過渡平板支座節點在超低周疲勞試驗中錨栓的損傷累積試驗研究

王 強， 李海旺， 宋夏蕓， 王興宇

(太原理工大學土木工程學院,太原 030024)

時至今日,地震依然是人們無法預告、控制和避免的最殘酷的自然災害之一,災難性地震發生時常常會造成無法估量的巨大損失。網格結構的建筑在震后通常可作為臨時的應急避難場所[1],因此確保網格結構在災難地震作用下的安全性能成為防災減災領域的重要研究課題[2-3]。支座節點作為網格結構中上部網架和下部支承體系的連接部位,在地震中受力復雜,它的破壞將直接影響到整體結構的安全性及震后繼續使用的功能。目前,中國學者對鋼結構以及平板支座的超低周疲勞破壞的研究已經取得了一定的成果。羅云蓉等[4]對Q235鋼結構材料進行超低周疲勞性能研究,得出材料超低周疲勞循環響應特征,建立了試驗鋼的超低周疲勞應變-壽命計算模型；王志宇等[5]對鋼框架梁柱節點在地震荷載作用下的低周疲勞損傷積累的分析方法和損傷積累分析模型進行了綜述性介紹；崔瑤等[6]主要針對砂漿層厚度對平板支座的抗震性能的影響開展了有限元參數研究,在平板支座抗震性能的受力機理及錨栓的傳力機制等方面取得了成果；廖芳芳等[7]主要對方鋼管柱與H型鋼梁直接焊接節點在往復荷載下進行試驗與有限元分析，并采用兩種模型進行了斷裂預測,得出微觀斷裂判據對鋼結構節點的超低周疲勞斷裂預測有較好的適用性；石永久等[8]針對擴大型梁柱節點進行反復荷載下破壞試驗,得出焊接質量是防止節點脆性破壞的首要保證的結論；熊俊[9]對鋼框架焊接節點焊縫區域和節點整體進行了試驗研究,分析了節點焊縫開裂和整體性能損傷的物理機理,研究了適用于焊接節點開裂和損傷分析的有限元方法及損傷演化方程,并提出了考慮損傷過程的焊接節點簡化計算模型。然而目前有關災難地震作用下鋼結構的超低周疲勞研究仍主要集中在材料本構及鋼框架節點上,關于整體支座節點的超低周疲勞研究仍然很少。

基于此,以用于中小跨度網架的過渡平板支座為研究對象,對其開展超低周疲勞試驗,主要研究支座節點在不同的豎向力、水平方向大位移往復加載下錨栓及底板傾角變化規律,進而研究整體支座節點中錨栓的損傷累積過程,為震后平板支座節點剩余承載力評估提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗加載裝置

為模擬試件實際受力狀況，設計了雙向加載裝置，整體布置如圖1所示。通過FCS(fieldbus control system,現場總線控制系統)電液伺服加載系統對網架過渡平板支座施加水平往復荷載,作動器基座位置通過連接板錨固于實驗室大型剪力墻上,機身上部設置兩道可調拉索錨固于剪力墻上。加載過程中為防止作動器發生平面外擺動,在作動器前身左右兩側與反力架之間設置可調拉索,同時為防止作動器加載時機身上抬設置可調高強螺母螺栓組件卡入作動器機身與上部反力架短梁間，如圖1所示,使用千斤頂施加豎向荷載,千斤頂基座錨固于平板滑移小車上,平板滑移小車固定于反力架上部橫梁上,以保證水平加載過程中豎向力可隨支座進行水平移動,不致發生過大偏心。千斤頂活塞與法蘭盤通過高強度螺栓連接,法拉盤與球鉸相連,球鉸可抗拔并承壓,用以釋放加載過程中平板支座可能產生的過大傾角。安裝實物圖如圖2所示。

圖1 加載裝置整體布置Fig.1 Overall layout of loading device

圖2 安裝實物圖Fig.2 Actual installation drawing

1.2 試驗試件設計

針對用于中小跨度為30～40 m的螺栓球網架的支座節點,依據《空間網格技術規程》(JGJ 7—2010)[10]設計了足尺的支座節點。試驗試件所用肋板、底板、過渡板及4根錨栓均采用Q235B級鋼,螺栓球直徑為180 mm,材料為45號鋼。錨栓與過渡板采用塞焊連接,并將過渡板上焊接的錨栓編號為錨栓1、2、3、4,過渡板與底柱柱面使用8個M16定位螺栓及4個沉頭螺栓連接。試件尺寸及構造如表1及圖3所示。

