的參數。將其轉化為對數形式，其表達式為S=ln C/m-ln N/m，簡化為S=A+B ln N。

對數據進行線性回歸分析，得到膠合木梁的疲勞壽命函數表達式為：

同理可以得到鋼夾板-螺栓連接的膠合木梁疲勞壽命函數表達式為：

由表達式得到膠合木梁疲勞極限為12.85 k N，即0.55 Fu；鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的疲勞極限為12.15 kN，即0.49 Fu。

4 分析總結

鋼夾板-螺栓連接膠合木梁作為一種接長膠合木梁的方式，相比較純膠合木梁，其極限承載力提升了6%，疲勞極限強度下降了5.5%，但隨著應力水平提升疲勞壽命下降更為緩慢，說明鋼夾板-螺栓連接方式一定程度上抑制了膠合木梁疲勞裂紋的開展。

膠合木梁疲勞損傷如圖2所示。鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的木梁疲勞損傷如圖3所示。

圖2 膠合木梁疲勞損傷圖

圖3 鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的木梁疲勞損傷

兩種結構的疲勞損傷方式不同，純膠合木梁主要表現受壓側和受拉側的疲勞損傷直至破壞，鋼夾板-螺栓連接膠合木梁主要表現為膠合木梁螺栓孔的局部損傷破壞，驗證了鋼夾板-螺栓連接方式抑制了疲勞裂紋的產生。

5 結論

通過對模擬數據進行線性回歸分析，初步給出了純膠合木梁和鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的S-N曲線及數學表達式，得出鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的疲勞壽命下降速率比純膠合木梁更緩慢。

純膠合木梁和鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的疲勞損傷形態不同，純膠合木梁主要表現在受壓側和受拉側疲勞損傷，鋼夾板-螺栓連接膠合木梁主要表現為膠合木梁中螺栓孔的拉壓損傷，抑制了膠合木梁表面受壓側和受拉側的疲勞損傷。