循環(huán)載荷下扶強材的極限強度試驗研究

傅何琪，鄒路遙，葉帆，吳劍國

(1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011；2.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

0 引言

近年來，單調(diào)載荷作用下加筋板、船體梁的試驗已有較多的研究成果[1– 5]，但對于交變的加載形式即循環(huán)載荷作用下的試驗卻很少。船體梁在波浪中承受中拱與中垂交變彎矩的作用，如果超過彈性范圍，會產(chǎn)生塑性應(yīng)變，最終影響船舶的極限承載力大小[6]，導(dǎo)致加筋板承受平面內(nèi)交變的軸向壓縮與拉伸。Fujita等[7]對“尾道丸”號船的海損事故進行分析，提出了遞增塑性破壞的船體梁破壞新型式。

對于循環(huán)載荷作用下加筋板的極限強度研究，主要集中在理論解析法、有限元法等方面。崔虎威等[8]通過4 個扶強材疏密程度不同和材質(zhì)不同的箱型梁在循環(huán)載荷作用下的試驗，對其極限承載力進行研究。黃震球等[9]對一系列縱向加強筋的箱型薄壁梁模型進行循環(huán)加載下的極限強度試驗，觀察加強筋在循環(huán)加載下的遞增塑性破壞。

加筋板是船體結(jié)構(gòu)的基本形式，扶強材（含帶板）常作為加筋板分析和船體梁極限承載力的逐步迭代法基本單元。對于扶強材在循環(huán)載荷作用下的理論分析和有限元分析已有涉及，許俊等[10]通過有限元分析軟件對加筋板在循環(huán)載荷混合作用下的極限強度進行研究，分析循環(huán)應(yīng)變幅混合作用對極限承載性能的影響。孟志光等[11]提出了一種考慮扶強材在軸向循環(huán)荷載作用下的損傷累積力學(xué)模型，通過Visual Basic 程序編制計算程序，程序計算結(jié)果能與有限元計算結(jié)果較好吻合。但扶強材在循環(huán)載荷作用下的試驗幾乎是空白。

為了驗證扶強材在循環(huán)載荷作用下的極限強度計算方法和結(jié)果，本文設(shè)計了7 個扶強材（含帶板）試件，進行循環(huán)載荷作用下的扶強材（含帶板）極限承載能力試驗，初步獲得了扶強材在循環(huán)載荷作用下的屈曲特性，可為循環(huán)載荷作用下船體梁極限承載力的逐步迭代法奠定基礎(chǔ)。

1 循環(huán)載荷作用下扶墻材極限承載力試驗

1.1 試驗材料及試件

試驗材料為Q235B，所用鋼材的性能參數(shù)取自同批鋼材所加工的拉伸試件共6 個，通過材料拉伸試驗獲得，材料拉伸試件尺寸及性能參數(shù)如表1 所示。

表1 材料性能參數(shù)Tab.1 Material performance parameters

考慮到循環(huán)載荷模式對扶墻材極限承載性能的影響，本次試驗共包含7 個試件。試件橫截面示意圖如圖1所示，各試件的具體尺寸、材料屬性參數(shù)等如表2 所示。

圖1 試件橫截面示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen cross section

表2 模型實際尺寸Tab.2 Actual size of model

1.2 扶強材循環(huán)載荷試驗加載裝置及測點布置

加載裝置及分析系統(tǒng)采用靜力電液伺服加載系統(tǒng)。扶強材試件兩端分別焊接在兩塊端板上，端板與扶強材試件形心重合，形成整體試件。作動器加載頭外力由端板平均作用于加筋板截面上，整體試件兩端由螺栓固定于反力鋼架與作動器之間，試件頂部作動器加載頭為鉸接，試件底部與反力鋼架形成固接。扶強材試件試驗裝配形式如圖2 所示。

