鋼支撐低周疲勞性能研究綜述

鋼支撐低周疲勞性能研究綜述

中央支撐結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)是高度明確的，完整性好。這是多層板結(jié)構(gòu)中常用的一種常見類型。支撐構(gòu)件是該體系中的重要抗側(cè)力構(gòu)件,以受軸力為主,在罕遇地震下大多會失去穩(wěn)定。設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)甚至可能因支撐的失穩(wěn)、斷裂引起結(jié)構(gòu)的整體倒塌。因此,有關(guān)支撐低周疲勞性能的研究一直是鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。有關(guān)鋼支撐低周疲勞性能的研究主要采用試驗(yàn)和有限元分析方法,筆者就現(xiàn)有的一些資料,介紹了這2種方法的研究成果,并指出了目前研究存在的問題及可深入研究的方向。1試驗(yàn)與研究有關(guān)鋼支撐低周疲勞性能的研究始于20世紀(jì)80年代末,國內(nèi)外學(xué)者主要針對3種截面類型的支撐進(jìn)行了系統(tǒng)的試驗(yàn)研究,分述如下。1.1低周疲勞壽命估算公式LEE及LIU等對A500B材質(zhì)管形截面鋼支撐的低周疲勞性能試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),鋼支撐的低周疲勞壽命與其受壓翼緣截面的寬厚比、長細(xì)比、截面寬高比以及材料的機(jī)械性能密切相關(guān)。TANG等基于上述試驗(yàn)結(jié)果回歸出了管形截面支撐的低周疲勞壽命估算公式:式(1)中:Δf是鋼支撐低周疲勞壽命限值;CS是材料系數(shù),由試驗(yàn)確定CS=262;(b-2t)/t是翼緣凈寬厚比;b/d是翼緣寬與腹板高的比值;kl/r是鋼支撐長細(xì)比。考慮到上述公式不能考慮材料強(qiáng)度對低周疲勞壽命的影響,LEE等對公式進(jìn)行了修正,修正過程中去除了長細(xì)比的影響,公式如下。Δf=CS(317/fy)1.2[(b-2t)/t]1.6(4(b/d)+15)Δf=CS(317/fy)1.2[(b?2t)/t]1.6(4(b/d)+15)。(2)式中:CS=1335;fy是支撐鋼材的屈服強(qiáng)度,以MPa為單位。對填充混凝土管形截面支撐,LEE等認(rèn)為仍可用式(2)來估算支撐的低周疲勞壽命,但式中的翼緣凈寬(b-2t)用等效翼緣寬代替(見式(3))?？梢?當(dāng)kl/r>90時(shí),同樣截面的鋼支撐,填充混凝土?xí)r的低周疲勞壽命要高于不填充混凝土的,原因是混凝土的存在在一定程度上抑制了支撐局部屈曲的發(fā)展。1991年,HASSAN等在GUGERLI和LEE等試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,對式(2)進(jìn)行了修正,修正后CS=1560。1995年,ARCHAMBAULT等在試驗(yàn)基礎(chǔ)上,提出了一個(gè)可同時(shí)考慮長細(xì)比和材料強(qiáng)度的支撐低周疲勞壽命估算公式:式(4)中CS=0.0184,其余同式(1)。2001年,SHABACK對ARCHAMBAULT的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了補(bǔ)充,提出了如下支撐低周疲勞壽命的估算公式:式(5)中CS是試驗(yàn)常數(shù),取0.065。值得注意的是,式(5)中fy對支撐低周疲勞性能的影響與式(2)、式(4)均不一致。前述公式中,若Δf>Δfexp,不出現(xiàn)疲勞破壞。Δfexp基于“受拉變形”計(jì)算,即圖1中的A點(diǎn)至B點(diǎn)的變形,其值按式(6)確定。