往復(fù)荷載下網(wǎng)架平板支座錨栓超低周疲勞破壞試驗(yàn)研究*

張子強(qiáng)， 李海旺， 宋夏蕓， 王興宇

(太原理工大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院， 太原 030024)

0 引言

網(wǎng)架結(jié)構(gòu)除承擔(dān)日常的公共活動(dòng)功能外，在地震發(fā)生時(shí)還要求其承擔(dān)應(yīng)急避難所的功能[1]。歷次震害表明，上部網(wǎng)架與下部支承結(jié)構(gòu)的連接部位往往是網(wǎng)架平板破壞的主要部位，主要的破壞形式為支座錨栓斷裂、底板翹曲破壞、焊縫開(kāi)裂等[2]。地震中支座節(jié)點(diǎn)經(jīng)歷數(shù)次塑性變形，其破壞形態(tài)具有超低周疲勞破壞特征，因此研究網(wǎng)架平板支座節(jié)點(diǎn)的超低周疲勞破壞特征成為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)震下抗倒塌破壞的關(guān)鍵問(wèn)題。

薛素鐸等[3]利用振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)對(duì)新提出的一種隔震支座動(dòng)力特性進(jìn)行了模擬研究，驗(yàn)證了該支座具有良好的隔震性能；崔瑤等[4]總結(jié)了支座錨栓的破壞機(jī)制及變形對(duì)平板支座的水平承載力影響，提出了平板支座節(jié)點(diǎn)的水平承載力計(jì)算公式；范重等[5]對(duì)板式橡膠支座的抗剪切彈性模量、抗壓彈性模量與支座轉(zhuǎn)角進(jìn)行了研究并提出了改進(jìn)意見(jiàn)；邢占清等[6]利用有限元軟件模擬分析不同荷載下橢圓形開(kāi)孔對(duì)支座節(jié)點(diǎn)的受力性能影響，確定了此類(lèi)節(jié)點(diǎn)抗側(cè)剛度；王秀麗等[7]采用ANASYS分析了螺栓對(duì)板式橡膠支座的抗震性能影響，結(jié)果表明，螺栓可有效提高支座的水平剛度，并改善其滯回性能；廖芳芳等[8]對(duì)方鋼管與H型鋼梁采用往復(fù)荷載試驗(yàn)，通過(guò)微觀斷裂判據(jù)對(duì)有效塑性應(yīng)變進(jìn)行判斷，并對(duì)模型進(jìn)行了超低周疲勞斷裂預(yù)測(cè)；黃學(xué)偉等[9]進(jìn)行了建筑結(jié)構(gòu)鋼試樣的單調(diào)加載以及超低周循環(huán)加載試驗(yàn)，數(shù)值模擬了節(jié)點(diǎn)危險(xiǎn)部位的超低周疲勞斷裂破壞過(guò)程，得到節(jié)點(diǎn)疲勞壽命；羅云蓉等[10]采用軸向應(yīng)變控制方法，在電液伺服疲勞機(jī)上分別測(cè)定了Q235，Q345鋼低周疲勞過(guò)程中的特征，通過(guò)掃描斷口分析了兩種鋼材斷裂機(jī)理并提出建議。目前筆者對(duì)強(qiáng)震下網(wǎng)架平板支座錨栓斷裂后的研究未檢索到相關(guān)文獻(xiàn)。本文通過(guò)平板支座試件低周疲勞試驗(yàn)對(duì)錨栓斷后的變形特征展開(kāi)研究，探討錨栓塑性彎曲變形規(guī)律、斷口特征及斷裂性質(zhì)等，為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在災(zāi)難地震下的抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)試件依據(jù)我國(guó)現(xiàn)行《空間網(wǎng)格技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)要求，針對(duì)30～40m跨度的網(wǎng)架平板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，平板支座尺寸如圖1所示。支座錨栓焊接在過(guò)渡板上，沿作動(dòng)器加載方向?qū)﹀^栓進(jìn)行編號(hào)，圖1(c)中1～4為過(guò)渡板上錨栓編號(hào)。鋼底板開(kāi)孔設(shè)計(jì)為長(zhǎng)圓孔，圓孔直徑22mm，長(zhǎng)孔平直段長(zhǎng)度18mm。試驗(yàn)所用肋板、鋼底板、過(guò)渡板以及錨栓均為Q235B級(jí)鋼材，螺栓為10.9級(jí)，材料為20MnTiB鋼，螺栓球直徑為180mm，材料為45號(hào)鋼。試件基本參數(shù)如表1所示。

