李萬(wàn)潤(rùn), 劉宇飛, 杜永峰,2

(1. 蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050; 2. 蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心, 甘肅 蘭州 730050)

二十一世紀(jì)，推動(dòng)綠色建筑發(fā)展成為趨勢(shì)，各地大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)以其自重小、材質(zhì)均勻、韌性延性好、截面可塑性強(qiáng)、連接簡(jiǎn)便、抗震性能優(yōu)越、易于工業(yè)化及綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好等眾多優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到重視.尤其是在多高層及高聳建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，建筑高度不斷增高，鋼結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯.

二十世紀(jì)末發(fā)生的北嶺地震(里氏6.6級(jí))與阪神地震(里氏7.2級(jí))中出現(xiàn)的大量鋼結(jié)構(gòu)破壞現(xiàn)象向世界各地學(xué)者敲響了警鐘，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)建筑抗震性能更加深入的研究急需開展.研究人員在對(duì)兩次地震的震后調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，美國(guó)多采用工字型截面，而日本多采用箱型截面，鋼結(jié)構(gòu)的破壞位置主要發(fā)生在鋼柱、無(wú)支撐框架的柱腳和梁柱節(jié)點(diǎn).其中梁柱節(jié)點(diǎn)的斷裂破壞現(xiàn)象較多，裂紋多始于梁翼緣及工藝孔焊趾處的焊縫根部，隨后進(jìn)一步導(dǎo)致梁翼緣全截面撕裂或擴(kuò)展至柱截面內(nèi)，使鋼柱失去承載力[1].我國(guó)屬于地震災(zāi)害較為嚴(yán)重的國(guó)家，且人口密集，高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)更要引起工程師們的重視.現(xiàn)有關(guān)于地震作用下的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)焊縫低周疲勞破壞的研究大多采用數(shù)值模擬[2-6]與試驗(yàn)研究[7-10]兩種方式展開，由于服役構(gòu)件材料的不均勻性、制作及加工造成的誤差及缺陷、實(shí)際受力情況的復(fù)雜程度等內(nèi)容不能在有限元數(shù)值模擬中完全體現(xiàn)[11].因此，在理論研究不斷深入的同時(shí)，結(jié)合能夠體現(xiàn)出上述內(nèi)容的構(gòu)件疲勞試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行研究亦十分必要.

鑒于此，本文設(shè)計(jì)了六個(gè)足尺全焊連接的梁柱節(jié)點(diǎn)焊縫低周疲勞試驗(yàn)，制定了包含常幅加載、變幅加載以及隨機(jī)加載共六種位移加載制度，通過(guò)試驗(yàn)研究梁柱節(jié)點(diǎn)焊縫在不同加載制度下的疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展規(guī)律.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試件概況及試驗(yàn)裝置

本文共進(jìn)行六個(gè)全焊連接的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)試件疲勞試驗(yàn).框架梁截面：H400 mm×150 mm×8 mm×12 mm，框架柱截面：H450 mm×250 mm×16 mm×20 mm.梁長(zhǎng)度為1.75 m，柱高2.3 m.構(gòu)件寬厚比均滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50017—2017)要求.試件材料采用Q345B鋼材.梁翼緣采用全熔透對(duì)接焊縫,腹板采用雙面角焊縫與柱連接，焊條采用E5015型焊條，焊縫等級(jí)I級(jí).試件尺寸與更多細(xì)節(jié)如圖1所示.

圖1 梁柱節(jié)點(diǎn)試件尺寸(mm)

試驗(yàn)正面圖如圖2所示.柱兩端豎向位移用壓梁與固定在地板上的絲桿約束，并在壓梁與柱端上翼緣之間、地板與柱端下翼緣之間墊以輥軸[11]，柱兩端橫向位移的約束用固定在地板上的地梁以及一個(gè)50 T的千斤頂來(lái)實(shí)現(xiàn).試驗(yàn)采用100 T MTS作動(dòng)器于梁端施加往復(fù)荷載，梁端使用帶卡槽的鋼板夾具夾緊，通過(guò)絲桿與作動(dòng)器連接，盡量減小在加載過(guò)程作動(dòng)器與梁端連接松動(dòng)出現(xiàn)的滑移造成試件實(shí)際承受的位移與加載位移之間的誤差.在梁1.2 m高的腹板內(nèi)外側(cè)設(shè)置側(cè)向支撐，防止加載過(guò)程中作動(dòng)器加載方向與試件中心錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致的平面外失穩(wěn).

