Q345B鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)焊縫低周疲勞試驗

李萬潤, 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)，推動綠色建筑發(fā)展成為趨勢，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)勢愈發(fā)明顯.

二十世紀(jì)末發(fā)生的北嶺地震(里氏6.6級)與阪神地震(里氏7.2級)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.研究人員在對兩次地震的震后調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，美國多采用工字型截面，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].我國屬于地震災(zāi)害較為嚴(yán)重的國家，且人口密集，高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計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，結(jié)合能夠體現(xiàn)出上述內(nèi)容的構(gòu)件疲勞試驗對其進(jìn)行研究亦十分必要.

鑒于此，本文設(shè)計了六個足尺全焊連接的梁柱節(jié)點(diǎn)焊縫低周疲勞試驗，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，通過試驗研究梁柱節(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 試驗設(shè)計

1.1 試件概況及試驗裝置

本文共進(jìn)行六個全焊連接的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)試件疲勞試驗.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I級.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50 T的千斤頂來實現(xiàn).試驗采用100 T MTS作動器于梁端施加往復(fù)荷載，梁端使用帶卡槽的鋼板夾具夾緊，通過絲桿與作動器連接，盡量減小在加載過程作動器與梁端連接松動出現(xiàn)的滑移造成試件實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，防止加載過程中作動器加載方向與試件中心錯動導(dǎo)致的平面外失穩(wěn).

圖2 試驗正面Fig.2 Front view of test

1.2 試驗加載制度

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 試驗數(shù)據(jù)測量

1.3.1應(yīng)變數(shù)據(jù)測量

應(yīng)變數(shù)據(jù)采集測點(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)變測點(diǎn)測量加載過程中梁端焊趾受力情況(靠近作動器測點(diǎn)6～8、遠(yuǎn)離作動器測點(diǎn)14～16)；2) 靠近柱翼緣焊趾線旁布置單向應(yīng)變測點(diǎn)測量加載過程中焊縫附近柱受力情況(靠近作動器測點(diǎn)35～40、遠(yuǎn)離作動器測點(diǎn)29～34)；3) 沿梁長度方向間隔10 cm布置5個單向應(yīng)變測點(diǎn)，測量加載過程中梁沿高度方向應(yīng)力變化趨勢(靠近作動器測點(diǎn)1～5、遠(yuǎn)離作動器測點(diǎn)9～13)；4) 兩側(cè)焊接孔處幾何變化復(fù)雜，布置應(yīng)變測點(diǎn)，測量加載過程中工藝孔附近焊趾應(yīng)力變化規(guī)律(靠近作動器測點(diǎn)23～28、遠(yuǎn)離作動器測點(diǎn)17～22).具體布置位置如圖4所示.

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

1.3.2位移數(shù)據(jù)測量

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

圖5 位移數(shù)據(jù)測點(diǎn)分布

2 試驗加載過程及破壞形態(tài)

試件1(變幅加載1)：試驗加載至第三個滯回圈時(7.5 mm)有輕微開裂聲，但并無可見裂縫；加載至第10圈時(18.75 mm)，遠(yuǎn)離作動器一側(cè)焊接孔處有漆皮脫落；加載至第13圈時(26.25 mm)，靠近作動器一側(cè)梁翼緣焊接孔處出現(xiàn)微紋，隨后遠(yuǎn)離作動器一側(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(33.75 mm)，試件發(fā)出巨響，靠近作動器一側(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破壞過程