圖2 扶強材試件試驗裝配圖Fig.2 Assembly drawing of stiffener specimen test

采用2 臺位移計與1 臺16 通道應(yīng)變儀進行數(shù)據(jù)測量。加筋板共8 個應(yīng)變測點和2 個位移測點，測點位置圖如圖3 所示。其中應(yīng)變測點以測點1～測點8 表示，位移測點以位移測點1、測點2 表示。2 個位移測點中，位移測點1 監(jiān)測試件中間位置的側(cè)向位移，位移測點2 監(jiān)測加強筋角鋼的側(cè)向位移

圖3 試驗測點布置圖Fig.3 Layout of test measuring points

2 扶強材循環(huán)載荷試驗加載機制

為了得到試件的極限承載力，加載系統(tǒng)選取位移控制形式進行試驗。為保證試件在多次軸向加載與卸載過程中不發(fā)生過度變形與整體失穩(wěn)，采用如下加載步驟：

步驟1預(yù)加載，施加2 kN 的初始軸向壓力，進行應(yīng)變儀、位移計的調(diào)整，檢查測量電腦的數(shù)據(jù)采集是否正常。

步驟2正式加載，作動器先下壓至目標位移，到達目標位移后，保持作動器位移固定不變，記錄當(dāng)前的載荷與位移數(shù)據(jù)。然后通過力控制將載荷卸載至“0”，進行下一步反向拉伸，作動器拉伸至目標位移后保持作動器位移固定不變，記錄當(dāng)前的載荷與位移數(shù)據(jù)。再次將載荷卸載至“0”，即完成一個循環(huán)加載。試驗包含3 種加載機制：

1）加載機制Ⅰ采用單調(diào)加壓的形式，直至試件破壞。

2）加載機制Ⅱ采用屈曲前等幅循環(huán)加載。在接近單調(diào)軸壓屈曲位移前，在0.9 倍單調(diào)軸壓屈曲位移處循環(huán)6 次，單調(diào)壓載至試件破壞。

3）加載機制Ⅲ采用屈曲后循環(huán)加載。在單調(diào)軸壓屈曲位移前，按0.9 倍單調(diào)軸壓屈曲位移循環(huán)1 次加載至單調(diào)軸壓屈曲循環(huán)1 次。然后按0.1 倍單調(diào)軸壓屈曲位移分兩級遞增，每級循環(huán)1 次，加載至1.2 倍單調(diào)軸壓屈曲位移后卸載，結(jié)束循環(huán)。

具體加載機制如圖4 所示，其中規(guī)定試件受壓為正，受拉為負。

圖4 加載機制示意圖Fig.4 Schematic diagram of loading mechanism

3 扶墻材循環(huán)載荷試驗結(jié)果及分析

本次試驗共有7 個試件，系列扶強材試件的加載形式按照3 種加載機制進行。

3.1 變形及失效形式

在加載機制Ⅰ作用下，各試件帶板先出現(xiàn)局部屈曲，隨壓力增加，試件出現(xiàn)失穩(wěn)趨勢，直至整體失穩(wěn)產(chǎn)生面外彎曲。

在加載機制Ⅱ加載過程中，隨壓力逐步增加，各試件底部或頂部帶板出現(xiàn)局部屈曲，在接近試件屈曲位移處多次循環(huán)后，局部屈曲處位移隨循環(huán)次數(shù)增加而增加，即使反向拉伸能抵消上一次循環(huán)產(chǎn)生的部分局部屈曲，但局部屈曲處位移總體仍為上升趨勢。

在加載機制Ⅲ加載時，由于已超過試件屈曲位移，每次循環(huán)承載力較上一次循環(huán)結(jié)果下降明顯，各試件失效模式基本為整體失穩(wěn)，同時角鋼兩端部出現(xiàn)側(cè)向位移。