圖2 試驗(yàn)正面Fig.2 Front view of test

1.2 試驗(yàn)加載制度

參考清華大學(xué)熊俊[12]及鄭州大學(xué)黃學(xué)偉[13]所進(jìn)行的試驗(yàn)共擬定了六種加載制度，均采用位移控制加載，包含三種變幅荷載、兩種常幅荷載以及一種隨機(jī)荷載，制定完成的六種加載制度如圖3所示.

圖3 加載制度Fig.3 Loading System

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量

1.3.1應(yīng)變數(shù)據(jù)測(cè)量

應(yīng)變數(shù)據(jù)采集測(cè)點(diǎn)主要圍繞節(jié)點(diǎn)焊縫域進(jìn)行布置：1) 梁上、下翼緣焊縫沿焊趾線布置單向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)測(cè)量加載過(guò)程中梁端焊趾受力情況(靠近作動(dòng)器測(cè)點(diǎn)6～8、遠(yuǎn)離作動(dòng)器測(cè)點(diǎn)14～16)；2) 靠近柱翼緣焊趾線旁布置單向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)測(cè)量加載過(guò)程中焊縫附近柱受力情況(靠近作動(dòng)器測(cè)點(diǎn)35～40、遠(yuǎn)離作動(dòng)器測(cè)點(diǎn)29～34)；3) 沿梁長(zhǎng)度方向間隔10 cm布置5個(gè)單向應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，測(cè)量加載過(guò)程中梁沿高度方向應(yīng)力變化趨勢(shì)(靠近作動(dòng)器測(cè)點(diǎn)1～5、遠(yuǎn)離作動(dòng)器測(cè)點(diǎn)9～13)；4) 兩側(cè)焊接孔處幾何變化復(fù)雜，布置應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，測(cè)量加載過(guò)程中工藝孔附近焊趾應(yīng)力變化規(guī)律(靠近作動(dòng)器測(cè)點(diǎn)23～28、遠(yuǎn)離作動(dòng)器測(cè)點(diǎn)17～22).具體布置位置如圖4所示.

圖4 應(yīng)變數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of strain data measurement points

1.3.2位移數(shù)據(jù)測(cè)量

本試驗(yàn)共布置7個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1監(jiān)測(cè)框架柱兩端位移；測(cè)點(diǎn)2監(jiān)測(cè)加載過(guò)程中梁試件平面外方向位移，布置于梁高1.2m處；測(cè)點(diǎn)3監(jiān)測(cè)加載過(guò)程中柱端平面內(nèi)水平方向位移；測(cè)點(diǎn)4～7監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)域豎向及水平位移，分別布置于距焊趾150 mm處；具體測(cè)點(diǎn)布置見圖5.

圖5 位移數(shù)據(jù)測(cè)點(diǎn)分布

2 試驗(yàn)加載過(guò)程及破壞形態(tài)

試件1(變幅加載1)：試驗(yàn)加載至第三個(gè)滯回圈時(shí)(7.5 mm)有輕微開裂聲，但并無(wú)可見裂縫；加載至第10圈時(shí)(18.75 mm)，遠(yuǎn)離作動(dòng)器一側(cè)焊接孔處有漆皮脫落；加載至第13圈時(shí)(26.25 mm)，靠近作動(dòng)器一側(cè)梁翼緣焊接孔處出現(xiàn)微紋，隨后遠(yuǎn)離作動(dòng)器一側(cè)梁腹板焊接孔也出現(xiàn)微紋；加載至第15圈(30 mm)，靠近作動(dòng)器一側(cè)翼緣焊縫焊趾端部出現(xiàn)裂縫；隨后加載位移開始減小，裂縫發(fā)展較緩，加載至常幅循環(huán)時(shí)梁翼緣、腹板焊接孔及焊縫端部裂縫均已達(dá)到10 mm左右；常幅位移加載過(guò)程中，焊縫一端裂縫不斷擴(kuò)大，試件出現(xiàn)平面外方向位移，加載至第45圈時(shí)(33.75 mm)，試件發(fā)出巨響，靠近作動(dòng)器一側(cè)梁翼緣端部裂縫與梁翼緣焊接孔處裂縫迅速匯合，隨后梁翼緣截面裂縫貫通，試件破壞，如圖6a所示.

