陳墨

(安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051)

0 引言

建筑結(jié)構(gòu)的疲勞行為可劃分為兩種不同模式：低周疲勞與高周疲勞[1]。低周疲勞產(chǎn)生的主要原因?yàn)檠h(huán)塑性應(yīng)變，以高應(yīng)力-應(yīng)變與低循環(huán)壽命為特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)的時效循環(huán)次數(shù)較少[2]。高周疲勞則由彈性范圍內(nèi)循環(huán)荷載對應(yīng)的應(yīng)力與應(yīng)變造成，失效循環(huán)次數(shù)較多。低周疲勞是裝配式建筑結(jié)構(gòu)面臨的主要問題，也是威脅裝配式建筑安全運(yùn)行的主要影響因素[3]。當(dāng)裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)發(fā)生低周疲勞失效時，將導(dǎo)致裝配式建筑發(fā)生斷裂事故，造成嚴(yán)重的財產(chǎn)損失與人員傷亡。為避免裝配式建筑結(jié)構(gòu)因低周疲勞損傷產(chǎn)生嚴(yán)重危險事故，本文研究裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)低周疲勞損傷識別方法。識別方法為通過梁柱節(jié)點(diǎn)低周疲勞壽命評估與低周疲勞損傷失效準(zhǔn)則確定裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)低周疲勞損傷情況。

1 裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)低周疲勞損傷識別方法

1.1 梁柱節(jié)點(diǎn)低周疲勞壽命評估

裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)在疲勞荷載影響下，有較大概率產(chǎn)生不同類型的應(yīng)力集中現(xiàn)象[4]，當(dāng)疲勞荷載影響達(dá)到一定值時，會出現(xiàn)塑性變形，塑性變形會對裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的延性產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)材料的屈服點(diǎn)與其應(yīng)力幅值相比較低時，需調(diào)整材料的彈性應(yīng)力幅值，以此獲取真實(shí)應(yīng)力幅值[5]。

在評估裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)低周疲勞壽命時采用S-N曲線分析法，在低周疲勞壽命評估過程中引入高周疲勞分析理論，在合理的設(shè)定條件下，以應(yīng)變幅取代S-N曲線內(nèi)的應(yīng)力幅，同時對應(yīng)轉(zhuǎn)換相關(guān)參數(shù)[6]，由此完成裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)低周疲勞分析，詳細(xì)分析過程如下。

循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線同Neuber雙曲線圖，見圖1。

圖1 循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變曲線同Neuber雙曲線

Neuber雙曲線方程可通過式(1)描述：

(1)

式中:σn和S分別表示名義應(yīng)力和通過線性分析獲取的裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)位置應(yīng)力集中系數(shù)；W和σa分別表示彈性模型和真實(shí)熱點(diǎn)應(yīng)力；m和K′均為材料系數(shù)，兩者可由實(shí)驗(yàn)獲取。

基于以上過程獲取真實(shí)熱點(diǎn)應(yīng)力σa后，利用Ramberg-Osgood方程可獲取裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變εnl：

(2)

通過式(2)能夠確定裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的偽熱點(diǎn)應(yīng)力σp：

σp=Wεnl

(3)

基于偽熱點(diǎn)應(yīng)力σp，參考國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)設(shè)定的不同連接形式的S-N曲線，能夠確定裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的低周疲勞壽命(即疲勞荷載循環(huán)次數(shù))M：

(4)

式中，ν和b均為材料常數(shù)，可通過國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中所示的疲勞細(xì)節(jié)類型確定[7-8]。

1.2 低周疲勞損傷失效準(zhǔn)則

確定低周疲勞損傷準(zhǔn)則是識別裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)低周疲勞損傷的前提[9]，以此為基礎(chǔ)能夠確定裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的疲勞壽命。此處需著重提出一點(diǎn)，裝配式建筑結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的損傷失效并非節(jié)點(diǎn)完全損壞，還包含梁柱節(jié)點(diǎn)整體與局部構(gòu)建屈曲、梁柱節(jié)點(diǎn)所用材料的循環(huán)軟化或硬化，以及不同梁柱節(jié)點(diǎn)間連接件受損等[10-11]?；诖?，可選取以能量耗散與等效位移幅度的低周疲勞為基礎(chǔ)的疲勞損傷失效準(zhǔn)則識別裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)的低周疲勞損傷情況。

