随着人们对低周疲劳破坏过程和机理的进一步研究,近年来,很多学者指出:严格意义上讲,高周疲劳是指材料在低于其屈服强度的循环应力作用下,经10⁴～10⁵以上循环次数而产生的疲劳,高周疲劳的特点是作用于零件或构件的应力水平较低;低周疲劳指的是承受中等应变幅循环荷载所引起的疲劳破坏,循环寿命一般处于10²～10⁴周次之间;超低周疲劳,是指疲劳寿命在100周次以内的疲劳,是低周疲劳的极端行为。我国是一个地震多发国,历次震害表明,强震下螺栓球网格结构的破坏表现为杆件屈曲或拉断、杆中形成塑性铰并伴随断裂等,这些破坏的杆件经历了数次循环塑性应变的过程,其破坏形态具有超低周疲劳破坏的特征 ^[1]。网格结构在塑性变形中杆件形成塑性铰的性能在其抗震性能中具有重要作用,对结构整体的抗倒塌性能至关重要,成为网格结构设计领域的关键问题之一。

　　 目前,国内外学者针对强震下大跨网格结构弹塑性性能及破坏形态模拟分析的关键技术包括模拟材料塑性累积损伤 ^[2,3]、硬化、断裂 ^[4]及多次屈曲效应等 ^[5,6,7]开展了较多研究。廖芳芳等 ^[8]采用力和位移混合控制下的梁端加载法,对往复加载下方钢管柱和H形钢梁的直接焊接接头进行了试验,收集了梁端力和位移的滞回曲线,通过有限元分析预测超低周疲劳断裂。范峰等 ^[9]设计了一种常用于空间结构的圆形钢管的三维加载试验,重点研究材料的累积损伤本构,没有考虑螺栓球节点的影响,通过不同的加载方法研究了试样的空间滞回性能。本文通过对带有螺栓球节点的管球组合试件展开超低周疲劳性能的试验研究,以期为初步建立螺栓球网格结构在灾难地震下的超低周疲劳性能提供依据。

　　 试验模型采用两端带有螺栓球节点的圆钢管组合试件(简称管球组合试件),将钢管下部螺栓球固定,采用竖向可滑动的三向限位支撑限制钢管上部螺栓球沿空间任意方向的平动,确保实现轴向往复加载。为保证加载过程中管球组合试件在加载端不发生偏离,在作动器相连的顶部支座处设置左、右和后面三个方向的横向水平支撑。

　　 利用作动器轴向加载管球组合试件,合理调节加载制度,要求钢管在进入非线性工作阶段后形成塑性铰直至塑性铰开口断裂为两截即为试验的结束,所以设计管球组合构件时要求螺栓球及螺纹、高强螺栓、封板、套筒的极限承载能力优于钢管,保证钢管优先破坏。模型中高强螺栓为10.9级,采用20MnTiB钢;钢管规格为ϕ76×3.75;钢管、套筒、锥头或封板均采用Q235钢,螺栓球采用45号钢。试验采用FCS电液伺服结构试验系统进行,通过TUST拟静力控制软件对上部支座进行大位移循环往复加载。试验模型信息见表1,加载装置如图1所示。

　　 采用位移控制法逐级施加荷载,分预加载和正式加载两个阶段进行。预加载为弹性循环加载阶段,检查确保作动器与组件接触良好,检查所有测量仪器、试验装置的可靠性,检查所有通道读数,确保符合要求,然后进入正式加载阶段 ^[10]。同一种杆件通过小位移加载,观察预先在杆件上所贴应变片数值的大小,得出杆件屈服荷载P_y和屈服位移Δ_y,其中拉屈服位移为12mm,压屈服位移为18mm,参照《金属材料轴向等幅低循环疲劳破坏方法》(GB/TI 5248—2008),采用位移加载的方法开展大位移往复加载,压位移为固定值-18mm,拉位移起始值12mm,增量3mm(拉屈服位移的30%),位移由零点加至目标拉位移点再卸载为零,又反向加至目标压位移再卸载为零为1次循环,相同目标位移循环加载3次,直至钢管断裂。加载过程为了方便统计疲劳寿命,令拉、压各自为0.5次循环,拉压全过程为1次循环。加载制度如图2所示。

