过渡平板支座节点在超低周疲劳试验中锚栓的损伤累积试验研究

王 强， 李海旺， 宋夏芸， 王兴宇

(太原理工大学土木工程学院,太原 030024)

时至今日,地震依然是人们无法预告、控制和避免的最残酷的自然灾害之一,灾难性地震发生时常常会造成无法估量的巨大损失。网格结构的建筑在震后通常可作为临时的应急避难场所[1],因此确保网格结构在灾难地震作用下的安全性能成为防灾减灾领域的重要研究课题[2-3]。支座节点作为网格结构中上部网架和下部支承体系的连接部位,在地震中受力复杂,它的破坏将直接影响到整体结构的安全性及震后继续使用的功能。目前,中国学者对钢结构以及平板支座的超低周疲劳破坏的研究已经取得了一定的成果。罗云蓉等[4]对Q235钢结构材料进行超低周疲劳性能研究,得出材料超低周疲劳循环响应特征,建立了试验钢的超低周疲劳应变-寿命计算模型；王志宇等[5]对钢框架梁柱节点在地震荷载作用下的低周疲劳损伤积累的分析方法和损伤积累分析模型进行了综述性介绍；崔瑶等[6]主要针对砂浆层厚度对平板支座的抗震性能的影响开展了有限元参数研究,在平板支座抗震性能的受力机理及锚栓的传力机制等方面取得了成果；廖芳芳等[7]主要对方钢管柱与H型钢梁直接焊接节点在往复荷载下进行试验与有限元分析，并采用两种模型进行了断裂预测,得出微观断裂判据对钢结构节点的超低周疲劳断裂预测有较好的适用性；石永久等[8]针对扩大型梁柱节点进行反复荷载下破坏试验,得出焊接质量是防止节点脆性破坏的首要保证的结论；熊俊[9]对钢框架焊接节点焊缝区域和节点整体进行了试验研究,分析了节点焊缝开裂和整体性能损伤的物理机理,研究了适用于焊接节点开裂和损伤分析的有限元方法及损伤演化方程,并提出了考虑损伤过程的焊接节点简化计算模型。然而目前有关灾难地震作用下钢结构的超低周疲劳研究仍主要集中在材料本构及钢框架节点上,关于整体支座节点的超低周疲劳研究仍然很少。

基于此,以用于中小跨度网架的过渡平板支座为研究对象,对其开展超低周疲劳试验,主要研究支座节点在不同的竖向力、水平方向大位移往复加载下锚栓及底板倾角变化规律,进而研究整体支座节点中锚栓的损伤累积过程,为震后平板支座节点剩余承载力评估提供参考。

1 试验概况

1.1 试验加载装置

为模拟试件实际受力状况，设计了双向加载装置，整体布置如图1所示。通过FCS(fieldbus control system,现场总线控制系统)电液伺服加载系统对网架过渡平板支座施加水平往复荷载,作动器基座位置通过连接板锚固于实验室大型剪力墙上,机身上部设置两道可调拉索锚固于剪力墙上。加载过程中为防止作动器发生平面外摆动,在作动器前身左右两侧与反力架之间设置可调拉索,同时为防止作动器加载时机身上抬设置可调高强螺母螺栓组件卡入作动器机身与上部反力架短梁间，如图1所示,使用千斤顶施加竖向荷载,千斤顶基座锚固于平板滑移小车上,平板滑移小车固定于反力架上部横梁上,以保证水平加载过程中竖向力可随支座进行水平移动,不致发生过大偏心。千斤顶活塞与法兰盘通过高强度螺栓连接,法拉盘与球铰相连,球铰可抗拔并承压,用以释放加载过程中平板支座可能产生的过大倾角。安装实物图如图2所示。

图1 加载装置整体布置Fig.1 Overall layout of loading device

图2 安装实物图Fig.2 Actual installation drawing

1.2 试验试件设计

针对用于中小跨度为30～40 m的螺栓球网架的支座节点,依据《空间网格技术规程》(JGJ 7—2010)[10]设计了足尺的支座节点。试验试件所用肋板、底板、过渡板及4根锚栓均采用Q235B级钢,螺栓球直径为180 mm,材料为45号钢。锚栓与过渡板采用塞焊连接,并将过渡板上焊接的锚栓编号为锚栓1、2、3、4,过渡板与底柱柱面使用8个M16定位螺栓及4个沉头螺栓连接。试件尺寸及构造如表1及图3所示。