Δfexp=∑(0.1Δ1+Δ2)。(6)式(6)中:Δ1,Δ2的取值參見圖1。由式(6)可見,支撐在拉直過程中的損傷要遠(yuǎn)小于拉直后變形繼續(xù)增大時(shí)所造成的損傷。SHABACK基于Δfexp=∑(Δ1+Δ2)還提出了另外一組支撐低周疲勞壽命的估算公式:式(7)中CS=29.5。TREMBLAY對38個(gè)管形支撐低周疲勞性能試驗(yàn)分析后發(fā)現(xiàn),支撐的低周疲勞斷裂主要是由于截面角部局部屈曲位置的高應(yīng)變導(dǎo)致的,局部屈曲最主要取決于長細(xì)比及加載制度?；诖?提出了如下支撐低周疲勞壽命估算公式:μf=a+bλB。(8)式(8)中:μf是在支撐失效的半個(gè)受拉循環(huán)之前,其受拉達(dá)到的峰值延性與受壓達(dá)到的峰值延性之和,如圖2所示;λB是正則長細(xì)比;a,b是回歸常數(shù),分別取2.4,8.3。式(8)形式簡單,但其考慮的因素剛好是式(2)所忽略的因素,因此其通用性有待驗(yàn)證。TREMBLAY等指出,式(8)對單斜支撐的低周疲勞壽命預(yù)測時(shí)效果較好,但預(yù)測X形支撐可能偏不安全,因此又提出如下預(yù)測支撐低周疲勞壽命的公式:θf=0.091(b0t)-0.1(d0t)-0.1(klr)0.3θf=0.091(b0t)?0.1(d0t)?0.1(klr)0.3。(9)式(9)中:θf是塑性鉸處的轉(zhuǎn)角;b0/t,d0/t是翼緣、腹板高厚比。2004年,MADHAR在方管支撐低周疲勞性能試驗(yàn)基礎(chǔ)上,基于Δfexp=∑(Δ1+Δ2)又提出了如下壽命估算公式:Δf=378×λ0.19B[(b-2t)/t]0.94Δf=378×λ0.19B[(b?2t)/t]0.94。(10)1.2格構(gòu)式截面的壽命估算公式鑒于格構(gòu)式支撐截面在美國應(yīng)用較多,LEE等對其低周疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,試驗(yàn)中采用組合工字形和管形2種截面(見圖3),研究發(fā)現(xiàn),對格構(gòu)式截面,長細(xì)比對支撐的低周疲勞壽命影響不顯著。在采用TANG等及ARCHAMBAULT等的低周疲勞壽命估算公式預(yù)測壽命與試驗(yàn)結(jié)果對比時(shí),結(jié)果不理想。在此基礎(chǔ)上,對ARCHAMBAULT等的公式進(jìn)行了改進(jìn),提出如下估算格構(gòu)式截面支撐低周疲勞壽命的經(jīng)驗(yàn)公式:Δf=CS(317/fy)1.2(b/t)0.7。(11)式(11)中CS=155,Δfexp的計(jì)算見式(6)。1.3結(jié)構(gòu)鋼支撐低周疲勞性能試驗(yàn)從以上研究可見,國外對支撐低周疲勞損傷的研究主要集中在管形及格構(gòu)式截面支撐上,這主要是因?yàn)閲舛?、高層鋼結(jié)構(gòu)中的支撐以這些截面為主。中國國內(nèi)多、高層鋼結(jié)構(gòu)中的鋼支撐則以工字形截面為主,為此,連尉安對28個(gè)兩端單向鉸接(試件鉸支構(gòu)造見圖4)ST12材質(zhì)工字形鋼支撐進(jìn)行了低周疲勞性能試驗(yàn),在假定加載幅值及幾何特征對試件低周疲勞損傷影響相互獨(dú)立的基礎(chǔ)上,提出了用于估算ST12材質(zhì)焊接工字形鋼支撐可見裂紋萌生(裂紋肉眼可見)時(shí)的壽命公式:Νf1=Cf1(Δδδy)-1.4031×λ1.6367(h/tw)0.6053(b/t)2.1684。(12)式(12)中:Cf1是與材料有關(guān)的系數(shù),對ST12鋼材取Cf1=19.5?？