　　 试件GM20破坏过程如图3所示。试验开始杆件受力处于弹性阶段,随后在目标位移加载下循环压18mm第1次时试件中部区域发生较大弯曲,伴有小量塑性变形,杆件中部截面由原先的圆形变为椭圆形,开始了塑性铰的椭圆化进程(图3(a));拉15mm循环第1次试件发生塑性残余变形较小(图3(b));随后经过多次循环拉压加载,压18mm第7次时塑性铰明显地显现出来,杆件中点轴向区域-60～140mm(正值表示断口在杆件中点截面之上,负值表示断口在杆件中点截面之下,余同)范围出现镰刀形弯曲,椭圆化加大,其余部位仍保持原形(图3(c));拉18mm第3次时试件中部区域有微小弯曲(图3(d));压18mm第16次时杆件中部附近出现凹陷,杆件由镰刀型变为锥线形,椭圆化进一步加大,塑性变形轴向长度范围扩大到-100～160mm(图3(e));拉24mm第1次时凹陷区域在拉荷载下产生裂纹(图3(f));压18mm第18次时杆件凹陷加深,凹陷范围扩大,杆件塑性变形轴向长度范围仍为-100～160mm(图3(g)),之后拉断。在拉荷载作用下杆件中部区域发生缩颈,随着循环次数的增加缩颈程度加深;在施加拉荷载时杆件有残余变形,此时形成反向的塑性铰。图3(h)为拉30mm第1次时的塑性铰开口,杆件中部凹陷最深的截面开口拉裂,伴随着塑性铰的失效,塑性铰在循环第19次拉荷载时开口破坏。

　　 试件GM22首先发生微小弯曲,杆件中部区域截面椭圆化,在压18mm第22次时开始凹陷,杆件轴向塑性变形范围达到-80～140mm;压18mm第24次时,塑性铰区域进一步凹陷,杆件轴向塑性变形范围为-100～140mm,塑性铰在循环第26次拉荷载时开口破坏(图4(a))。

　　 试件GM24在循环往复加载下,杆件中部区域出现镰刀形弯曲并伴有椭圆化,压18mm第19次时发生凹陷,杆件轴向塑性变形范围达到-100～120mm;压18mm第20次时,塑性铰进一步凹陷,杆件轴向塑性变形范围为-120～140mm,试件塑性铰在循环第22次拉荷载时开口破坏(图4(b))。

　　 图5为各试件的滞回曲线,图上给出了凹陷及开口时对应的荷载与位移。分析可知,各滞回曲线呈现不饱满状态,中部区域发生轻微捏缩。对比每级目标位移循环3次的滞回曲线可知,同一级位移荷载循环加载时,后续循环荷载值低于首次循环荷载值,强度退化明显;首次循环的斜率最大,后依次降低,滞回曲线的斜率随着循环次数的增加而不断降低,表明塑性铰的刚度在不断损伤下降。试件经过反复循环,在压荷载下产生凹陷,紧接着在拉荷载下产生裂纹,之后在拉荷载下出现裂口,产生裂口时受拉承载力急剧下降,刚度迅速退化,而受压承载力在循环往复过程中下降得比较缓慢,但滞回环的面积在增大。每一次循环加载为零时试件均产生一定的残余变形,同时这种变形随着持续的循环加载而不断累积,呈增长趋势。

　　 试件骨架曲线如图6所示。试件骨架曲线全程依次经历弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。在弹性阶段骨架曲线均呈直线,曲线斜率稳定,试件没有明显的弯曲变形,直到出现拐点(非线性起点);弹塑性阶段即为从骨架曲线的非线性起点到峰值承载力点,该阶段塑性铰侧向刚度降低,呈镰刀形弯曲变大,塑性铰水平位移变大,但塑性铰在该阶段尚未凹陷,只是椭圆化越来越明显,承载力增长缓慢;塑性阶段是从峰值承载力点到最终疲劳破坏点,该阶段为下降段。在不同螺栓强度下,试件产生塑性铰断裂时有相似的变化过程,试件受拉承载力经历了弹性、弹塑性、塑性阶段,最大承载力分别为234,264,264.8kN,随后承载力发生退化直到断裂为零;而试件受压承载力只经历弹性阶段和塑性阶段,由于塑性铰受大位移加载,在很短的时间内塑性铰从弹性阶段变为塑性阶段,没有经历弹塑性阶段。由此可见,试件在不同螺栓下对骨架曲线中非线性起点承载力影响不大,对塑性铰极限承载力有影响。