圖1 平板支座尺寸

試件基本參數(shù) 表1

1.2 加載裝置

試驗(yàn)采用雙向加載方式，加載裝置如圖2所示，豎向采用50t分離式油壓千斤頂，水平向采用FCS電液伺服結(jié)構(gòu)試驗(yàn)系統(tǒng)。試件頂部通過(guò)加載頭與球鉸支座和千斤頂連接，其中千斤頂可通過(guò)滑移小車(chē)沿水平加載方向自由滑移，球鉸支座可隨支座在加載過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)，試件底部鋼柱通過(guò)地腳螺栓錨固，為防止作動(dòng)器加載端在往復(fù)加載過(guò)程中發(fā)生偏移，在作動(dòng)器機(jī)身兩側(cè)與反力架之間設(shè)置鋼絲拉索，機(jī)身上方與反力架短梁之間設(shè)置高強(qiáng)螺栓卡件。

圖2 試驗(yàn)加載裝置

1.3 加載制度

試件豎向施加恒定壓力，在施加豎向力之前，使用扭矩扳手對(duì)錨栓施加3%屈服拉應(yīng)力的預(yù)緊力，以保證螺母與支座底板緊密接觸；水平向參照《建筑抗震試驗(yàn)方法規(guī)程》(JGJ 101—96)采用位移加載的方法往復(fù)加載，共Ⅰ，Ⅱ兩種加載制度如圖3所示。加載制度Ⅰ：變幅加載，起始加載位移2mm，遞增幅值2mm，每級(jí)幅值循環(huán)3次；加載制度Ⅱ：等幅加載，加載幅值為試件屈服時(shí)的最大位移值，該位移值即為等幅加載幅值。將試件安裝好后調(diào)整作動(dòng)器力反饋值至0，此時(shí)定義加載位移0位；開(kāi)始加載后將作動(dòng)器端頭從位移0位伸長(zhǎng)至某一幅值后再收縮至位移0位，此為對(duì)試件進(jìn)行一次正向加載，作動(dòng)器繼續(xù)收縮至同一幅值后伸長(zhǎng)至位移0位，此為對(duì)試件進(jìn)行一次反向加載。

圖3 加載制度示意圖

2 試件破壞過(guò)程與結(jié)果

試驗(yàn)中4個(gè)試件的破壞模式均為錨栓塑性變形、損傷積累進(jìn)而發(fā)生疲勞斷裂。試件ZZM20-1與試件ZZM20-3、試件ZZM20-2與試件ZZM20-4的變形過(guò)程基本相似，限于篇幅本文只對(duì)前兩個(gè)試件ZZM20-1和ZZM20-2的破壞過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)描述。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

試驗(yàn)結(jié)果 表2

試件ZZM20-1執(zhí)行加載制度Ⅰ。在200kN豎向壓力作用下，在水平位移加載至6mm前，試件因沒(méi)有克服靜摩擦力未發(fā)生滑動(dòng)，水平荷載隨著水平位移的增加呈線性增加；當(dāng)水平位移加載至“正向6mm”第1次時(shí)，試件開(kāi)始滑動(dòng)；當(dāng)水平位移加載至“正向10mm”第1次時(shí)，支座底板孔壁與錨栓接觸；當(dāng)水平位移加載至“正向12mm”第1次時(shí)，試件在滑動(dòng)結(jié)束后以底板一側(cè)為軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)水平位移加載至“正向26mm”第2次時(shí)，墊片被擠壞，錨栓受到支座底板上抬的拉力與往復(fù)加載產(chǎn)生的彎矩雙重作用逐漸彎曲(圖4(a))，錨栓產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形并逐漸積累，錨栓根部產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的細(xì)小裂紋并逐漸連通、擴(kuò)展(圖4(b))，成為了試件的“薄弱”區(qū)域；當(dāng)水平位移加載至“正向30mm”第1次時(shí)，支座底板上抬明顯(圖4(c))，錨栓在往復(fù)加載過(guò)程中兩側(cè)環(huán)向裂紋加速擴(kuò)展；當(dāng)水平位移加載至“反向32mm”第3次時(shí)，聽(tīng)到“砰”的一聲，F(xiàn)CS伺服裝置反饋承載力值急劇下降，加載至“反向34mm”第1次時(shí)，試件的2號(hào)錨栓率先斷裂(圖4(d))，加載至“正向34mm”第2次時(shí)1號(hào)錨栓斷裂，加載至“反向34mm”第3次時(shí)，3號(hào)、4號(hào)錨栓斷裂，支座失效(圖4(e)，斷裂錨栓已取走)。

