钢夹板-螺栓连接胶合木梁疲劳寿命预测

周建华

（中南林业科技大学土木工程与力学学院，湖南 长沙 410004）

钢夹板-螺栓连接胶合木具有施工方便、外型美观以及防火等优点，逐步成为现代木结构中使用较为广泛的一种连接形式，已有学者研究了其抗弯抗剪等力学性能[1-4]。但在实际工程中，钢板螺栓连接胶合木梁结构除承受静力作用外，还会因动荷载作用发生疲劳破坏，因此疲劳性能的研究也是必不可少的。

1 疲劳有限元分析

1.1 模型建立

胶合木梁尺寸[2]为2 500 mm×60 mm×127 mm，而钢夹板-螺栓连接胶合木梁，是将两段尺寸为胶合木梁从中间截断，然后用钢夹板和螺栓将其连接在一起。螺栓的顺纹端距取50 mm、横纹端距取20 mm。钢板长600 mm、宽127 mm、厚6 mm，螺栓顺纹间距100 mm，其中螺栓直径6 mm。运用SolidWorks进行建模。

1.2 材性参数

在本文的试验模型中，忽略木材复杂的各向异性，认为它是均匀理想线弹性材料。材性参数参考试验数据[5]。

1.3 边界参数

在分析胶合木与胶合木、胶合木与螺栓、胶合木与钢板、螺栓与钢板之间的接触问题时，将螺栓作为目标面，而胶合木和钢板作为接触面，认为它们之间是摩擦接触[6]。纯胶合木梁和钢夹板-螺栓连接的胶合木梁都设置为简支约束，跨高比为18，并在计算跨径的三分点上施加荷载。有限元模型如图1所示。

2 静力分析

通过控制竖向位移，得出其荷载变化。将计算结果绘制成曲线，且得到的荷载位移曲线与抗弯性能试验[2]中基本一致，可以得出胶合木梁的极限荷载约为23.5 kN，同理可得到钢夹板-螺栓连接胶合木梁的极限荷载约为25 kN。

3 疲劳寿命对比分析

在Static Structural模块的solution中插入Fatigue Tools工具，由于胶合木梁是由多个落叶松木材胶合而成，存在木材本身的缺陷，不均匀，比较粗糙，存在木节中等，所以不能太过理想化，适当降低疲劳强度因子并取值为0.7，采用等幅正弦波加载，加载类型是按比例加载，应力比为0.2[5]。由于胶合木并不是纯粹的理想的弹性材料，需要引入平均应力理论来修正平均应力与最大应力和最小应力的关系，在这里引入古德曼曲线理论进行修正。因此在这里设计的疲劳寿命也为200万次即认为无限寿命。疲劳寿命有限元预测结果如表1所示。

表1 疲劳寿命有限元预测结果

S-N曲线的函数形式有幂函数式、指数式及三参数式三种，经过分析，指数式更符合胶合木梁的疲劳寿命变化趋势，其表达式[7]为：

式（1）中：m和C为与材料性能、加载方式、加载频率、应力比等有关的参数。将其转化为对数形式，其表达式为S=ln C/m-ln N/m，简化为S=A+B ln N。

对数据进行线性回归分析，得到胶合木梁的疲劳寿命函数表达式为：

同理可以得到钢夹板-螺栓连接的胶合木梁疲劳寿命函数表达式为：

由表达式得到胶合木梁疲劳极限为12.85 k N，即0.55 Fu；钢夹板-螺栓连接胶合木梁的疲劳极限为12.15 kN，即0.49 Fu。

4 分析总结

钢夹板-螺栓连接胶合木梁作为一种接长胶合木梁的方式，相比较纯胶合木梁，其极限承载力提升了6%，疲劳极限强度下降了5.5%，但随着应力水平提升疲劳寿命下降更为缓慢，说明钢夹板-螺栓连接方式一定程度上抑制了胶合木梁疲劳裂纹的开展。

胶合木梁疲劳损伤如图2所示。钢夹板-螺栓连接胶合木梁的木梁疲劳损伤如图3所示。

图2 胶合木梁疲劳损伤图

图3 钢夹板-螺栓连接胶合木梁的木梁疲劳损伤

两种结构的疲劳损伤方式不同，纯胶合木梁主要表现受压侧和受拉侧的疲劳损伤直至破坏，钢夹板-螺栓连接胶合木梁主要表现为胶合木梁螺栓孔的局部损伤破坏，验证了钢夹板-螺栓连接方式抑制了疲劳裂纹的产生。

5 结论

通过对模拟数据进行线性回归分析，初步给出了纯胶合木梁和钢夹板-螺栓连接胶合木梁的S-N曲线及数学表达式，得出钢夹板-螺栓连接胶合木梁的疲劳寿命下降速率比纯胶合木梁更缓慢。

纯胶合木梁和钢夹板-螺栓连接胶合木梁的疲劳损伤形态不同，纯胶合木梁主要表现在受压侧和受拉侧疲劳损伤，钢夹板-螺栓连接胶合木梁主要表现为胶合木梁中螺栓孔的拉压损伤，抑制了胶合木梁表面受压侧和受拉侧的疲劳损伤。