金曉飛,韓 偉,崔婧瑞,李 偉

(1.中國建筑一局(集團(tuán))有限公司，北京 100161；2.北京堡瑞思減震科技有限公司，北京 100160; 3.煙臺(tái)大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264005)

1 概述

我國自古以來便是地震多發(fā)國家，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，地震災(zāi)害帶來的經(jīng)濟(jì)損失呈現(xiàn)出非線性加速增長的趨勢。傳統(tǒng)的抗震設(shè)計(jì)方法主要通過加大構(gòu)件截面尺寸和配筋來“硬抗”地震，上述技術(shù)手段能夠有效提升主體結(jié)構(gòu)的剛度和抗震能力，但同時(shí)也增加了設(shè)計(jì)地震荷載，抗震設(shè)計(jì)成本和震后修復(fù)代價(jià)較高。耗能減震是提高工程結(jié)構(gòu)抗震能力的新興技術(shù)手段，通過布置耗能減震裝置吸收地震能量，耗能減震結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)地震作用下主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件始終處于彈性工作階段，進(jìn)而保證主體結(jié)構(gòu)具有可靠的抗震韌性。因?yàn)榫哂欣砟钕冗M(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理等特點(diǎn)，耗能減震技術(shù)目前正得到越來越廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用[1]。在眾多耗能減震裝置中防屈曲支撐因具有取材方便、力學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)而備受青睞[2]。防屈曲支撐主要通過鋼質(zhì)耗能內(nèi)芯的彈塑性變形來耗散地震能量，鋼材進(jìn)入彈塑性階段后會(huì)存在殘余變形，同時(shí)在往復(fù)荷載作用下防屈曲支撐還有可能發(fā)生疲勞破壞。為了便于震后檢測、維護(hù)以及更換，一種裝配式H型鋼防屈曲支撐被提出。本文主要基于已有的試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合理論分析，提出不同構(gòu)造形式下裝配式H型鋼防屈曲支撐的疲勞壽命計(jì)算方法，從而為該類防屈曲支撐在實(shí)際工程應(yīng)用過程中檢修及更換周期的制定提供理論和技術(shù)支持。

2 裝配式H型鋼防屈曲支撐的基本構(gòu)造

為了能夠在有限的空間內(nèi)提供較大的屈服承載力同時(shí)便于震后檢測和維護(hù)，一種裝配式H型鋼防屈曲支撐被提出[3]。該類防屈曲支撐的耗能內(nèi)芯為H型鋼，約束構(gòu)件為兩塊蓋板和兩個(gè)U型鋼通過墊塊和高強(qiáng)度螺栓組裝而成，如圖1所示。針對裝配式H型鋼防屈曲支撐的力學(xué)性能已經(jīng)開展過系列研究[4-5]，研究表明由于約束構(gòu)件能夠?qū)型鋼內(nèi)芯腹板和翼緣進(jìn)行全面有效約束，所以該類防屈曲支撐能夠有效避免H型鋼內(nèi)芯過早發(fā)生彈塑性局部失穩(wěn)，進(jìn)而具有優(yōu)異的力學(xué)性能穩(wěn)定性。

3 構(gòu)造形式對疲勞壽命的影響

研究發(fā)現(xiàn)，構(gòu)造形式會(huì)對裝配式H型鋼防屈曲支撐的疲勞性能產(chǎn)生明顯影響。參考文獻(xiàn)[4]中試件S3和S4分別為耗能內(nèi)芯無、有中間限位裝置的裝配式H型鋼防屈曲支撐，上述兩個(gè)試件H型鋼內(nèi)芯的基本構(gòu)造如圖2所示。試驗(yàn)研究表明：耗能內(nèi)芯不設(shè)置中間限位裝置時(shí)，試件S3加工及組裝方便，但工作過程中會(huì)在耗能內(nèi)芯一端出現(xiàn)嚴(yán)重的變形集中現(xiàn)象，從而對防屈曲支撐的疲勞性能產(chǎn)生不利影響；試件S4設(shè)置有截面均勻過渡的中間限位裝置時(shí)，H型鋼內(nèi)芯端部的變形集中現(xiàn)象能夠得到顯著減輕，進(jìn)而有利于內(nèi)芯鋼材疲勞性能的充分發(fā)揮，但試件的加工成本會(huì)有所增加?；谏鲜鲅芯砍晒?，本文主要通過理論分析結(jié)合已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別提出無、有中間限位裝置情況下裝配式H型鋼防屈曲支撐的疲勞壽命計(jì)算方法，從而推動(dòng)和促進(jìn)該類防屈曲支撐在不同工程需求背景下的實(shí)際應(yīng)用。