圖4 試件ZZM20-1

試件ZZM20-2執(zhí)行加載制度Ⅱ。在200kN豎向壓力作用下，在水平位移加載至“正向32mm”第1次過(guò)程中，試件在10mm范圍內(nèi)平穩(wěn)滑動(dòng)，支座底板、錨栓螺母及其之間的墊片相互錯(cuò)動(dòng)；超過(guò)10mm后，錨栓與支座底板孔壁接觸并受到擠壓，隨著水平位移繼續(xù)增大，以底板一側(cè)為軸支座發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)(圖5(a))，錨栓受到拉-彎作用彎曲，產(chǎn)生塑性變形，首先進(jìn)入屈服狀態(tài)，成為試件“薄弱”區(qū)域；當(dāng)水平位移加載至“反向32mm”第1次時(shí)，錨栓經(jīng)歷“彎曲→豎直→反向彎曲”過(guò)程，支座底板上抬；以此幅值往復(fù)加載，在循環(huán)多次拉-彎受力過(guò)程中，錨栓塑性變形逐漸累積且均以彎曲變形為主，當(dāng)水平位移加載至“正向32mm”第9次時(shí)，試件的1號(hào)錨栓斷裂；當(dāng)水平位移加載至“正向32mm”第12次時(shí)，錨栓產(chǎn)生較大彎曲變形，此時(shí)錨栓塑性變形區(qū)軟化嚴(yán)重，剛度急劇退化，導(dǎo)致其逐步喪失承載能力，并在水平位移加載至“反向32mm”第15次時(shí)全部斷裂(圖5(b))，試件失效。

圖5 試件ZZM20-2

3 試件破壞現(xiàn)象分析

3.1 錨栓的縮頸率與伸長(zhǎng)率

錨栓的伸長(zhǎng)與縮頸能從宏觀上反映其塑性變形區(qū)域和損傷程度。對(duì)試件ZZM20-1和試件ZZM20-2進(jìn)行分析，選取1～4號(hào)錨栓共11個(gè)截面作為研究對(duì)象，利用游標(biāo)卡尺(精度為0.01mm)測(cè)量出錨栓斷后各研究截面的最小直徑并計(jì)算面積，定義斷后計(jì)算截面面積與原始截面面積的差除以原始截面面積之商的百分?jǐn)?shù)為縮頸率?？s頸率-錨栓長(zhǎng)度擬合曲線見(jiàn)圖6。試件ZZM20-1錨栓在從根部向上12mm范圍內(nèi)縮頸率線性遞減，加載過(guò)程中試件1號(hào)、2號(hào)錨栓承受較大上拔力，因此1號(hào)、2號(hào)錨栓平均縮頸率大于3號(hào)、4號(hào)錨栓，其最大縮頸率達(dá)26.67%，在錨栓18mm以上區(qū)域縮頸率基本無(wú)變化。試件ZZM20-2錨栓在從根部向上9mm范圍內(nèi)縮頸率呈線性遞減，4號(hào)錨栓各截面縮頸率較大，這是由于支座底板開(kāi)孔較大，試件在往復(fù)加載過(guò)程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)，使得4號(hào)錨栓承受較大的上拔力而率先發(fā)生塑性變形，在錨栓15mm以上區(qū)域基本無(wú)縮頸。

用錨栓斷裂后伸長(zhǎng)長(zhǎng)度與初始標(biāo)距(錨栓根部到螺母上截面的長(zhǎng)度)的百分比計(jì)算錨栓斷后伸長(zhǎng)率，錨栓斷后伸長(zhǎng)率統(tǒng)計(jì)如表3所示。錨栓伸長(zhǎng)的部分集中發(fā)生在塑性變形區(qū)域，大致在錨栓根部到螺母下截面范圍內(nèi)(約15～18mm)。錨栓斷后最大伸長(zhǎng)率為27.78%，最小伸長(zhǎng)率為5.56%。

各個(gè)錨栓斷后伸長(zhǎng)率/% 表3

3.2 錨栓斷口形態(tài)分析

裂紋是完整金屬在應(yīng)力作用下，某些薄弱部位破裂而形成的一種不穩(wěn)定的缺陷。金屬斷裂處的自然表面即裂紋掃過(guò)的面積叫斷口。通過(guò)觀察斷口表面的宏觀形貌可以判定錨栓斷裂的性質(zhì)、起始位置和裂紋擴(kuò)展路徑。為判斷支座錨栓在往復(fù)荷載作用下發(fā)生的破壞是否為疲勞斷裂，分析了破壞的錨栓斷口形態(tài)，觀察其是否具備疲勞破壞的特征。通過(guò)分析試驗(yàn)得到的16個(gè)M20錨栓斷裂面，發(fā)現(xiàn)錨栓斷口均呈現(xiàn)明顯的疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，屬于典型的疲勞破壞，各個(gè)錨栓斷口整體宏觀形貌如圖7～10所示。

