含裂纹加筋板在压缩载荷下的剩余极限强度试验研究

张 婧，石晓彦，施兴华，江小龙

（1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；2.江苏如皋地方海事处，江苏 如皋 226500；3.中船黄埔文冲船舶有限公司，广州 510715）

0 引 言

加筋板因其具有较高屈强比和稳定性而广泛用于船舶结构中，如甲板、舱壁、船底等结构。然而在船舶建造及服役期间，钢材焊接缺陷的存在、应力集中、腐蚀、多种载荷同时或交替作用等原因，船舶及其它海洋结构物不可避免的会出现裂纹损伤。船舶结构的裂纹通常发生在焊接区域及其附近，虽然裂纹结构通常不会瞬间就会崩溃失去承载能力，但裂纹破坏了结构的完整性且极易产生应力集中，这将会大大削弱结构的极限强度。

加筋板是船体结构的基本强度构件，直接关系到船体的总纵强度，对其极限强度进行准确的计算显得尤为重要。近年来，对于结构强度极限状态的研究在工程领域中得到了快速的发展。船舶工程中，用基于极限承载能力的设计方法来取代传统的基于线弹性应力水平的方法成为一种发展趋势。

通常船舶结构的板和加筋板受纵/横向拉/压，面内剪切和垂向均布压力等组合载荷的作用[1]，随着船舶高强度钢材的使用，满足船舶结构强度的设计具有结构剖面尺寸相对减小的特点，结构稳定性的问题日渐凸显。当甲板处加筋板所受载荷达到一定极限并失稳时，整个船舶甲板结构将因为丧失有效支撑而面临着破坏的危险。因此，研究含裂纹加筋板的剩余极限强度对研究船体的极限强度具有重大的工程意义。

目前国内外学者对板/加筋板极限强度已经开展了一些研究。Paik[2]和Xu等[3]使用试验手段分别对铝材及钢材焊接的多跨完整加筋板崩溃失效模式及压缩剩余极限强度进行了研究。李景阳等[4-5]推导出有较高精度的含裂纹矩形板在拉伸载荷下的剩余极限强度计算公式。王芳等[6]分析了多裂纹矩形板主裂纹和干扰裂纹对极限强度的影响。Margaritis等[7]和张琴[8]分别采用有限元方法对含有裂纹损伤的单跨和多跨加筋板的崩溃失效模式进行了研究，并对多个长度，位置的裂纹对其剩余极限强度的影响进行了分析。但对于压缩载荷作用下含裂纹加筋板极限强度的试验研究还未开展，为此，本文进行了单跨含裂纹加筋板结构轴向压缩试验，观察试验件屈曲崩溃过程，并记录逐步加压过程中测点的应变值。该试验结果为总结含裂纹加筋板在轴向压缩载荷下的失效模式提供了分析模型，对研究受不同裂纹参数影响下的加筋板结构强度衰减规律有较好的指导意义，为以后开展研究含裂纹船体梁的剩余极限强度及评估具有重要的现实意义。

1 试验设计

1.1 试件设计

为研究裂纹长度、位置及角度对加筋板屈曲崩溃模式的影响，选取六组几何尺寸相同的加筋板试验件，材料参数及几何参数如表1所示。所有裂纹均为穿透裂纹，裂纹长度为cp，cp/b为垂向裂纹长度与加筋板横向跨距的比值，cp/a为纵向裂纹长度与加筋板纵向长度的比值，s为裂纹中心距离横框架中心的距离。试件1-4为中心穿透裂纹，试件5-6为边缘穿透裂纹，试件2的裂纹倾角为45°，裂纹在垂直方向的投影长度和试件1相同。裂纹尺寸及位置参数如表2所示。

图1给出了六种分别含不同裂纹形式的加筋板试件示意图。图中数字处为应变测试点，为获得结构中部的应力应变以及裂纹处应力应变场的变化情况，尽量保证测试点在试件中部并围绕裂纹合理布置。

表1 加筋板的材料参数和几何尺寸Tab.1 Material property and dimensions of the stiffened panel

表2 裂纹尺寸及位置参数Tab.2 Size and location of cracks

图1 裂纹加筋板试件示意图及应变测试点Fig.1 Sketch map of specimens with cracks and strain measurement points

