装配式建筑梁柱节点低周疲劳损伤识别研究

陈墨

(安徽工业经济职业技术学院，安徽 合肥 230051)

0 引言

建筑结构的疲劳行为可划分为两种不同模式：低周疲劳与高周疲劳[1]。低周疲劳产生的主要原因为循环塑性应变，以高应力-应变与低循环寿命为特点，结构的时效循环次数较少[2]。高周疲劳则由弹性范围内循环荷载对应的应力与应变造成，失效循环次数较多。低周疲劳是装配式建筑结构面临的主要问题，也是威胁装配式建筑安全运行的主要影响因素[3]。当装配式建筑梁柱节点发生低周疲劳失效时，将导致装配式建筑发生断裂事故，造成严重的财产损失与人员伤亡。为避免装配式建筑结构因低周疲劳损伤产生严重危险事故，本文研究装配式建筑梁柱节点低周疲劳损伤识别方法。识别方法为通过梁柱节点低周疲劳寿命评估与低周疲劳损伤失效准则确定装配式建筑梁柱节点低周疲劳损伤情况。

1 装配式建筑梁柱节点低周疲劳损伤识别方法

1.1 梁柱节点低周疲劳寿命评估

装配式建筑梁柱节点在疲劳荷载影响下，有较大概率产生不同类型的应力集中现象[4]，当疲劳荷载影响达到一定值时，会出现塑性变形，塑性变形会对装配式建筑梁柱节点的延性产生显著影响。当装配式建筑梁柱节点材料的屈服点与其应力幅值相比较低时，需调整材料的弹性应力幅值，以此获取真实应力幅值[5]。

在评估装配式建筑梁柱节点低周疲劳寿命时采用S-N曲线分析法，在低周疲劳寿命评估过程中引入高周疲劳分析理论，在合理的设定条件下，以应变幅取代S-N曲线内的应力幅，同时对应转换相关参数[6]，由此完成装配式建筑梁柱节点低周疲劳分析，详细分析过程如下。

循环应力-应变曲线同Neuber双曲线图，见图1。

图1 循环应力-应变曲线同Neuber双曲线

Neuber双曲线方程可通过式(1)描述：

(1)

式中:σn和S分别表示名义应力和通过线性分析获取的装配式建筑梁柱节点位置应力集中系数；W和σa分别表示弹性模型和真实热点应力；m和K′均为材料系数，两者可由实验获取。

基于以上过程获取真实热点应力σa后，利用Ramberg-Osgood方程可获取装配式建筑梁柱节点的真实应变εnl：

(2)

通过式(2)能够确定装配式建筑梁柱节点的伪热点应力σp：

σp=Wεnl

(3)

基于伪热点应力σp，参考国家相关标准中对装配式建筑梁柱节点设定的不同连接形式的S-N曲线，能够确定装配式建筑梁柱节点的低周疲劳寿命(即疲劳荷载循环次数)M：

(4)

式中，ν和b均为材料常数，可通过国家相关标准中所示的疲劳细节类型确定[7-8]。

1.2 低周疲劳损伤失效准则

确定低周疲劳损伤准则是识别装配式建筑梁柱节点低周疲劳损伤的前提[9]，以此为基础能够确定装配式建筑梁柱节点的疲劳寿命。此处需着重提出一点，装配式建筑结构梁柱节点的损伤失效并非节点完全损坏，还包含梁柱节点整体与局部构建屈曲、梁柱节点所用材料的循环软化或硬化，以及不同梁柱节点间连接件受损等[10-11]。基于此，可选取以能量耗散与等效位移幅度的低周疲劳为基础的疲劳损伤失效准则识别装配式建筑梁柱节点的低周疲劳损伤情况。

以能量耗散性能下降为指标分析疲劳损伤失效准则最初应用于分析半刚性梁柱节点的低周疲劳[12]。通过梁柱节点疲劳荷载条件下的最终能量耗散系数φf与最初能量耗散系数φ0确定低周疲劳寿命，公式描述如下：

(5)

式中，αf表示比例系数，可通过梁柱节点类型与材料特性的实验结果拟合确定αf取值。在αf取值为0.5的条件下可获取较为精准的梁柱节点低周疲劳寿命[13]。φf与φ0可通过实际梁柱节点的能量耗散与理想弹塑性材料梁柱节点的能量耗散比值确定，公式描述如下：

(6)

(7)

式(6)、(7)中：Ec和Ef分别表示最终实际梁柱节点的能量耗散与最初实际梁柱节点的能量耗散；E0和Ec0分别表示最终理想弹塑性材料梁柱节点的能量耗散和最初理想弹塑性材料梁柱节点的能量耗散。在常幅疲劳荷载条件下，Ec与Ec0相等，基于此，可简化式(5)得到：