單位：mm圖3 試件尺寸及構造Fig.3 Specimen size and structure

表1 試件基本參數Table 1 Basic parameters of specimen

在實際工程中為釋放溫度應力產生的水平位移,常在支座底板開長圓孔,但由于安裝過程中的一系列原因,長圓孔并不能發揮作用。為保證支座節點在一定范圍內能自由水平滑動,在支座底板與過渡板之間加鋪聚四氟乙烯板,減小過渡板與支座底板間的摩擦力。

1.3 試驗加載及量測

試驗采用雙向加載方案,豎向力恒定,橫向采用增幅位移控制加載,以螺栓球沿加載正方向移動時為加載正向,反之為負向。加載位移幅值從2 mm開始,每級增幅2 mm,每級幅值循環3次,水平位移加載頻率為0.1 Hz,直至試件破壞,如圖4所示。

圖4 加載方案Fig.4 Loading plan

錨栓傾角和支座整體傾角作為支座節點損傷累積最直觀的的表現形式,因此主要針對錨栓傾角及支座整體轉角進行研究,需在4個錨栓上分別布置4個SVT626T雙軸數字型傾角計,實時跟蹤測量支座錨栓傾角的變化,得出不同豎向力下錨栓傾角的變化規律；借助Artec EVA 3D掃描儀對試驗前后的試件模型重塑對比后發現,試件在加載前后底板、肋板以及螺栓球均無明顯塑性變形,故可認為支座底板傾角即為整個支座的轉角,需在支座底板東西兩側布置兩個傾角儀,得出加載過程中整體支座節點隨加載循環過程的傾角變化規律。

2 試驗結果分析

2.1 試件破壞過程

試驗過程中試件S01～S04破壞過程及結果基本相似,圖5僅示出試件S01的破壞過程。試件在初始小位移加載時底板不會移動,隨著加載位移增大,支座底板開始平移,隨后錨栓根部與長圓孔孔壁接觸,底板開始上抬,繼續循環加載后底板傾角及錨栓傾角越來越大,卸載后錨栓殘余變形顯著。由于豎向力不同,試件S01和S03在底板滑移、抬起等時刻循環次數有所差異,試件S01在第13次、S03在10第次正向加載時克服摩擦力開始移動,隨著循環次數的增加,S01在第22次、S03在第19次正向加載時底板抬起,后續循環加載底板抬起高度明顯增加,S01在正向加載32 mm第47次時、S03在正向加載34 mm第51次時錨栓1斷裂,之后的循環加載中S01在49次時錨栓2、3斷裂,S03在負向加載第51次錨栓3、4斷裂,負向加載第52次時錨栓2斷裂,支座完全失效。表2所示為試件S01～S04在失效過程中各狀態與循環次數的結果。

圖5 試件S01破壞過程Fig.5 Failure process of specimen S01

表2 支座特征狀態與循環次數Table 2 Bearing characteristic state and cycle times

試驗表明在往復荷載作用下過渡平板支座節點中錨栓的斷口截面具有明顯的超低周疲勞破壞特征。如圖6所示,兩試件的斷口截面均明顯可分為3個區域:裂縫起源區、裂縫擴展區及瞬斷區。斷裂后的錨栓均產生了不可恢復的彎曲變形,錨栓根部也發生了頸縮現象。

圖6 試件錨栓斷口Fig.6 Specimen anchor bolt fracture

2.2 錨栓傾角隨循環次數變化規律

4根錨栓的傾角在往復加載的過程中表現出明顯的規律變化。圖7和圖8所示為試件S01和S03的4根錨栓傾角變化曲線,兩試件錨栓傾角均隨循環次數呈現“階梯式”增長趨勢,但因豎向力的不同而有所差異。試件S01的4根錨栓傾角在正負向加載及卸載均保持較一致變化,隨著加載幅值的增加,錨栓傾角均呈現“階梯式”增長趨勢,表明錨栓在往復荷載作用下由于受到的水平力及上拔力增加導致錨栓根部軟化使得錨栓傾角增加。當正向加載時,錨栓1承受的上拔力最大,反之為錨栓2。錨栓1在正向位移加載、錨栓2在負向位移加載時傾角變化更為明顯,增長速率也更快,表明錨栓1在正向位移作用下和錨栓2在負向位移作用下損傷積累比較快,當損傷積累到一定程度時錨栓1根部左側和錨栓根部右側首先出現裂縫,隨后錨栓根部另一側也產生裂縫,錨栓1、2傾角在加載第44次時急劇變大說明此時兩錨栓損傷嚴重,即將失效。錨栓3和錨栓4在正負向加載時受到的力基本相同,二者的傾角變化在正負向加載基本呈現對稱式增加,錨栓3和錨栓4在正負向加載及卸載過程中傾角均隨著加載幅值的增加而緩慢增加,表明兩錨栓損傷緩慢積累,當損傷累積到一定程度時錨栓根部左側在正向加載時產生裂縫,錨栓根部右側在負向加載時開裂。