圖7 試件ZZM20-1錨栓宏觀斷口

圖8 試件ZZM20-2錨栓宏觀斷口

圖9 試件ZZM20-3錨栓宏觀斷口

圖10 試件ZZM20-4錨栓宏觀斷口

錨栓宏觀斷口處均出現(xiàn)縮頸，表現(xiàn)出塑性變形特征。斷口表面存在兩處對(duì)稱(chēng)的裂紋源，表明加載方式為雙向彎曲加載；疲勞源從錨栓兩側(cè)向中間擴(kuò)展，疲勞源區(qū)呈現(xiàn)半月形貝紋線并進(jìn)入擴(kuò)展區(qū)；斷面中間區(qū)域比較粗糙，色澤灰暗，呈現(xiàn)出顆粒狀，為最后發(fā)生過(guò)載斷裂失效所形成；錨栓斷口疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)明顯，具有疲勞斷口的宏觀基本特征。

從斷口形態(tài)上看，試件ZZM20-1和試件ZZM20-3錨栓宏觀斷口的疲勞源區(qū)與裂紋擴(kuò)展區(qū)所占斷面面積的比例較大，而瞬斷區(qū)斷面面積較小。由于這兩個(gè)試件執(zhí)行加載制度Ⅰ，試驗(yàn)中各錨栓從較小應(yīng)力水平開(kāi)始逐漸增大，裂紋擴(kuò)展速度緩慢，使得裂紋斷面在往復(fù)加載作用下可以充分開(kāi)合，所以擴(kuò)展區(qū)面積較大，錨栓表面較光滑。試件ZZM20-2和試件ZZM20-4執(zhí)行加載制度Ⅱ，各錨栓在試驗(yàn)過(guò)程中所受的應(yīng)力水平及施加的應(yīng)力幅均很高，使裂紋上下斷面未發(fā)生充分開(kāi)合，導(dǎo)致疲勞源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)的斷面面積所占比例較小，較快形成了瞬斷區(qū)。試件ZZM20-4的2號(hào)錨栓宏觀斷面粗糙不平，呈現(xiàn)夾渣與少量氣孔，是由于錨栓與過(guò)渡板為開(kāi)坡口塞焊連接，焊接過(guò)程中二者沒(méi)有良好熔合。由此產(chǎn)生的焊接缺陷使錨栓在加載初始階段便發(fā)生斷裂，表明支座發(fā)揮性能需保證其焊接質(zhì)量。

試件在滑動(dòng)結(jié)束后底板與錨栓接觸，隨著水平加載位移繼續(xù)增加，支座底板不斷上抬使錨栓受到拉-彎雙重作用而在一定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形。在往復(fù)加載過(guò)程中，大量荷載由錨栓根部位置承受而產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致錨栓在一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋。隨著往復(fù)加載持續(xù)進(jìn)行，裂紋不斷擴(kuò)展、連接而形成肉眼可見(jiàn)的裂紋；錨栓開(kāi)裂后承載面積逐漸減小，應(yīng)力繼續(xù)增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到錨栓材料的斷裂極限時(shí)，錨栓發(fā)生疲勞斷裂致使支座失效。

4 結(jié)論

(1)網(wǎng)架平板支座在往復(fù)荷載下，錨栓受到拉-彎雙重作用產(chǎn)生不可恢復(fù)塑性變形并伴隨根部裂紋產(chǎn)生，隨著裂紋不斷擴(kuò)展錨栓開(kāi)裂使其受力截面不斷減小，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到錨栓斷裂極限時(shí)發(fā)生疲勞斷裂。

(2)平板支座錨栓斷后的伸長(zhǎng)率與縮頸率能直觀反映其變形范圍與塑性損傷累積程度，為評(píng)定震后網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的支座工作性能提供參考。

(3)兩種加載制度下標(biāo)號(hào)M20的錨栓斷裂后最大縮頸率為26.67%，塑性變形區(qū)域大致在錨栓根部開(kāi)始向上15～18mm范圍內(nèi)。

(4)試驗(yàn)得到的標(biāo)號(hào)M20的錨栓斷口均呈現(xiàn)明顯的疲勞源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)，具有疲勞斷口的宏觀基本特征，屬于典型的疲勞破壞。

(5)不同加載制度下錨栓斷裂失效循環(huán)次數(shù)差異明顯，增幅加載利于其塑性性能的發(fā)揮。