圖6 試件-1破壞過(guò)程

試件2(變幅加載2)：試件加載至第11次循環(huán)時(shí)(22.5 mm)，靠近作動(dòng)器一側(cè)翼緣焊接孔處焊趾出現(xiàn)微裂縫；加載至第17次循環(huán)時(shí)(22.5 mm)，靠近作動(dòng)器一側(cè)腹板焊接孔處焊趾開始出現(xiàn)微裂縫；加載至第21次循環(huán)時(shí)(-30 mm)，遠(yuǎn)離作動(dòng)器一側(cè)翼緣工藝孔焊趾及腹板工藝孔焊趾開始出現(xiàn)裂紋；加載至第22次循環(huán)時(shí)(30 mm)，腹板焊縫焊趾裂紋擴(kuò)展至10 mm,靠近作動(dòng)器一側(cè)腹板焊接孔處焊趾出現(xiàn)微裂縫；加載到第27次循環(huán)時(shí)(+41.25 mm)，翼緣工藝孔焊趾與腹板工藝孔焊趾發(fā)展較快，翼緣裂紋由中部被撕開至50 mm，位移為-41.25 mm時(shí)，翼緣被壓屈曲；加載到第28次循環(huán)(+41.25 mm)，靠近作動(dòng)器一側(cè)翼緣裂縫貫穿整個(gè)截面，第28次循環(huán)(-41.25 mm)時(shí)，遠(yuǎn)離作動(dòng)器一側(cè)翼緣裂縫貫穿整個(gè)截面，如圖6b所示.

試件3(變幅加載3)：本次加載前期位移幅值較小，試件一直處于彈性階段，并無(wú)明顯現(xiàn)象，加載至第14次循環(huán)時(shí)(26.25 mm)，焊接孔處出現(xiàn)掉漆；加載至第15次循環(huán)時(shí)(26.25 mm)，梁腹板焊接孔焊縫出現(xiàn)微小裂紋，隨后靠近作動(dòng)器一側(cè)翼緣端部應(yīng)變片由于變形過(guò)大脫落，靠近作動(dòng)器一側(cè)翼緣端部焊趾出現(xiàn)微裂紋；加載至第18次循環(huán)時(shí)(33.75 mm)，靠近作動(dòng)器一側(cè)梁翼緣裂縫發(fā)展至15 mm，同時(shí)腹板焊接孔焊縫裂縫擴(kuò)展至8 mm左右；加載至第21次循環(huán)時(shí)(41.25 mm)，靠近作動(dòng)器一側(cè)梁翼緣焊縫裂縫擴(kuò)展至翼緣中部，腹板焊接孔處裂縫達(dá)10 mm；第22次循環(huán)時(shí)(-41.25 mm)，遠(yuǎn)離作動(dòng)器一側(cè)翼緣焊接孔處與翼緣左端焊縫焊趾處出現(xiàn)裂紋；加載至第23次循環(huán)時(shí)(-45 mm)，遠(yuǎn)離作動(dòng)器翼緣焊接孔位置撕裂；加載至第24次循環(huán)時(shí)(45 mm)，靠近作動(dòng)器一側(cè)裂縫貫穿，試件破壞，如圖6c所示.

試件4(常幅加載1)：本次試驗(yàn)為循環(huán)加載，加載進(jìn)入第三圈時(shí)，有輕微開裂聲；進(jìn)入第16次循環(huán)時(shí)，靠近作動(dòng)器一側(cè)翼緣焊接孔與焊趾端部開始出現(xiàn)裂紋；第28次循環(huán)時(shí)，翼緣端部焊縫沿焊趾線發(fā)展至4 mm；第34次循環(huán)時(shí)依然沿焊趾橫向發(fā)展，達(dá)到25 mm，同時(shí)梁腹板焊接孔出現(xiàn)裂紋；進(jìn)行到第50次循環(huán)時(shí)，翼緣焊趾裂縫到達(dá)45 mm，腹板焊接孔焊縫亦被撕開；第52次循環(huán)開始時(shí)，試件發(fā)出脆響，翼緣焊趾裂縫與焊接孔焊縫匯合，翼緣截面一半開裂；繼續(xù)加載，裂縫以每次循環(huán)10 mm左右的速度不斷發(fā)展，第64次循環(huán)時(shí)，裂縫貫穿截面，如圖6d所示.