以能量耗散性能下降為指標(biāo)分析疲勞損傷失效準(zhǔn)則最初應(yīng)用于分析半剛性梁柱節(jié)點(diǎn)的低周疲勞[12]。通過梁柱節(jié)點(diǎn)疲勞荷載條件下的最終能量耗散系數(shù)φf與最初能量耗散系數(shù)φ0確定低周疲勞壽命，公式描述如下：

(5)

式中，αf表示比例系數(shù)，可通過梁柱節(jié)點(diǎn)類型與材料特性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合確定αf取值。在αf取值為0.5的條件下可獲取較為精準(zhǔn)的梁柱節(jié)點(diǎn)低周疲勞壽命[13]。φf與φ0可通過實(shí)際梁柱節(jié)點(diǎn)的能量耗散與理想彈塑性材料梁柱節(jié)點(diǎn)的能量耗散比值確定，公式描述如下：

(6)

(7)

式(6)、(7)中：Ec和Ef分別表示最終實(shí)際梁柱節(jié)點(diǎn)的能量耗散與最初實(shí)際梁柱節(jié)點(diǎn)的能量耗散；E0和Ec0分別表示最終理想彈塑性材料梁柱節(jié)點(diǎn)的能量耗散和最初理想彈塑性材料梁柱節(jié)點(diǎn)的能量耗散。在常幅疲勞荷載條件下，Ec與Ec0相等，基于此，可簡化式(5)得到：

(8)

(9)

計(jì)算結(jié)果受疲勞荷載循環(huán)次數(shù)M波動的影響，獲取的梁柱節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生低周疲勞損傷失效的循環(huán)次數(shù)合理。

在確定αf時，可通過觀察裝配式建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件，利用梁柱節(jié)點(diǎn)的位移幅確定并識別梁柱節(jié)點(diǎn)的低周常幅度疲勞損傷破壞模式，以Δβth表示位移門檻值，其值可由實(shí)驗(yàn)確定，即靜載條件下梁柱節(jié)點(diǎn)極限強(qiáng)度條件下位移量的兩倍；同時Δβth值也可通過當(dāng)前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的方法確定，公式描述如下：

(10)

式中:βz表示擬合系數(shù)；γ表示焊縫與梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造細(xì)節(jié)相關(guān)的參數(shù)，在焊縫與梁柱節(jié)點(diǎn)構(gòu)造細(xì)節(jié)抗疲勞狀況較好或較差的條件下，γ值分別取1.0和0.5；ξ表示無量綱系數(shù)；θw和θf分別表示梁腹板的高厚比系數(shù)和梁翼緣的寬厚比系數(shù)，兩個系數(shù)可通過以下公式確定：

(11)

(12)

式中：Gw表示梁腹板的高度;tw表示梁腹板的厚度；yf表示梁翼緣的寬度;tf表示梁翼緣的厚度。

對焊接裝配式建筑構(gòu)件與梁柱節(jié)點(diǎn)進(jìn)行低周疲勞測試，依照所施加的位移幅Δβ和位移幅門檻值Δβth的比值可將裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)低周疲勞損傷模式劃分為3種[15]，如式(13)所示：

(13)

2 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文研究的裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)低周疲勞損傷識別方法的有效性，選取裝配式建筑中T型管狀的梁柱節(jié)點(diǎn)為研究對象，以Abaqus 6.13版有限元軟件為分析平臺，采用本文方法識別其在外循環(huán)載荷影響下的低周疲勞損傷情況。