4 疲勞壽命計(jì)算方法

裝配式H型鋼防屈曲支撐主要通過耗能內(nèi)芯的彈塑性滯回變形耗散外部輸入能量，在循環(huán)往復(fù)荷載作用下鋼質(zhì)的H型鋼內(nèi)芯會(huì)因損傷累積而發(fā)生疲勞破壞。作為結(jié)構(gòu)中重要的抗側(cè)力構(gòu)件，防屈曲支撐一旦發(fā)生疲勞斷裂會(huì)直接影響整體結(jié)構(gòu)的抗震性能并有可能增加整體結(jié)構(gòu)的脆性破壞傾向，所以能夠可靠地預(yù)測裝配式H型鋼防屈曲支撐的疲勞壽命對該類防屈曲支撐的設(shè)計(jì)、使用、維護(hù)以及更換標(biāo)準(zhǔn)的制定具有重要的理論和實(shí)際意義。

4.1 基于內(nèi)芯材料的疲勞壽命計(jì)算方法

已開展的試驗(yàn)研究中H型鋼內(nèi)芯的鋼材牌號(hào)均為Q235，Q235鋼材的疲勞壽命計(jì)算公式如式(1)所示[6]。

εa=0.003×(2Nf)-0.08+0.155 9×(2Nf)-0.462

(1)

其中,εa為總應(yīng)變幅值；Nf為與εa相應(yīng)的疲勞壽命。

循環(huán)往復(fù)荷載作用下，防屈曲支撐的疲勞破壞可以根據(jù)損傷累積法則進(jìn)行判定，如式(2)所示。

(2)

其中，D為損傷累積系數(shù)；Di為第i個(gè)加載幅值下的損傷因子；ni，Nfi分別為第i個(gè)加載幅值下的實(shí)際加載圈數(shù)和理論疲勞壽命，當(dāng)D=1時(shí)試件發(fā)生疲勞斷裂。

對試件S3和S4進(jìn)行試驗(yàn)研究時(shí)采用了擬靜力滯回加載，加載過程包括彈性和彈塑性兩個(gè)階段：彈性階段采用力控制加載，荷載幅值為0.5倍屈服荷載預(yù)估值，循環(huán)加載4圈；彈塑性階段采用位移控制加載，內(nèi)芯應(yīng)變從0.4%開始以0.2%的增幅遞增至3%，除應(yīng)變1.4%處往復(fù)加載6圈外，其余每一級均循環(huán)加載2圈，最后在內(nèi)芯應(yīng)變3%處循環(huán)加載直至試件疲勞斷裂，如圖3所示。

試件S3和S4的滯回曲線分別如圖4，圖5所示，其中試件S3在內(nèi)芯應(yīng)變±2.2%處循環(huán)加載至第2圈發(fā)生疲勞斷裂，而試件S4的極限應(yīng)變達(dá)到±3%，加載2圈后失效。

由于彈性加載階段應(yīng)力幅值較小且僅加載4圈，對防屈曲支撐的疲勞性能影響有限，所以本文主要基于彈塑性階段的加載歷程對試件S3和S4進(jìn)行疲勞壽命的分析與計(jì)算，兩個(gè)試件各位移幅值下的實(shí)際加載圈數(shù)ni,基于式(1)計(jì)算而得的疲勞壽命圈數(shù)Nfi以及損傷累積系數(shù)D的計(jì)算結(jié)果如表1所示。

基于表1的計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，試件S4的累積損傷系數(shù)明顯高于S3，證實(shí)了設(shè)置中間限位裝置有利于延長裝配式H型鋼防屈曲支撐疲勞壽命。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，試件S3和S4均在損傷累積系數(shù)遠(yuǎn)小于1的情況下提前發(fā)生了疲勞斷裂，其主要原因在于：首先，式(1)是基于無屈曲鋼板軸向拉壓疲勞壽命試驗(yàn)結(jié)果通過數(shù)據(jù)擬合而得，然而防屈曲支撐在實(shí)際工作過程中其耗能內(nèi)芯并不是理想的軸向受力而是會(huì)發(fā)生微幅的多波屈曲[7-8]，多波屈曲會(huì)產(chǎn)生附加彎曲應(yīng)變，進(jìn)而導(dǎo)致防屈曲支撐耗能內(nèi)芯實(shí)際工作過程中的應(yīng)變幅值會(huì)明顯大于名義軸向應(yīng)變幅值[9-10]。除此之外，防屈曲支撐耗能內(nèi)芯加工過程中的焊接殘余應(yīng)力以及變截面導(dǎo)致的應(yīng)力集中也會(huì)對防屈曲支撐的疲勞性能產(chǎn)生不利影響，而式(1)也并未對上述因素加以考慮。正是由于上述原因，直接采用式(1)進(jìn)行計(jì)算會(huì)高估裝配式H型鋼防屈曲支撐的疲勞壽命進(jìn)而給主體結(jié)構(gòu)帶來潛在的安全隱患，所以有必要針對性提出裝配式H型鋼防屈曲支撐的疲勞壽命計(jì)算方法，以保證該類防屈曲支撐在實(shí)際工程應(yīng)用中的安全性和可靠性。