試件5(常幅加載2)：試驗(yàn)進(jìn)行到第2次循環(huán)時(shí)(30 mm)，靠近作動(dòng)器一側(cè)梁翼緣出現(xiàn)漆皮掉落；加載至第三次循環(huán)時(shí)(30 mm)，靠近作動(dòng)器一側(cè)翼緣焊縫焊趾中部開始出現(xiàn)微裂紋；第5次循環(huán)時(shí)(-30 mm)，遠(yuǎn)離作動(dòng)器一側(cè)翼緣焊縫焊趾中部開始出現(xiàn)微裂紋；第6次循環(huán)中，遠(yuǎn)離作動(dòng)器一側(cè)翼緣焊縫右側(cè)端部出現(xiàn)微裂紋；隨后的加載過(guò)程中，靠近作動(dòng)器一側(cè)裂紋發(fā)展較為緩慢，遠(yuǎn)離作動(dòng)器一側(cè)翼緣中部裂縫沿焊趾線向兩側(cè)發(fā)展，焊縫右端部裂縫向中心發(fā)展，加載到第18次循環(huán)時(shí)，中部與端部裂縫匯合，加載至第29次循環(huán)時(shí)，裂縫貫穿遠(yuǎn)離作動(dòng)器一側(cè)翼緣全截面，試件破壞，如圖6e所示.

試件6(隨機(jī)荷載)：加載過(guò)程中遠(yuǎn)離作動(dòng)器一側(cè)翼緣焊接孔處焊趾首先沿厚度開裂，開裂時(shí)位移為-35 mm；隨后靠近作動(dòng)器一側(cè)翼緣焊接孔焊趾處沿厚度撕裂，寬度15 mm，翼緣焊縫端部裂紋至8 mm，位移37 mm(正向最大位移)；隨后加載至另一較大峰值32 mm時(shí)，靠近作動(dòng)器一側(cè)翼緣焊接孔焊趾處裂縫寬度擴(kuò)展至30 mm；遠(yuǎn)離一側(cè)首先破壞，位移-33 mm，隨后繼續(xù)加載至靠近一側(cè)破壞，位移33 mm；靠近一側(cè)翼緣與遠(yuǎn)離一側(cè)翼緣隨后裂縫擴(kuò)展路徑類似，都表現(xiàn)為中間裂縫不斷向梁端擴(kuò)展，最后突然延伸至全截面斷裂，并伴隨有巨大響聲，裂縫沿翼緣焊接孔焊趾高度處平行發(fā)展，撕裂翼緣母材，另一側(cè)斜向下發(fā)展，與焊縫端部焊趾裂縫匯合，如圖6f所示.

可見，不論是常幅、變幅或者隨機(jī)加載，裂紋的萌生位置最先出現(xiàn)于焊接孔梁翼緣處焊趾，梁翼緣焊縫端部焊趾出現(xiàn)時(shí)間僅次于焊接孔處焊趾.最終破壞路徑分為兩種情況：1) 焊接孔處焊趾發(fā)展較快，裂紋由中心向翼緣兩端發(fā)展，最后與兩端焊縫焊趾裂紋匯合，翼緣截面斷裂；2) 翼緣焊縫的一端焊趾發(fā)展較快，裂紋由端部焊趾向中間發(fā)展，隨后與焊接孔處焊趾裂縫匯合后，迅速發(fā)展至翼緣另一端，翼緣截面斷裂.造成這兩種模式的差異是因?yàn)樵嚰谕鶑?fù)荷載下，梁翼緣全截面的變形由于材料的不均勻以及加工造成的缺陷的不對(duì)稱并不能始終保持一致.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 位移-荷載曲線

試驗(yàn)中位移測(cè)點(diǎn)1由于位移計(jì)實(shí)際布置位置的誤差，在此只起參考校準(zhǔn)的作用，本文以作動(dòng)器所采集數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，各試件的滯回曲線如圖7所示.

