傅何琪，鄒路遙，葉帆，吳劍國(guó)

(1.中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011；2.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，浙江 杭州 310023)

0 引言

近年來，單調(diào)載荷作用下加筋板、船體梁的試驗(yàn)已有較多的研究成果[1– 5]，但對(duì)于交變的加載形式即循環(huán)載荷作用下的試驗(yàn)卻很少。船體梁在波浪中承受中拱與中垂交變彎矩的作用，如果超過彈性范圍，會(huì)產(chǎn)生塑性應(yīng)變，最終影響船舶的極限承載力大小[6]，導(dǎo)致加筋板承受平面內(nèi)交變的軸向壓縮與拉伸。Fujita等[7]對(duì)“尾道丸”號(hào)船的海損事故進(jìn)行分析，提出了遞增塑性破壞的船體梁破壞新型式。

對(duì)于循環(huán)載荷作用下加筋板的極限強(qiáng)度研究，主要集中在理論解析法、有限元法等方面。崔虎威等[8]通過4 個(gè)扶強(qiáng)材疏密程度不同和材質(zhì)不同的箱型梁在循環(huán)載荷作用下的試驗(yàn)，對(duì)其極限承載力進(jìn)行研究。黃震球等[9]對(duì)一系列縱向加強(qiáng)筋的箱型薄壁梁模型進(jìn)行循環(huán)加載下的極限強(qiáng)度試驗(yàn)，觀察加強(qiáng)筋在循環(huán)加載下的遞增塑性破壞。

加筋板是船體結(jié)構(gòu)的基本形式，扶強(qiáng)材（含帶板）常作為加筋板分析和船體梁極限承載力的逐步迭代法基本單元。對(duì)于扶強(qiáng)材在循環(huán)載荷作用下的理論分析和有限元分析已有涉及，許俊等[10]通過有限元分析軟件對(duì)加筋板在循環(huán)載荷混合作用下的極限強(qiáng)度進(jìn)行研究，分析循環(huán)應(yīng)變幅混合作用對(duì)極限承載性能的影響。孟志光等[11]提出了一種考慮扶強(qiáng)材在軸向循環(huán)荷載作用下的損傷累積力學(xué)模型，通過Visual Basic 程序編制計(jì)算程序，程序計(jì)算結(jié)果能與有限元計(jì)算結(jié)果較好吻合。但扶強(qiáng)材在循環(huán)載荷作用下的試驗(yàn)幾乎是空白。

為了驗(yàn)證扶強(qiáng)材在循環(huán)載荷作用下的極限強(qiáng)度計(jì)算方法和結(jié)果，本文設(shè)計(jì)了7 個(gè)扶強(qiáng)材（含帶板）試件，進(jìn)行循環(huán)載荷作用下的扶強(qiáng)材（含帶板）極限承載能力試驗(yàn)，初步獲得了扶強(qiáng)材在循環(huán)載荷作用下的屈曲特性，可為循環(huán)載荷作用下船體梁極限承載力的逐步迭代法奠定基礎(chǔ)。

1 循環(huán)載荷作用下扶墻材極限承載力試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及試件

試驗(yàn)材料為Q235B，所用鋼材的性能參數(shù)取自同批鋼材所加工的拉伸試件共6 個(gè)，通過材料拉伸試驗(yàn)獲得，材料拉伸試件尺寸及性能參數(shù)如表1 所示。

表1 材料性能參數(shù)Tab.1 Material performance parameters

考慮到循環(huán)載荷模式對(duì)扶墻材極限承載性能的影響，本次試驗(yàn)共包含7 個(gè)試件。試件橫截面示意圖如圖1所示，各試件的具體尺寸、材料屬性參數(shù)等如表2 所示。

圖1 試件橫截面示意圖Fig.1 Schematic diagram of specimen cross section

表2 模型實(shí)際尺寸Tab.2 Actual size of model

1.2 扶強(qiáng)材循環(huán)載荷試驗(yàn)加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置

加載裝置及分析系統(tǒng)采用靜力電液伺服加載系統(tǒng)。扶強(qiáng)材試件兩端分別焊接在兩塊端板上，端板與扶強(qiáng)材試件形心重合，形成整體試件。作動(dòng)器加載頭外力由端板平均作用于加筋板截面上，整體試件兩端由螺栓固定于反力鋼架與作動(dòng)器之間，試件頂部作動(dòng)器加載頭為鉸接，試件底部與反力鋼架形成固接。扶強(qiáng)材試件試驗(yàn)裝配形式如圖2 所示。