4.2 修正后疲勞壽命計(jì)算方法

定義裝配式H型鋼防屈曲支撐疲勞損傷修正系數(shù)β為損傷累積系數(shù)的倒數(shù)，如式(3)所示。則基于表1中的計(jì)算結(jié)果可得對于無中間限位裝置的試件β=4.840，而對于有中間限位裝置的試件β=1.938。之后，將疲勞損傷修正系數(shù)β引入式(1)可得無、有中間限位裝置時(shí)裝配式H型鋼防屈曲支撐的疲勞壽命計(jì)算公式分別如式(4)和式(5)所示。

β=1/D

(3)

εa=0.003×(9.68·Nf)-0.08+
0.155 9×(9.68·Nf)-0.462

(4)

εa=0.003×(3.876·Nf)-0.08+
0.155 9×(3.876·Nf)-0.462

(5)

基于式(4)和式(5)對試件S3和S4重新進(jìn)行計(jì)算校核，結(jié)果如表2所示，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)試件S3和S4均在損傷累積系數(shù)D接近1時(shí)發(fā)生疲勞斷裂，從而證明式(4)，式(5)結(jié)合損傷累積法則可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測無、有中間限位裝置時(shí)裝配式H型鋼防屈曲支撐的疲勞壽命。

需要特別指出的是，間厚比(耗能內(nèi)芯與約束構(gòu)件之間的總間隙值與耗能內(nèi)芯厚度之比)是影響防屈曲支撐疲勞壽命的一個(gè)關(guān)鍵因素，間厚比越大耗能內(nèi)芯受壓時(shí)多波屈曲產(chǎn)生的附加彎曲應(yīng)變越大，在相同名義位移幅值下防屈曲支撐的疲勞壽命相應(yīng)也就越低。對于裝配式H型鋼防屈曲支撐，試驗(yàn)結(jié)果顯示所有試件最終的疲勞斷裂均起源于H型鋼內(nèi)芯翼緣，所以在對裝配式H型鋼防屈曲支撐進(jìn)行疲勞壽命分析和計(jì)算時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮H型鋼內(nèi)芯翼緣間厚比的影響。試件S3和S4翼緣厚度實(shí)測值為7.1 mm，翼緣和約束構(gòu)件之間的總間隙值為3.5 mm，所以本文所提的疲勞壽命計(jì)算公式適用于翼緣間厚比約為0.49的裝配式H型鋼防屈曲支撐，對于其他間厚比情況，則仍需通過進(jìn)一步的理論和試驗(yàn)研究以確定相應(yīng)的疲勞壽命計(jì)算公式。

表2 修正后試件S3和S4損傷累積系數(shù)計(jì)算

5 結(jié)論

本文以一種裝配式H型鋼防屈曲支撐為研究對象，基于已有試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合理論分析，提出了不同構(gòu)造形式下該類防屈曲支撐的疲勞壽命計(jì)算方法，從而為該類防屈曲支撐的實(shí)際工程應(yīng)用提供理論和技術(shù)支持。本文主要結(jié)論如下：1)設(shè)置截面均勻過渡的中間限位裝置能夠有效提高裝配式H型鋼防屈曲支撐的疲勞壽命。2)采用內(nèi)芯材料疲勞壽命計(jì)算公式會(huì)高估裝配式H型鋼防屈曲支撐的疲勞壽命，進(jìn)而給工程結(jié)構(gòu)帶來潛在安全隱患。3)基于本文所提的修正后疲勞壽命計(jì)算公式結(jié)合損傷累積法則可較為準(zhǔn)確地預(yù)測裝配式H型鋼防屈曲支撐的疲勞壽命。