1.2 试验装置及边界条件设计

大型船舶结构形式大都是纵骨架式，承担压缩载荷的加筋板格边界受强横梁或纵向强构件的支撑。结合试验室试验条件，设计该试件长轴两端受夹具支撑，夹具给试件模拟提供简单支撑边界条件。试件边界支撑构件分别用螺栓与试验平台的顶梁、地梁进行连接，如图2所示。另外对于经常受压载作用的船舶甲板处的加筋板结构，在同一横剖面上认为所受压力均匀，该试验中压载由顶梁传递给边界夹具装置然后施加在试件上，可以模拟试件横剖面上受到均匀压力的状况。试件组装到试验平台后的示意图如图3所示。

图2 边界条件Fig.2 Boundary condition

图3 试件组装示意图Fig.3 Specimen assembly diagram

1.3 初始缺陷

试件初始缺陷包括初始变形及残余应力，主要是由于将加强筋焊接到主板的过程中，结构受热及冷却不均匀产生的。焊接初始变形致使结构的偏心效应较大，压缩残余应力的存在使得结构平均作用力未达到材料屈服极限就开始屈服，因此焊接初始缺陷在不同程度上削弱了结构的极限强度。加筋板的初始变形分为局部凹凸、加筋横向挠度以及主壳板的纵向弯曲变形，本试验选取四条沿测试构件纵向均匀分布且平行于加筋的直线，以某一基准面对比并测量加筋板试件壳板纵向弯曲初始变形。

2 试验结果与分析

2.1 裂纹长度对加筋板剩余极限强度的影响

试件1和试件3裂纹位于加筋板中部垂直于加强筋，相对裂纹长度cp/b分别为0.2、0.3。试件1壳板平面初始变形的测量最大值为10.25 mm。从图4可看出在整个加载过程中测点的应变逐渐增大，在外载达到极限载荷之前，各测点应变基本呈线性增长。在整个加载过程中加强筋上测点5先达到材料屈服极限，即加筋先达到屈服状态。当试件1外载荷加载至362.5 kN直至下次加载的时间间隔内，测点应变值不断增长，也即加筋板在持续弯曲变形，期间位于加筋两侧壳板中心位置的测点2和测点6先后达到材料屈服极限。理论上来说完整加筋板上对称分布的点应该同时达到屈服极限，试验过程中测点2和测点6屈服点出现的时间差主要是由于裂纹存在和初始变形的影响。同时从图5可以看出加筋板随着压缩位移在逐步增大，试件两端压力加载至368.0 kN后，测点应变值不断增大，部分测点应变片显示过载，即试件发生屈曲破坏。在试件屈曲后的加载阶段，构件承载能力逐渐减小，试件两端压载值递减，弯曲变形越来越大，经测量试件1最终塑性弯曲变形后偏离原始平面最大的位移为78 mm。

图4 载荷—应变曲线Fig.4 Load-Strain curves

图5 载荷—位移曲线Fig.5 Load-Displacement curves

试件3壳板平面初始变形的测量最大值为18.94 mm，从图4得知在整个加载过程中位于裂纹顶端附近的测点1先达到材料屈服极限，接着加筋上的测点5达到了材料屈服极限，此时结构并没有达到极限承载而崩溃。在外载达到材料极限强度的瞬间，其他位置的测点应变快速增加且部分应变片采集结果显示过载。没有裂纹的一侧壳板中部测点7在达到极限压载前应变值远小于达到材料屈服极限的程度，当结构屈曲崩溃的瞬间，测点7应变超出了应变片线性测量范围，也即该测点位置发生了塑性变形。根据试件3的变形过程及测点应变变化规律可以总结出，裂纹的存在破坏了结构完整性和连续性，导致结构裂纹顶端附近产生应力集中。在外载大小达到极限载荷之前，测点应变变化呈线性趋势，由图5可知，当试件3在所受外压载力值为435.0 kN后，测点应变值激增，同时观察到加筋发生了明显横向变形，也即此时试件崩溃破坏，屈曲破坏变形图如图6所示。从整个试验试件的变形过程看出试件1的弯曲变形过程较为缓和，试件3的塑性弯曲变形较为迅速，极限载荷前后试件的变形区分比较明显。经测量试件3最终弯曲变形后偏离原始平面的最大位移为214 mm。