单位：mm图3 试件尺寸及构造Fig.3 Specimen size and structure

表1 试件基本参数Table 1 Basic parameters of specimen

在实际工程中为释放温度应力产生的水平位移,常在支座底板开长圆孔,但由于安装过程中的一系列原因,长圆孔并不能发挥作用。为保证支座节点在一定范围内能自由水平滑动,在支座底板与过渡板之间加铺聚四氟乙烯板,减小过渡板与支座底板间的摩擦力。

1.3 试验加载及量测

试验采用双向加载方案,竖向力恒定,横向采用增幅位移控制加载,以螺栓球沿加载正方向移动时为加载正向,反之为负向。加载位移幅值从2 mm开始,每级增幅2 mm,每级幅值循环3次,水平位移加载频率为0.1 Hz,直至试件破坏,如图4所示。

图4 加载方案Fig.4 Loading plan

锚栓倾角和支座整体倾角作为支座节点损伤累积最直观的的表现形式,因此主要针对锚栓倾角及支座整体转角进行研究,需在4个锚栓上分别布置4个SVT626T双轴数字型倾角计,实时跟踪测量支座锚栓倾角的变化,得出不同竖向力下锚栓倾角的变化规律；借助Artec EVA 3D扫描仪对试验前后的试件模型重塑对比后发现,试件在加载前后底板、肋板以及螺栓球均无明显塑性变形,故可认为支座底板倾角即为整个支座的转角,需在支座底板东西两侧布置两个倾角仪,得出加载过程中整体支座节点随加载循环过程的倾角变化规律。

2 试验结果分析

2.1 试件破坏过程

试验过程中试件S01～S04破坏过程及结果基本相似,图5仅示出试件S01的破坏过程。试件在初始小位移加载时底板不会移动,随着加载位移增大,支座底板开始平移,随后锚栓根部与长圆孔孔壁接触,底板开始上抬,继续循环加载后底板倾角及锚栓倾角越来越大,卸载后锚栓残余变形显著。由于竖向力不同,试件S01和S03在底板滑移、抬起等时刻循环次数有所差异,试件S01在第13次、S03在10第次正向加载时克服摩擦力开始移动,随着循环次数的增加,S01在第22次、S03在第19次正向加载时底板抬起,后续循环加载底板抬起高度明显增加,S01在正向加载32 mm第47次时、S03在正向加载34 mm第51次时锚栓1断裂,之后的循环加载中S01在49次时锚栓2、3断裂,S03在负向加载第51次锚栓3、4断裂,负向加载第52次时锚栓2断裂,支座完全失效。表2所示为试件S01～S04在失效过程中各状态与循环次数的结果。

图5 试件S01破坏过程Fig.5 Failure process of specimen S01

表2 支座特征状态与循环次数Table 2 Bearing characteristic state and cycle times

试验表明在往复荷载作用下过渡平板支座节点中锚栓的断口截面具有明显的超低周疲劳破坏特征。如图6所示,两试件的断口截面均明显可分为3个区域:裂缝起源区、裂缝扩展区及瞬断区。断裂后的锚栓均产生了不可恢复的弯曲变形,锚栓根部也发生了颈缩现象。

图6 试件锚栓断口Fig.6 Specimen anchor bolt fracture

2.2 锚栓倾角随循环次数变化规律

4根锚栓的倾角在往复加载的过程中表现出明显的规律变化。图7和图8所示为试件S01和S03的4根锚栓倾角变化曲线,两试件锚栓倾角均随循环次数呈现“阶梯式”增长趋势,但因竖向力的不同而有所差异。试件S01的4根锚栓倾角在正负向加载及卸载均保持较一致变化,随着加载幅值的增加,锚栓倾角均呈现“阶梯式”增长趋势,表明锚栓在往复荷载作用下由于受到的水平力及上拔力增加导致锚栓根部软化使得锚栓倾角增加。当正向加载时,锚栓1承受的上拔力最大,反之为锚栓2。锚栓1在正向位移加载、锚栓2在负向位移加载时倾角变化更为明显,增长速率也更快,表明锚栓1在正向位移作用下和锚栓2在负向位移作用下损伤积累比较快,当损伤积累到一定程度时锚栓1根部左侧和锚栓根部右侧首先出现裂缝,随后锚栓根部另一侧也产生裂缝,锚栓1、2倾角在加载第44次时急剧变大说明此时两锚栓损伤严重,即将失效。锚栓3和锚栓4在正负向加载时受到的力基本相同,二者的倾角变化在正负向加载基本呈现对称式增加,锚栓3和锚栓4在正负向加载及卸载过程中倾角均随着加载幅值的增加而缓慢增加,表明两锚栓损伤缓慢积累,当损伤累积到一定程度时锚栓根部左侧在正向加载时产生裂缝,锚栓根部右侧在负向加载时开裂。