圖2 扶強(qiáng)材試件試驗(yàn)裝配圖Fig.2 Assembly drawing of stiffener specimen test

采用2 臺(tái)位移計(jì)與1 臺(tái)16 通道應(yīng)變儀進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。加筋板共8 個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和2 個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置圖如圖3 所示。其中應(yīng)變測(cè)點(diǎn)以測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)8 表示，位移測(cè)點(diǎn)以位移測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2 表示。2 個(gè)位移測(cè)點(diǎn)中，位移測(cè)點(diǎn)1 監(jiān)測(cè)試件中間位置的側(cè)向位移，位移測(cè)點(diǎn)2 監(jiān)測(cè)加強(qiáng)筋角鋼的側(cè)向位移

圖3 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Layout of test measuring points

2 扶強(qiáng)材循環(huán)載荷試驗(yàn)加載機(jī)制

為了得到試件的極限承載力，加載系統(tǒng)選取位移控制形式進(jìn)行試驗(yàn)。為保證試件在多次軸向加載與卸載過程中不發(fā)生過度變形與整體失穩(wěn)，采用如下加載步驟：

步驟1預(yù)加載，施加2 kN 的初始軸向壓力，進(jìn)行應(yīng)變儀、位移計(jì)的調(diào)整，檢查測(cè)量電腦的數(shù)據(jù)采集是否正常。

步驟2正式加載，作動(dòng)器先下壓至目標(biāo)位移，到達(dá)目標(biāo)位移后，保持作動(dòng)器位移固定不變，記錄當(dāng)前的載荷與位移數(shù)據(jù)。然后通過力控制將載荷卸載至“0”，進(jìn)行下一步反向拉伸，作動(dòng)器拉伸至目標(biāo)位移后保持作動(dòng)器位移固定不變，記錄當(dāng)前的載荷與位移數(shù)據(jù)。再次將載荷卸載至“0”，即完成一個(gè)循環(huán)加載。試驗(yàn)包含3 種加載機(jī)制：

1）加載機(jī)制Ⅰ采用單調(diào)加壓的形式，直至試件破壞。

2）加載機(jī)制Ⅱ采用屈曲前等幅循環(huán)加載。在接近單調(diào)軸壓屈曲位移前，在0.9 倍單調(diào)軸壓屈曲位移處循環(huán)6 次，單調(diào)壓載至試件破壞。

3）加載機(jī)制Ⅲ采用屈曲后循環(huán)加載。在單調(diào)軸壓屈曲位移前，按0.9 倍單調(diào)軸壓屈曲位移循環(huán)1 次加載至單調(diào)軸壓屈曲循環(huán)1 次。然后按0.1 倍單調(diào)軸壓屈曲位移分兩級(jí)遞增，每級(jí)循環(huán)1 次，加載至1.2 倍單調(diào)軸壓屈曲位移后卸載，結(jié)束循環(huán)。

具體加載機(jī)制如圖4 所示，其中規(guī)定試件受壓為正，受拉為負(fù)。

圖4 加載機(jī)制示意圖Fig.4 Schematic diagram of loading mechanism

3 扶墻材循環(huán)載荷試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次試驗(yàn)共有7 個(gè)試件，系列扶強(qiáng)材試件的加載形式按照3 種加載機(jī)制進(jìn)行。

3.1 變形及失效形式

在加載機(jī)制Ⅰ作用下，各試件帶板先出現(xiàn)局部屈曲，隨壓力增加，試件出現(xiàn)失穩(wěn)趨勢(shì)，直至整體失穩(wěn)產(chǎn)生面外彎曲。

在加載機(jī)制Ⅱ加載過程中，隨壓力逐步增加，各試件底部或頂部帶板出現(xiàn)局部屈曲，在接近試件屈曲位移處多次循環(huán)后，局部屈曲處位移隨循環(huán)次數(shù)增加而增加，即使反向拉伸能抵消上一次循環(huán)產(chǎn)生的部分局部屈曲，但局部屈曲處位移總體仍為上升趨勢(shì)。

在加載機(jī)制Ⅲ加載時(shí)，由于已超過試件屈曲位移，每次循環(huán)承載力較上一次循環(huán)結(jié)果下降明顯，各試件失效模式基本為整體失穩(wěn)，同時(shí)角鋼兩端部出現(xiàn)側(cè)向位移。