图6 试件3屈曲破坏变形图Fig.6 Buckling mode of specimen 3

2.2 裂纹倾角对加筋板剩余极限强度的影响

试件2裂纹位于加筋板中部，倾角为45°且垂直于加筋方向的投影相对裂纹长度cp/b为0.2。该试件壳板平面初始变形的最大值为11.98 mm。根据图7及变化趋势可以看出位于加筋两侧壳板中央位置的测点3或测点6会率先达到材料屈服极限，随着外载的增加，主壳板上测点4随后达到材料屈服极限，试件2加筋上测点与裂纹尖端附近的测点2应变数值相差不大。相比于试件1，试件2壳板中部测点而非加强筋先达到材料屈服极限，因此可以得出裂纹倾角不同对加筋板的应力分布有较大的差别。比较图4和图7，试件2在承受超过试件1极限载荷大小的压载后，测点应变还基本保持线性变化趋势，说明当相对裂纹长度相同时，裂纹倾角45°对结构极限承载能力的影响较小。试件2屈曲破坏如图9所示，经测量试件2最终弯曲变形后偏离原始平面最大的位移为163 mm。

图7 载荷—应变曲线Fig.7 Load-Strain curves

图8 载荷—位移曲线Fig.8 Load-Displacement curves

试件4的裂纹纵向分布于加筋板中部，与试件3的裂纹方向相互垂直，相对裂纹长度cp/a为0.107。其壳板平面初始变形的最大值为17.26 mm。从图7可知试件4和试件3一样在未达到极限载荷时测点应变呈线性变化，压缩载荷达到399.9 kN时瞬间发生较大弯曲变形，同时测点应变测量数据激增，部分测点值超出线性测量范围。在整个加载过程中加筋上的测点3先达到材料屈服极限，加筋两侧位于壳板中央的测点2和测点4应变变化规律并不对称，在含有裂纹一侧的测点4应变值大于测点2，但两侧点在结构屈曲崩溃的瞬间应变同时超出应变片线性测量范围且数值相差不大，可以认为试件破坏前测点4的应变大于测点2是受裂纹存在的影响。试件弯曲崩溃后加筋并没有较大的局部横向变形。试件4屈曲破坏如图9所示，经测量试件4最终弯曲变形后偏离原始平面最大的位移为72 mm。

图9 屈曲破坏变形图Fig.9 Buckling mode of specimens

2.3 裂纹位置对加筋板剩余极限强度的影响

试件5和试件6的裂纹方向垂直于加筋，长度分别与试件1和试件3相同，位于加筋板中部边缘处。

试件5壳板平面初始变形的测量最大值为8.45 mm。从图9可以看出随着外载力的不断增大，位于裂纹顶端的测点5应变也逐渐增大，但整体变化趋势呈非线性，说明由于裂纹的存在，裂纹顶端附近壳板结构的应力应变场相比于完整结构发生了变化。测点2的应变值曲线发生了两次大的突变，第一次突变尖点之后的加筋应变小于之前加载过程中的应变值，也即该加筋的承载力变小，随着继续加载加筋应变大致保持增加趋势，偶有小的起伏，在压载值达到476.7 kN瞬间，加筋应变值出现第二次突变，在达到极限载荷前，突变后的加筋上测点应变值一直在减小，直到试件5屈曲破坏、加筋发生变形，该测点应变瞬间发生过载。通过测点2的应变规律可以看出在结构未达到极限载荷前，随着加载外力的增加，加筋与主壳板分担承载外力的比例在不停变化。试件5达到极限压缩载荷482.5 kN后，所有测点的应变值急剧增大，加筋出现了明显的局部横向位移。通过图4和图7比较得知试件5的极限承载力大于试件1，说明在相对裂纹长度为0.2时，边缘裂纹对加筋板的强度削弱作用较小。试件5中裂纹顶端测点5先达到材料屈服极限，随着外载的继续增加，测点3达到了屈服极限，此时加强筋的另一侧对称的测点1还远未达到材料屈服极限，这说明了由于边缘裂纹的存在，破坏了加筋板的整体完整性及对称性，由此影响了壳板上中心位置的应力分布。试件5屈曲崩溃如图12所示，经测量试件5最终塑性弯曲变形后偏离原始平面最大的位移为106 mm。