所選研究對象幾何尺寸如圖2所示，該節(jié)點(diǎn)為T型管。

圖2 研究對象幾何形狀與尺寸

根據(jù)圖2所示的研究對象的幾何形狀和尺寸，設(shè)定研究對象材料循環(huán)應(yīng)力、應(yīng)變行為滿足Ramberg-Osgood方程，研究對象的材料系數(shù)與應(yīng)力、應(yīng)變曲線如圖3所示。

(a)弦桿

(b)撐桿圖3 研究對象材料的應(yīng)力與應(yīng)變曲線

根據(jù)圖3所示，研究對象材料分為弦桿和撐桿，其中弦桿應(yīng)變曲線比撐桿應(yīng)變曲線的變化幅度更陡。利用Abaqus 6.13版有限元軟件對研究對象進(jìn)行非線性有限元分析，以8節(jié)點(diǎn)殼單元S8R為網(wǎng)格，根據(jù)DNV-RP-C203規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)給定研究對象網(wǎng)格尺寸做法，研究對象有限元模型節(jié)點(diǎn)局部細(xì)化網(wǎng)格示意圖如圖4所示。

圖4 研究對象有限元模型節(jié)點(diǎn)局部細(xì)化網(wǎng)格示意圖

根據(jù)圖4有限元模型節(jié)點(diǎn)局部細(xì)化網(wǎng)格，設(shè)定研究對象有限元模型邊界條件，并施加載荷。為分析低周疲勞循環(huán)條件下研究對象裂紋發(fā)生的初始區(qū)域與裂紋終結(jié)區(qū)域，獲取低周疲勞循環(huán)條件下研究對象的缺口根部與中心處損傷的對比波動情況，該對比波動情況是隨循環(huán)次數(shù)的提升而提升的，具體對比波動結(jié)果如圖5所示。

圖5 低周疲勞損傷對比波動情況

分析圖5得到，隨著低周疲勞循環(huán)次數(shù)的增加，位移幅與位移幅門檻值的比值也顯著提升，由此說明研究對象低周疲勞損傷裂紋發(fā)生的初始區(qū)域?yàn)檠芯繉ο笾行奶?，這一結(jié)論符合相關(guān)學(xué)者的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。依照本文的低周疲勞壽命評估方法，確定研究對象低周疲勞壽命設(shè)計(jì)曲線，如圖6所示。

圖6 低周疲勞S-N曲線

根據(jù)圖6能夠看出偽熱點(diǎn)應(yīng)力值隨著研究對象的低周疲勞壽命(即疲勞荷載循環(huán)次數(shù))的增加而降低，在低周疲勞壽命為200月時，偽熱點(diǎn)應(yīng)力為200 MPa。其原因是疲勞損傷失效準(zhǔn)則可以有效描述梁柱節(jié)點(diǎn)的受損破壞模式，同時參考梁柱節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度與能量耗散等特征參數(shù)，提升裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì)的安全性。通常情況下，可將梁柱節(jié)點(diǎn)靜載強(qiáng)度理論作為基礎(chǔ)判斷梁柱節(jié)點(diǎn)的高周疲勞損傷壽命。

3 結(jié)論

裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)有較大概率產(chǎn)生低周疲勞損傷，低周疲勞損傷造成梁柱節(jié)點(diǎn)脆性斷裂的同時還有較大概率對建筑整體的延性性能與能量耗散產(chǎn)生影響。為此本文研究裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)低周疲勞損傷識別方法，通過低周疲勞壽命評價與低周疲勞損傷失效準(zhǔn)確判斷裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)損傷情況。隨著低周疲勞循環(huán)次數(shù)的提升，位移幅與位移幅門檻值的比值顯著提升，本文設(shè)計(jì)的方法可以提升裝配式建筑梁柱節(jié)點(diǎn)疲勞設(shè)計(jì)的安全性。期望本文的研究能夠?yàn)檠b配式建筑的應(yīng)用提供更有效、更廣泛的理論基礎(chǔ)與應(yīng)用支撐。