3.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

采用相對應(yīng)力應(yīng)變，根據(jù)試驗結(jié)果，各試件相對應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5 所示。圖中橫坐標為相對應(yīng)變ε/εy，ε為試驗加載頭所施加應(yīng)變，εy為試件屈服應(yīng)變；縱坐標為相對應(yīng)力σ/σy，σ為試驗加載頭所施加應(yīng)力，σy為試件的屈服應(yīng)力。ε，σ按下式進行換算：

圖5 試驗試件相對應(yīng)力應(yīng)變曲線圖Fig.5 Relative stress-strain curve of test specimen

其中：l1為加載頭位移，l2為試件試驗段全長，F(xiàn)為加載頭所施加軸力，A為扶強材試件截面面積。

由于3 種加載機制的變形及破壞模式基本一致，且加載機制Ⅰ僅作為循環(huán)載荷試驗的對照組，因此挑選4-Ⅱ試件為例進行分析。根據(jù)試驗試件應(yīng)變儀及位移計所采集的數(shù)據(jù)，在加載機制Ⅱ作用下試件4-Ⅱ局部屈曲處存在位移累計，位移值隨循環(huán)壓加載次數(shù)增加呈上升趨勢，反向拉伸能抵消部分屈曲位移，但不影響屈曲處位移的上升趨勢。應(yīng)變測點中，帶板同一垂直方向測點1 與測點5 對比，角鋼同一垂直方向測點3 與測點7 對比可知，測點處應(yīng)變隨循環(huán)壓載次數(shù)增加，在負方向即拉伸應(yīng)變方向呈上升趨勢。試件底部測點數(shù)值較試件中部測點數(shù)值變化大，原因是測點處已經(jīng)產(chǎn)生局部屈曲，試件底部局部屈曲變形量大于試件中部，屈曲處存在位移累積。4-Ⅱ試件局部屈曲位移及應(yīng)變?nèi)鐖D6所示，各試件的最大承載力匯總?cè)绫?所示。

圖6 4-Ⅱ試件局部屈曲處位移與應(yīng)變曲線圖Fig.6 Plot of displacement and strain at local buckling of specimen 4-II

4 結(jié)語

本文進行7 個扶強材（含帶板）試件的單調(diào)與循環(huán)載荷下的極限承載力試驗。通過試驗得到了扶強材（含帶板）試件在3 種加載機制下的變形和失效模式以及應(yīng)力應(yīng)變曲線。根據(jù)對試驗結(jié)果的分析，可得以下結(jié)論：

1）7 組試驗中，試件失穩(wěn)形式基本為整體失穩(wěn)。試件出現(xiàn)整體面外彎曲，在加載過程中普遍出現(xiàn)帶板的局部屈曲。

2）循環(huán)加載下試件應(yīng)力應(yīng)變曲線基本呈梭形，同一個應(yīng)變處，循環(huán)曲線接近，表明扶強材試件軸向吸能能力差。

3）循環(huán)載荷下應(yīng)力應(yīng)變曲線與單調(diào)載荷下應(yīng)力應(yīng)變曲線相比，在循環(huán)機制Ⅱ作用下，經(jīng)多次循環(huán)后，試件最大承載力出現(xiàn)下降。循環(huán)機制Ⅲ作用下，經(jīng)多次循環(huán)后，試件承載力下降明顯，且曲線較加載機制Ⅱ曲線與單調(diào)曲線更飽滿。

4）在加載機制Ⅱ作用下，試件產(chǎn)生局部屈曲，且局部屈曲處位移隨循環(huán)次數(shù)增加而增加。反向拉伸雖然能抵消部分屈曲變形，但不能完全消除屈曲變形，局部屈曲處位移隨循環(huán)次數(shù)增加呈上升趨勢。

5）同類型試件之間極限承載力存在一定偏差，與試件加工及試驗過程中加載器具產(chǎn)生偏心加載有關(guān)。本試驗試件相對較少，后續(xù)可增加試驗試件數(shù)量，獲得更穩(wěn)定的試驗數(shù)據(jù)。