試件S03在加載過程中的錨栓傾角變化趨勢基本與S01相近,但豎向力的不同導致整體支座節點的水平剛度有所差異,錨栓在同一加載位移下受到的力不同使得錨栓在同一循環次數時損傷累積程度有所不同。與S01相比,S03錨栓1、2的傾角變化更為平緩,最后急劇增大,斷裂更為突然,說明適當的加大豎向力會對錨栓的損傷累積起到保護作用,會增加錨栓的疲勞壽命。

圖7 試件S01錨栓傾角變化趨勢Fig.7 The inclination trend of anchor bolt of sample S01

圖8 試件S03錨栓傾角變化趨勢Fig.8 The inclination trend of anchor bolt of sample S03

2.3 支座整體轉角隨循環次數變化規律

加載過程中支座節點整體會發生傾轉,錨栓受到上拔力的作用,節點整體轉角越大，錨栓受到的上拔力也會增加,錨栓受到的損傷越嚴重,說明支座整體轉角即底板傾角也可作為一個評估錨栓損傷嚴重程度的指標。圖9所示為試件S01和S03支座整體轉角隨循環次數變化規律,兩試件的支座傾角變化因豎向力的不同而差異顯著。試件S01在加載位移為16 mm(第24次)之前,水平力產生的彎矩還不足以平衡豎向力產生的抵抗彎矩,底板傾角基本維持在0左右,此過程中錨栓主要承受剪力,可認為其損傷輕微；隨后在加載過程中底板傾角呈“階梯式”增長,可見加載幅值的增加會使得底板傾角增大,卸載后底板傾角也呈現緩慢增加的趨勢,此過程中錨栓受到剪力與上拔力的組合作用,可認為錨栓受到的損傷在緩慢積累；往復加載至43次時恒幅循環3次時支座整體轉角也隨循環次數有所增加,該階段錨栓損傷快速累積；往復加載至錨栓斷裂,錨栓損傷嚴重,限制底板上抬的約束有所減弱,使得底板傾角繼續增加；4根錨栓全部斷裂后,整個支座在過渡板上水平移動,底板傾角為0。

圖9 支座節點整體轉角變化趨勢Fig.9 Change trend of overall corner of bearing node

試件S03循環前20次支座轉角小于0.5°,表明錨栓損傷輕微；循環加載至35次期間轉角增長緩慢；循環35次以后,加載幅值的增大使得底板上抬更為明顯,在此階段錨栓彎曲形態肉眼可見,錨栓受到的損傷也在快速累積；繼續循環加載至錨栓斷裂階段,支座轉角進一步加大,支座整體轉角在第51次時突然減小,此時4根錨栓損傷已非常嚴重,不能對底板形成約束,使其繼續傾轉。

全過程中兩支座的整體轉角呈現明顯的階段性變化:平穩發展、緩慢增加、忽然減小,表明損傷在循環加載全過程也呈現出3階段變化:損傷輕微、塑性穩定發展損傷逐漸積累、損傷極為嚴重。

3 結論

對過渡平板支座節點在大位移往復荷載試驗中錨栓的損傷累積進行了研究,得到以下結論。

(1)過渡平板支座節點中的錨栓傾角及整體轉角變化規律可反映支座節點的錨栓在往復荷載作用下的損傷累積程度,也能較好地反映試件損傷過程,可通過這兩類變化指標為震后網架結構支座節點的工作狀態提供參考。

(2)適當地加大豎向力會對錨栓的損傷累積起到一定的保護作用,有助于提高錨栓的疲勞壽命。

(3)錨栓斷口截面形狀有明顯的超低周疲勞破壞特征,斷裂后的錨栓有明顯的彎曲變形和頸縮現象。