紤]到中國多、高層鋼結(jié)構(gòu)中廣泛應(yīng)用的是Q235工字形截面鋼支撐,張耀春等在已有的ST12工字形截面鋼支撐低周疲勞性能試驗(yàn)基礎(chǔ)上,采用相同的試驗(yàn)裝置(見圖4)對19根Q235工字形鋼支撐進(jìn)行了低周疲勞性能試驗(yàn),并回歸出了可考慮屈服強(qiáng)度影響的焊接工字形鋼支撐可見裂紋萌生時(shí)的壽命估算公式:Νf1=C11(Δδδy)-1.1824×λ1.6239(b/t)1.7962(fy235)-0.8658。(13)式(13)中C11是常數(shù),取25.82。從3種截面類型的支撐低周疲勞性能研究成果可見,長細(xì)比越大,翼緣板件寬厚比越小,加載幅值越小,低周疲勞壽命就越高。但屈服強(qiáng)度對其壽命的影響規(guī)律還不確定,可就此方面繼續(xù)開展研究。目前,國際上對鋼支撐低周疲勞性能已進(jìn)行了較多的試驗(yàn)研究,但對中國的多、高層鋼結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多的工字形截面鋼支撐的研究還不夠透徹。比如,式(13)的結(jié)論可否用在Q345工字形鋼支撐上?實(shí)際支撐的端部約束條件非兩端理想鉸接,可否僅用長細(xì)比的不同替代?同樣端部約束、截面尺寸、材質(zhì)、加載幅值條件下軋制截面與焊接截面支撐的低周疲勞壽命是否相同?足尺試件與縮尺模型試件之間是否有尺寸效應(yīng)?這些問題還有待進(jìn)一步研究。2abaqus有限元模型分析與試驗(yàn)相比,有限元程序可較精確地模擬構(gòu)件的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),有限元仿真能夠提供零部件表面的疲勞損傷分布。地震作用下,支撐會進(jìn)入到彈塑性狀態(tài),其疲勞失效是典型的低周疲勞問題。目前,對支撐低周疲勞性能的數(shù)值研究主要采用基于應(yīng)變的方法。該方法認(rèn)為支撐的低周疲勞斷裂主要是由于局部屈曲位置塑性應(yīng)變的累積,其本質(zhì)是建立了塑性應(yīng)變和損傷之間的關(guān)系,當(dāng)材料損傷D=0時(shí),認(rèn)為沒有損傷;D=1.0時(shí),材料斷裂。MADHAR通過USDFLD子程序,將自編的考慮損傷的各向異性鋼材模型嵌入到ABAQUS中,并定義當(dāng)某積分點(diǎn)處的累積塑性應(yīng)變達(dá)到一定值時(shí),降低該處剛度以考慮損傷。將有限元計(jì)算的壽命與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比,結(jié)果較好。連尉安和于海豐等在ABAQUS有限元軟件以及疲勞分析平臺FE-SAFE基礎(chǔ)上,基于3種多軸臨界面損傷模型(主應(yīng)變模型、最大剪應(yīng)變模型和Brown-Miller組合應(yīng)變模型),借助雨流計(jì)數(shù)法及Miner線性累積損傷理論,對文獻(xiàn)的工字形鋼支撐低周疲勞進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明,有限元可較準(zhǔn)確地模擬出裂紋萌生位置,且預(yù)測壽命基本在實(shí)測壽命的4倍分散帶以內(nèi),偏于安全一側(cè)(見圖5)。預(yù)測壽命明顯低于實(shí)測壽命的主要原因在于,試驗(yàn)中的壽命是肉眼觀測到宏觀可見裂紋時(shí)的壽命,與有限元中將積分點(diǎn)的累積損傷最大值Dnimax=1時(shí)的壽命定義為裂紋萌生壽命的意義并不一致。因此,支撐失效全過程(即裂紋萌生-擴(kuò)展-支撐斷裂)模擬相關(guān)方面的研究有待開展。同時(shí),模擬過程中也應(yīng)考慮殘余應(yīng)力的影響。3低周疲勞性能研究國內(nèi)外學(xué)者已對支撐的低周疲勞性能進(jìn)行了一系列的研究,但仍有一些問題值得繼續(xù)研究。1)從目前的研究方法上看,采用