鋼夾板-螺栓連接膠合木梁疲勞壽命預(yù)測(cè)

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(diǎn)，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(shí)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(huì)因動(dòng)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。

1 疲勞有限元分析

1.1 模型建立

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?cái)?，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(yùn)用SolidWorks進(jìn)行建模。

1.2 材性參數(shù)

在本文的試驗(yàn)?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(yàn)數(shù)據(jù)[5]。

1.3 邊界參數(shù)

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(shí)，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(jì)算跨徑的三分點(diǎn)上施加荷載。有限元模型如圖1所示。

2 靜力分析

通過控制豎向位移，得出其荷載變化。將計(jì)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(yàn)[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。

3 疲勞壽命對(duì)比分析

在Static Structural模塊的solution中插入Fatigue Tools工具，由于膠合木梁是由多個(gè)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(qiáng)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(jìn)行修正。因此在這里設(shè)計(jì)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(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 疲勞壽命有限元預(yù)測(cè)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(shì)，其表達(dá)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(duì)數(shù)形式，其表達(dá)式為S=ln C/m-ln N/m，簡化為S=A+B ln N。

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析，得到膠合木梁的疲勞壽命函數(shù)表達(dá)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(dá)式為：

由表達(dá)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。

4 分析總結(jié)

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(qiáng)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(yàn)證了鋼夾板-螺栓連接方式抑制了疲勞裂紋的產(chǎn)生。

5 結(jié)論

通過對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)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(dá)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。