圖7 試件1～試件6滯回曲線

試件2及試件5中正向加載段出現(xiàn)承載力下降后有上升的情況，是因?yàn)榱阂砭壓缚p端部出現(xiàn)了塑性變形，萌生的裂紋被撕開，雖然預(yù)先在構(gòu)件梁腹板處設(shè)置了平面外支撐，但隨后加載導(dǎo)致構(gòu)件在節(jié)點(diǎn)工藝孔焊縫域出現(xiàn)了平面外方向的變形，翼緣焊縫撕裂到一半左右，構(gòu)件中心的偏離使得焊接孔處腹板開始承擔(dān)荷載，從而導(dǎo)致滯回曲線出現(xiàn)承載力上升的情況.

3.2 承載力及滯回耗能

表1匯總了各個(gè)試件正向加載與反向加載下極限荷載、極限位移、極限彎矩以及最大位移指標(biāo).

表1 試件承載力及變形情況Tab.1 Summary of bearing capacity and deformation of specimens

3.3 翼緣截面應(yīng)變分布

圖8～圖10表示為三種變幅荷載作用下，各循環(huán)加載峰值位移對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)應(yīng)變值，少數(shù)應(yīng)變數(shù)據(jù)缺失是由于加載過(guò)程中構(gòu)件表面發(fā)生變形，導(dǎo)致應(yīng)變片脫落失效.從各位移幅值對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值的變化來(lái)看，垂直梁翼緣焊縫的四個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)隨著距離增加應(yīng)變值遞減，當(dāng)加載位移達(dá)到26.25 mm時(shí)，各試件翼緣分布的四個(gè)測(cè)點(diǎn)已全部進(jìn)入塑性階段；平行于焊縫焊趾上三個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)在加載初期均表現(xiàn)為中間大兩端小的對(duì)稱分布，隨著加載位移的增大，翼緣焊縫一端開裂較快，導(dǎo)致梁翼緣截面受力不再平均，不再是呈對(duì)稱分布，對(duì)應(yīng)裂紋發(fā)展較快的位置應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快.

圖8 試件1梁翼緣應(yīng)變分布Fig.8 Strain distribution of beam flange of specimen 1

圖9 試件2梁翼緣應(yīng)變分布Fig.9 Strain distribution of beam flange of specimen 2

圖10 試件3梁翼緣應(yīng)變分布Fig.9 Strain distribution of beam flange of specimen 3

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)并完成了六個(gè)足尺全焊連接的梁柱節(jié)點(diǎn)焊縫的低周疲勞試驗(yàn)，對(duì)不同加載制度下的節(jié)點(diǎn)疲勞裂紋萌生及擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行了記錄研究，歸納出以下結(jié)論：

1) 梁柱節(jié)點(diǎn)在往復(fù)荷載作用下，裂紋均位于節(jié)點(diǎn)域梁端焊縫焊趾處，開裂方式均為焊趾處梁翼緣截面沿厚度方向斷裂，焊縫根部沿柱翼緣厚度方向幾乎沒(méi)有出現(xiàn)疲勞裂紋，梁截面相對(duì)柱截面更容易發(fā)生疲勞斷裂；

2) 由于本文的試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜎](méi)有考慮焊接墊板的影響，幾乎六個(gè)試件在往復(fù)荷載作用下均表現(xiàn)為梁翼緣焊接孔處焊趾最易萌生疲勞裂紋，隨后梁翼緣焊縫端部及焊縫中部焊趾開始萌生疲勞裂紋；

3) 對(duì)比等幅加載與變幅加載試驗(yàn)過(guò)程，發(fā)現(xiàn)試件經(jīng)歷由小變形到大變形的過(guò)程更能發(fā)揮節(jié)點(diǎn)耗能能力，直接經(jīng)歷等幅大變形對(duì)節(jié)點(diǎn)的疲勞性能較為不利；再者，比較加載幅值不同的兩次等幅加載試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，等幅加載的幅值越大，節(jié)點(diǎn)累積損傷的速率越快，越早發(fā)生疲勞破壞；試件在隨機(jī)荷載作用下的破壞路徑及模式與等幅、變幅比例加載基本一致，其疲勞裂紋萌生和損傷累積與經(jīng)歷的加載幅值有較大關(guān)系.