(8)

(9)

计算结果受疲劳荷载循环次数M波动的影响，获取的梁柱节点产生低周疲劳损伤失效的循环次数合理。

在确定αf时，可通过观察装配式建筑结构构件，利用梁柱节点的位移幅确定并识别梁柱节点的低周常幅度疲劳损伤破坏模式，以Δβth表示位移门槛值，其值可由实验确定，即静载条件下梁柱节点极限强度条件下位移量的两倍；同时Δβth值也可通过当前实验数据拟合的方法确定，公式描述如下：

(10)

式中:βz表示拟合系数；γ表示焊缝与梁柱节点构造细节相关的参数，在焊缝与梁柱节点构造细节抗疲劳状况较好或较差的条件下，γ值分别取1.0和0.5；ξ表示无量纲系数；θw和θf分别表示梁腹板的高厚比系数和梁翼缘的宽厚比系数，两个系数可通过以下公式确定：

(11)

(12)

式中：Gw表示梁腹板的高度;tw表示梁腹板的厚度；yf表示梁翼缘的宽度;tf表示梁翼缘的厚度。

对焊接装配式建筑构件与梁柱节点进行低周疲劳测试，依照所施加的位移幅Δβ和位移幅门槛值Δβth的比值可将装配式建筑梁柱节点低周疲劳损伤模式划分为3种[15]，如式(13)所示：

(13)

2 实验分析

为验证本文研究的装配式建筑梁柱节点低周疲劳损伤识别方法的有效性，选取装配式建筑中T型管状的梁柱节点为研究对象，以Abaqus 6.13版有限元软件为分析平台，采用本文方法识别其在外循环载荷影响下的低周疲劳损伤情况。

所选研究对象几何尺寸如图2所示，该节点为T型管。

图2 研究对象几何形状与尺寸

根据图2所示的研究对象的几何形状和尺寸，设定研究对象材料循环应力、应变行为满足Ramberg-Osgood方程，研究对象的材料系数与应力、应变曲线如图3所示。

(a)弦杆

(b)撑杆图3 研究对象材料的应力与应变曲线

根据图3所示，研究对象材料分为弦杆和撑杆，其中弦杆应变曲线比撑杆应变曲线的变化幅度更陡。利用Abaqus 6.13版有限元软件对研究对象进行非线性有限元分析，以8节点壳单元S8R为网格，根据DNV-RP-C203规范标准给定研究对象网格尺寸做法，研究对象有限元模型节点局部细化网格示意图如图4所示。

图4 研究对象有限元模型节点局部细化网格示意图

根据图4有限元模型节点局部细化网格，设定研究对象有限元模型边界条件，并施加载荷。为分析低周疲劳循环条件下研究对象裂纹发生的初始区域与裂纹终结区域，获取低周疲劳循环条件下研究对象的缺口根部与中心处损伤的对比波动情况，该对比波动情况是随循环次数的提升而提升的，具体对比波动结果如图5所示。

图5 低周疲劳损伤对比波动情况

分析图5得到，随着低周疲劳循环次数的增加，位移幅与位移幅门槛值的比值也显著提升，由此说明研究对象低周疲劳损伤裂纹发生的初始区域为研究对象中心处，这一结论符合相关学者的实验结论。依照本文的低周疲劳寿命评估方法，确定研究对象低周疲劳寿命设计曲线，如图6所示。

图6 低周疲劳S-N曲线

根据图6能够看出伪热点应力值随着研究对象的低周疲劳寿命(即疲劳荷载循环次数)的增加而降低，在低周疲劳寿命为200月时，伪热点应力为200 MPa。其原因是疲劳损伤失效准则可以有效描述梁柱节点的受损破坏模式，同时参考梁柱节点的强度与能量耗散等特征参数，提升装配式建筑梁柱节点疲劳设计的安全性。通常情况下，可将梁柱节点静载强度理论作为基础判断梁柱节点的高周疲劳损伤寿命。

3 结论

装配式建筑梁柱节点有较大概率产生低周疲劳损伤，低周疲劳损伤造成梁柱节点脆性断裂的同时还有较大概率对建筑整体的延性性能与能量耗散产生影响。为此本文研究装配式建筑梁柱节点低周疲劳损伤识别方法，通过低周疲劳寿命评价与低周疲劳损伤失效准确判断装配式建筑梁柱节点损伤情况。随着低周疲劳循环次数的提升，位移幅与位移幅门槛值的比值显著提升，本文设计的方法可以提升装配式建筑梁柱节点疲劳设计的安全性。期望本文的研究能够为装配式建筑的应用提供更有效、更广泛的理论基础与应用支撑。