周建華
(中南林業(yè)科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院,湖南 長沙 410004)
鋼夾板-螺栓連接膠合木具有施工方便、外型美觀以及防火等優(yōu)點,逐步成為現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)中使用較為廣泛的一種連接形式,已有學(xué)者研究了其抗彎抗剪等力學(xué)性能[1-4]。但在實際工程中,鋼板螺栓連接膠合木梁結(jié)構(gòu)除承受靜力作用外,還會因動荷載作用發(fā)生疲勞破壞,因此疲勞性能的研究也是必不可少的。
膠合木梁尺寸[2]為2 500 mm×60 mm×127 mm,而鋼夾板-螺栓連接膠合木梁,是將兩段尺寸為膠合木梁從中間截斷,然后用鋼夾板和螺栓將其連接在一起。螺栓的順紋端距取50 mm、橫紋端距取20 mm。鋼板長600 mm、寬127 mm、厚6 mm,螺栓順紋間距100 mm,其中螺栓直徑6 mm。運用SolidWorks進行建模。
在本文的試驗?zāi)P椭?,忽略木材?fù)雜的各向異性,認(rèn)為它是均勻理想線彈性材料。材性參數(shù)參考試驗數(shù)據(jù)[5]。
在分析膠合木與膠合木、膠合木與螺栓、膠合木與鋼板、螺栓與鋼板之間的接觸問題時,將螺栓作為目標(biāo)面,而膠合木和鋼板作為接觸面,認(rèn)為它們之間是摩擦接觸[6]。純膠合木梁和鋼夾板-螺栓連接的膠合木梁都設(shè)置為簡支約束,跨高比為18,并在計算跨徑的三分點上施加荷載。有限元模型如圖1所示。
通過控制豎向位移,得出其荷載變化。將計算結(jié)果繪制成曲線,且得到的荷載位移曲線與抗彎性能試驗[2]中基本一致,可以得出膠合木梁的極限荷載約為23.5 kN,同理可得到鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的極限荷載約為25 kN。
在Static Structural模塊的solution中插入Fatigue Tools工具,由于膠合木梁是由多個落葉松木材膠合而成,存在木材本身的缺陷,不均勻,比較粗糙,存在木節(jié)中等,所以不能太過理想化,適當(dāng)降低疲勞強度因子并取值為0.7,采用等幅正弦波加載,加載類型是按比例加載,應(yīng)力比為0.2[5]。由于膠合木并不是純粹的理想的彈性材料,需要引入平均應(yīng)力理論來修正平均應(yīng)力與最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的關(guān)系,在這里引入古德曼曲線理論進行修正。因此在這里設(shè)計的疲勞壽命也為200萬次即認(rèn)為無限壽命。疲勞壽命有限元預(yù)測結(jié)果如表1所示。
表1 疲勞壽命有限元預(yù)測結(jié)果
S-N曲線的函數(shù)形式有冪函數(shù)式、指數(shù)式及三參數(shù)式三種,經(jīng)過分析,指數(shù)式更符合膠合木梁的疲勞壽命變化趨勢,其表達式[7]為:
式(1)中:m和C為與材料性能、加載方式、加載頻率、應(yīng)力比等有關(guān)的參數(shù)。將其轉(zhuǎn)化為對數(shù)形式,其表達式為S=ln C/m-ln N/m,簡化為S=A+B ln N。
對數(shù)據(jù)進行線性回歸分析,得到膠合木梁的疲勞壽命函數(shù)表達式為:
同理可以得到鋼夾板-螺栓連接的膠合木梁疲勞壽命函數(shù)表達式為:
由表達式得到膠合木梁疲勞極限為12.85 k N,即0.55 Fu;鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的疲勞極限為12.15 kN,即0.49 Fu。
鋼夾板-螺栓連接膠合木梁作為一種接長膠合木梁的方式,相比較純膠合木梁,其極限承載力提升了6%,疲勞極限強度下降了5.5%,但隨著應(yīng)力水平提升疲勞壽命下降更為緩慢,說明鋼夾板-螺栓連接方式一定程度上抑制了膠合木梁疲勞裂紋的開展。
膠合木梁疲勞損傷如圖2所示。鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的木梁疲勞損傷如圖3所示。
圖2 膠合木梁疲勞損傷圖
圖3 鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的木梁疲勞損傷
兩種結(jié)構(gòu)的疲勞損傷方式不同,純膠合木梁主要表現(xiàn)受壓側(cè)和受拉側(cè)的疲勞損傷直至破壞,鋼夾板-螺栓連接膠合木梁主要表現(xiàn)為膠合木梁螺栓孔的局部損傷破壞,驗證了鋼夾板-螺栓連接方式抑制了疲勞裂紋的產(chǎn)生。
通過對模擬數(shù)據(jù)進行線性回歸分析,初步給出了純膠合木梁和鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的S-N曲線及數(shù)學(xué)表達式,得出鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的疲勞壽命下降速率比純膠合木梁更緩慢。
純膠合木梁和鋼夾板-螺栓連接膠合木梁的疲勞損傷形態(tài)不同,純膠合木梁主要表現(xiàn)在受壓側(cè)和受拉側(cè)疲勞損傷,鋼夾板-螺栓連接膠合木梁主要表現(xiàn)為膠合木梁中螺栓孔的拉壓損傷,抑制了膠合木梁表面受壓側(cè)和受拉側(cè)的疲勞損傷。