3.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線

采用相對(duì)應(yīng)力應(yīng)變，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，各試件相對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5 所示。圖中橫坐標(biāo)為相對(duì)應(yīng)變?chǔ)?εy，ε為試驗(yàn)加載頭所施加應(yīng)變，εy為試件屈服應(yīng)變；縱坐標(biāo)為相對(duì)應(yīng)力σ/σy，σ為試驗(yàn)加載頭所施加應(yīng)力，σy為試件的屈服應(yīng)力。ε，σ按下式進(jìn)行換算：

圖5 試驗(yàn)試件相對(duì)應(yīng)力應(yīng)變曲線圖Fig.5 Relative stress-strain curve of test specimen

其中：l1為加載頭位移，l2為試件試驗(yàn)段全長(zhǎng)，F(xiàn)為加載頭所施加軸力，A為扶強(qiáng)材試件截面面積。

由于3 種加載機(jī)制的變形及破壞模式基本一致，且加載機(jī)制Ⅰ僅作為循環(huán)載荷試驗(yàn)的對(duì)照組，因此挑選4-Ⅱ試件為例進(jìn)行分析。根據(jù)試驗(yàn)試件應(yīng)變儀及位移計(jì)所采集的數(shù)據(jù)，在加載機(jī)制Ⅱ作用下試件4-Ⅱ局部屈曲處存在位移累計(jì)，位移值隨循環(huán)壓加載次數(shù)增加呈上升趨勢(shì)，反向拉伸能抵消部分屈曲位移，但不影響屈曲處位移的上升趨勢(shì)。應(yīng)變測(cè)點(diǎn)中，帶板同一垂直方向測(cè)點(diǎn)1 與測(cè)點(diǎn)5 對(duì)比，角鋼同一垂直方向測(cè)點(diǎn)3 與測(cè)點(diǎn)7 對(duì)比可知，測(cè)點(diǎn)處應(yīng)變隨循環(huán)壓載次數(shù)增加，在負(fù)方向即拉伸應(yīng)變方向呈上升趨勢(shì)。試件底部測(cè)點(diǎn)數(shù)值較試件中部測(cè)點(diǎn)數(shù)值變化大，原因是測(cè)點(diǎn)處已經(jīng)產(chǎn)生局部屈曲，試件底部局部屈曲變形量大于試件中部，屈曲處存在位移累積。4-Ⅱ試件局部屈曲位移及應(yīng)變?nèi)鐖D6所示，各試件的最大承載力匯總?cè)绫?所示。

圖6 4-Ⅱ試件局部屈曲處位移與應(yīng)變曲線圖Fig.6 Plot of displacement and strain at local buckling of specimen 4-II

4 結(jié)語(yǔ)

本文進(jìn)行7 個(gè)扶強(qiáng)材（含帶板）試件的單調(diào)與循環(huán)載荷下的極限承載力試驗(yàn)。通過試驗(yàn)得到了扶強(qiáng)材（含帶板）試件在3 種加載機(jī)制下的變形和失效模式以及應(yīng)力應(yīng)變曲線。根據(jù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析，可得以下結(jié)論：

1）7 組試驗(yàn)中，試件失穩(wěn)形式基本為整體失穩(wěn)。試件出現(xiàn)整體面外彎曲，在加載過程中普遍出現(xiàn)帶板的局部屈曲。

2）循環(huán)加載下試件應(yīng)力應(yīng)變曲線基本呈梭形，同一個(gè)應(yīng)變處，循環(huán)曲線接近，表明扶強(qiáng)材試件軸向吸能能力差。

3）循環(huán)載荷下應(yīng)力應(yīng)變曲線與單調(diào)載荷下應(yīng)力應(yīng)變曲線相比，在循環(huán)機(jī)制Ⅱ作用下，經(jīng)多次循環(huán)后，試件最大承載力出現(xiàn)下降。循環(huán)機(jī)制Ⅲ作用下，經(jīng)多次循環(huán)后，試件承載力下降明顯，且曲線較加載機(jī)制Ⅱ曲線與單調(diào)曲線更飽滿。

4）在加載機(jī)制Ⅱ作用下，試件產(chǎn)生局部屈曲，且局部屈曲處位移隨循環(huán)次數(shù)增加而增加。反向拉伸雖然能抵消部分屈曲變形，但不能完全消除屈曲變形，局部屈曲處位移隨循環(huán)次數(shù)增加呈上升趨勢(shì)。

5）同類型試件之間極限承載力存在一定偏差，與試件加工及試驗(yàn)過程中加載器具產(chǎn)生偏心加載有關(guān)。本試驗(yàn)試件相對(duì)較少，后續(xù)可增加試驗(yàn)試件數(shù)量，獲得更穩(wěn)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。