　　 试件进行循环往复加载,每一轮的目标位移下都循环3次,选择同级承载力退化系数D来描述在循环荷载下钢管塑性铰的承载力退化性能,退化系数D等于同一级目标位移下第3次循环的峰值承载力与第1次循环的峰值承载力之比。表2为三种试件承载力退化系数D的变化过程(各表中最后一轮即为开口破坏前一轮),试件GM20,GM22,GM24在不同的螺栓(M20,M22,M24)下,受压承载力退化都是开裂前一轮最大,分别退化为首次加载时承载力的68%,74%,68%,受拉承载力在整个循环过程中退化不明显。

　　 为研究在各级目标位移下构件塑性铰经历循环往复作用后刚度的退化状态,提出了割线刚度,割线刚度为滞回曲线上坐标原点与某次循环峰值荷载点连线的斜率。图7为三种试件在循环往复荷载作用下,塑性铰从正式加载到试件开口破坏时刚度发生退化的过程。可以看出,试件在拉、压荷载下刚度都减小,且拉荷载下刚度明显大于压荷载下刚度,三种螺栓下的试件刚度随位移增加的退化规律基本相似,试件塑性铰凹陷时刚度急剧下降,其中由于受螺栓球节点的影响,试件GM22在同一目标位移下拉、压过程中刚度最大,三种试件(GM20,GM22,GM24)都为拉开裂破坏,破坏前压荷载下割线刚度基本一致,分别为1.80,1.75,1.85。

　　 滞回曲线循环一周后封闭的滞回环面积大小表示试件塑性变形耗散能力的大小;能量耗散系数E表示耗散能力与等效弹性体产生相同位移时输入的能量之比,用能量耗散系数E来衡量试件的能量耗散能力 ^[11]。

　　 试件塑性铰开口破坏前的总滞回耗能为所有滞回曲线包围的面积之和,表3为三种试件塑性铰从正式加载到开口破坏过程中每轮循环加载耗能及总滞回耗能的计算结果。试件在同一加载目标位移下循环3次,选取每轮加载循环的第1次循环计算能量耗散系数如图8所示。分析可知,由于受螺栓球节点的影响,M22螺栓与该钢管组合试件弹塑性变形耗能最大,试件能量耗散系数一直低于其他试件,结构塑性铰耗能性能较好。在超低周疲劳试验下,该试件的耗能系数基本沿直线下降,即塑性铰产生时组合试件耗能能力达到最大,之后耗能能力随之不断下降。

　　 本文利用两端带螺栓球节点的圆钢管组合试件模型进行了大位移循环加载试验,开展对塑性铰超低周疲劳性能的分析,主要结论如下:

　　 (1)在不同加载制度下,钢管塑性铰的破坏历程与破坏形态都大致相仿,均经历弯曲、凹陷、裂纹、开口破坏,塑性变形区域在杆件中部-80～180mm范围内,开口破坏时塑性变形呈椭圆形。

　　 (2)每一次循环力为零时试件均出现一定的残余变形,这种变形随着持续地循环加载而不断累积呈增长趋势。不同螺栓的组合试件,螺栓强度越大,螺栓球节点转动刚度越大,杆件极限承载力越大,但对杆件屈曲时的承载力与位移影响不大。

　　 (3)试件GM20,GM22,GM24在不同规格的螺栓下都是开裂前一轮压荷载承载力退化最大,分别退化为首次加载时承载力的68%,74%,68%,受拉承载力退化不明显。试件GM20,GM22,GM24塑性铰凹陷时刚度急剧下降,破坏前压荷载下刚度基本一致,分别为1.80,1.75,1.85。

　　 (4)塑性铰产生时,组合试件耗能能力达到最大,之后耗能能力随之一直下降,今后应研究避免塑性铰较快损伤的措施,特别是杆件塑性铰凹陷时试件承载力和刚度急剧下降,容易引起整个网架结构的连续垮塌。