試件2(變幅加載2)：試件加載至第11次循環(huán)時(22.5 mm)，靠近作動器一側(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(22.5 mm)，靠近作動器一側(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(-30 mm)，遠(yuǎn)離作動器一側(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(30 mm)，腹板焊縫焊趾裂紋擴(kuò)展至10 mm,靠近作動器一側(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(+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，翼緣被壓屈曲；加載到第28次循環(huán)(+41.25 mm)，靠近作動器一側(cè)翼緣裂縫貫穿整個截面，第28次循環(huán)(-41.25 mm)時，遠(yuǎn)離作動器一側(cè)翼緣裂縫貫穿整個截面，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，并無明顯現(xiàn)象，加載至第14次循環(huán)時(26.25 mm)，焊接孔處出現(xiàn)掉漆；加載至第15次循環(huán)時(26.25 mm)，梁腹板焊接孔焊縫出現(xiàn)微小裂紋，隨后靠近作動器一側(cè)翼緣端部應(yīng)變片由于變形過大脫落，靠近作動器一側(cè)翼緣端部焊趾出現(xiàn)微裂紋；加載至第18次循環(huán)時(33.75 mm)，靠近作動器一側(cè)梁翼緣裂縫發(fā)展至15 mm，同時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(41.25 mm)，靠近作動器一側(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(-41.25 mm)，遠(yuǎn)離作動器一側(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(-45 mm)，遠(yuǎn)離作動器翼緣焊接孔位置撕裂；加載至第24次循環(huán)時(45 mm)，靠近作動器一側(cè)裂縫貫穿，試件破壞，如圖6c所示.

試件4(常幅加載1)：本次試驗為循環(huán)加載，加載進(jìn)入第三圈時，有輕微開裂聲；進(jìn)入第16次循環(huán)時，靠近作動器一側(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，翼緣端部焊縫沿焊趾線發(fā)展至4 mm；第34次循環(huán)時依然沿焊趾橫向發(fā)展，達(dá)到25 mm，同時梁腹板焊接孔出現(xiàn)裂紋；進(jìn)行到第50次循環(huán)時，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，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，裂縫貫穿截面，如圖6d所示.

試件5(常幅加載2)：試驗進(jìn)行到第2次循環(huán)時(30 mm)，靠近作動器一側(cè)梁翼緣出現(xiàn)漆皮掉落；加載至第三次循環(huán)時(30 mm)，靠近作動器一側(cè)翼緣焊縫焊趾中部開始出現(xiàn)微裂紋；第5次循環(huán)時(-30 mm)，遠(yuǎn)離作動器一側(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；隨后的加載過程中，靠近作動器一側(cè)裂紋發(fā)展較為緩慢，遠(yuǎn)離作動器一側(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，中部與端部裂縫匯合，加載至第29次循環(huán)時，裂縫貫穿遠(yuǎn)離作動器一側(cè)翼緣全截面，試件破壞，如圖6e所示.

試件6(隨機(jī)荷載)：加載過程中遠(yuǎn)離作動器一側(cè)翼緣焊接孔處焊趾首先沿厚度開裂，開裂時位移為-35 mm；隨后靠近作動器一側(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，靠近作動器一側(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為試件在往復(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稱并不能始終保持一致.

3 試驗結(jié)果分析

3.1 位移-荷載曲線

試驗中位移測點(diǎn)1由于位移計實際布置位置的誤差，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，是因為梁翼緣焊縫端部出現(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)加載峰值位移對應(yīng)的實時應(yīng)變值，少數(shù)應(yīng)變數(shù)據(jù)缺失是由于加載過程中構(gòu)件表面發(fā)生變形，導(dǎo)致應(yīng)變片脫落失效.從各位移幅值對應(yīng)的應(yīng)變值的變化來看，垂直梁翼緣焊縫的四個應(yīng)變測點(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，各試件翼緣分布的四個測點(diǎn)已全部進(jìn)入塑性階段；平行于焊縫焊趾上三個應(yīng)力測點(diǎn)在加載初期均表現(xiàn)為中間大兩端小的對稱分布，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，不再是呈對稱分布，對應(yīng)裂紋發(fā)展較快的位置應(yīng)變增長較快.

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)計并完成了六個足尺全焊連接的梁柱節(jié)點(diǎn)焊縫的低周疲勞試驗，對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有出現(xiàn)疲勞裂紋，梁截面相對柱截面更容易發(fā)生疲勞斷裂；

2) 由于本文的試驗?zāi)Ｐ蜎]有考慮焊接墊板的影響，幾乎六個試件在往復(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) 對比等幅加載與變幅加載試驗過程，發(fā)現(xiàn)試件經(jīng)歷由小變形到大變形的過程更能發(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.