试件S03在加载过程中的锚栓倾角变化趋势基本与S01相近,但竖向力的不同导致整体支座节点的水平刚度有所差异,锚栓在同一加载位移下受到的力不同使得锚栓在同一循环次数时损伤累积程度有所不同。与S01相比,S03锚栓1、2的倾角变化更为平缓,最后急剧增大,断裂更为突然,说明适当的加大竖向力会对锚栓的损伤累积起到保护作用,会增加锚栓的疲劳寿命。

图7 试件S01锚栓倾角变化趋势Fig.7 The inclination trend of anchor bolt of sample S01

图8 试件S03锚栓倾角变化趋势Fig.8 The inclination trend of anchor bolt of sample S03

2.3 支座整体转角随循环次数变化规律

加载过程中支座节点整体会发生倾转,锚栓受到上拔力的作用,节点整体转角越大，锚栓受到的上拔力也会增加,锚栓受到的损伤越严重,说明支座整体转角即底板倾角也可作为一个评估锚栓损伤严重程度的指标。图9所示为试件S01和S03支座整体转角随循环次数变化规律,两试件的支座倾角变化因竖向力的不同而差异显著。试件S01在加载位移为16 mm(第24次)之前,水平力产生的弯矩还不足以平衡竖向力产生的抵抗弯矩,底板倾角基本维持在0左右,此过程中锚栓主要承受剪力,可认为其损伤轻微；随后在加载过程中底板倾角呈“阶梯式”增长,可见加载幅值的增加会使得底板倾角增大,卸载后底板倾角也呈现缓慢增加的趋势,此过程中锚栓受到剪力与上拔力的组合作用,可认为锚栓受到的损伤在缓慢积累；往复加载至43次时恒幅循环3次时支座整体转角也随循环次数有所增加,该阶段锚栓损伤快速累积；往复加载至锚栓断裂,锚栓损伤严重,限制底板上抬的约束有所减弱,使得底板倾角继续增加；4根锚栓全部断裂后,整个支座在过渡板上水平移动,底板倾角为0。

图9 支座节点整体转角变化趋势Fig.9 Change trend of overall corner of bearing node

试件S03循环前20次支座转角小于0.5°,表明锚栓损伤轻微；循环加载至35次期间转角增长缓慢；循环35次以后,加载幅值的增大使得底板上抬更为明显,在此阶段锚栓弯曲形态肉眼可见,锚栓受到的损伤也在快速累积；继续循环加载至锚栓断裂阶段,支座转角进一步加大,支座整体转角在第51次时突然减小,此时4根锚栓损伤已非常严重,不能对底板形成约束,使其继续倾转。

全过程中两支座的整体转角呈现明显的阶段性变化:平稳发展、缓慢增加、忽然减小,表明损伤在循环加载全过程也呈现出3阶段变化:损伤轻微、塑性稳定发展损伤逐渐积累、损伤极为严重。

3 结论

对过渡平板支座节点在大位移往复荷载试验中锚栓的损伤累积进行了研究,得到以下结论。

(1)过渡平板支座节点中的锚栓倾角及整体转角变化规律可反映支座节点的锚栓在往复荷载作用下的损伤累积程度,也能较好地反映试件损伤过程,可通过这两类变化指标为震后网架结构支座节点的工作状态提供参考。

(2)适当地加大竖向力会对锚栓的损伤累积起到一定的保护作用,有助于提高锚栓的疲劳寿命。

(3)锚栓断口截面形状有明显的超低周疲劳破坏特征,断裂后的锚栓有明显的弯曲变形和颈缩现象。