图10 载荷—应变曲线Fig.10 Load-Strain curves

试件6壳板平面初始变形的测量最大值为11.23 mm。相比于试件3和试件5，试件6的变形过程有很大的不同，在压缩载荷达到246.3 kN后，不管是加载的瞬间还是两次加载的间隙，主壳板缓慢并持续的发生弯曲变形，甚至可以看到因加筋板弯曲变形裂纹的上下两个截面发生交错，从测点应变采集数据我们知道位于加筋上的测点8先达到材料屈服极限，但在加筋板整体屈曲破坏前并未观察到加强筋发生明显的横向变形；测点1和5、6分别位于加筋两侧，且测点5的位置更靠近加筋，测点6靠近裂纹顶端，在压力达到246.3 kN之前的加载过程测点1的应变值明显大于测点5和测点6，测点5应变值稍大于测点6，在结构弯曲的过程三点几乎同时达到材料屈服极限，表示试件6在加强筋承载失效后，板壳继续承载，主要承载的是没有裂纹的一侧壳板，有裂纹的一侧靠近加筋的部分承受较大的载荷，随着构件的整体屈曲，加筋板中部应力分布较为平均。当试件屈曲崩溃后，发现加筋出现了明显的横向位移，具体如图9所示，经测量试件6最终塑性弯曲变形后偏离原始平面最大的位移为153 mm。

图11 载荷—位移曲线Fig.11 Load-Displacement curves

图12 屈曲破坏变形图Fig.12 Buckling mode of specimens

3 结 论

为了模拟实船加筋板结构受力和支撑情况，设计了简单支撑的边界条件，所受压载是千斤顶和反力架之间的相互作用力并由顶梁传递给测试构件，含穿透裂纹的六个试件在压缩载荷的作用下发生弯曲变形直至崩溃。通过试验获得了含裂纹加筋板结构的极限压缩载荷、应力及应变分布规律，观测了压缩载荷下加筋板的破坏模式。可得出如下结论：

（1）相对于完整加筋板，裂纹的存在会削弱加筋板剩余承载能力，尤其对裂纹尖端附近的应力分布规律有较大的影响。对于中心穿透裂纹来说，当相对裂纹长度cp/b=0.2时，加筋先于主壳板达到材料屈服极限；cp/b=0.3时，加筋板结构裂纹尖端附近的主壳板局部先于加筋达到材料屈服极限。cp/b=0.2和0.3的边缘穿透裂纹加筋板其加筋和主壳板达到材料屈服极限的先后顺序刚好与中心穿透裂纹加筋板相反。并且通过比较cp/b=0.2的中心穿透裂纹加筋板和cp/b=0.3的边缘穿透裂纹加筋板测点应变规律可以得出，两者在加筋先达到屈服极限强度后，只有主壳板承受外载的受力变形过程中，前者含裂纹一侧的主壳板结构先达到材料屈服极限强度，后者情况则相反。以上所述现象充分证明了裂纹长度以及位置能够并改变加筋板结构承载力的分布，影响结构应力应变场的变化，进而改变其失效崩溃模式。

（2）试件2裂纹倾角为45°，垂直于加筋方向投影的相对裂纹长度cp/b和试件1同为0.2，试验加载过程中试件2主壳板中部测点先于加筋达到材料极限强度，且极限压缩载荷比试件1大。因此壳板上裂纹倾角不同会影响加筋板的应力分布，在裂纹垂向投影长度相同时，倾角为45°的裂纹相对于垂直于加筋的裂纹对加筋板结构的剩余极限强度影响较小。

（3）对于含中心穿透裂纹的试件1-4来说，试件1和试件4加筋先达到材料极限强度，试件屈曲崩溃后加筋没有明显横向位移；试件2和试件3主壳板先达到材料极限强度，试件破坏后加筋出现明显的横向位移。该现象说明应力分布不同影响加筋板的崩溃模式，主壳板作为加筋板的主要承力构件，加筋的变形依赖于主壳板的变形量。

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