側板與梁翼緣對接焊縫對側板加強型節(jié)點受力性能的影響分析

1、<p>　　側板與梁翼緣對接焊縫對側板加強型節(jié)點受力性能的影響分析</p><p>　　摘要：本文采用ANSYS“生死單元”方法模擬側板與梁翼緣處的施焊過程，在考慮焊接殘余應力的基礎上，對側板加強型節(jié)點的受力性能進行研究。文章針對有無考慮焊接殘余應力的兩種有限元模型，分析了殘余應力對節(jié)點應力分布、滯回曲線、延性系數、塑性轉角等特性的影響。結果表明，焊接殘余應力對側板加強型節(jié)點整體受力性能的影響不明顯，研

2、究內容可為工程應用和理論分析提供參考。 </p><p>　　關鍵詞：焊接殘余應力；側板加強型節(jié)點；應力；延性 </p><p>　　中圖分類號：P755.1 文獻標識碼：A </p><p>　　目前，國內外學者針對鋼框架梁柱改進型節(jié)點的研究已取得一定進展，研究表明改進型節(jié)點可以實現塑性鉸外移的目的，有效提高節(jié)點的抗震性能[1-7]。但多數成果是在忽略焊接殘余應力

3、的基礎上得到的，與實際受力情況存在一定誤差，為了能夠更加準確地反映出改進型節(jié)點的力學特征，并就不同位置焊縫對節(jié)點影響強弱進行比較，本研究在前期考慮側板加強型節(jié)點梁柱連接焊縫影響的基礎上[8]，針對側板與梁翼緣之間連接焊縫的殘余應力對該類改進型連接的受力性能特征進行了詳細的分析，研究結果對新型節(jié)點的推廣應用有實際意義。 </p><p>　　模擬焊接殘余應力的節(jié)點有限元模型 </p><p>

4、;　　為了能夠充分反映出焊接殘余應力對節(jié)點的影響，本文參考試驗試件SPS-1（2）[9]分別建立了有限元模型SPB（考慮側板與翼緣之間焊縫，如圖1）和SPC（不考慮焊接殘余應力），各模型具體尺寸、網格劃分如表1、圖2、圖3所示。 </p><p>　　圖1SPB模型考慮的焊縫位置 表1模型尺寸 </p><p>　　試件編號 加強板規(guī)格 試件區(qū)分 </p><p>

5、　　SPB-1 -9&#735;50 &#735;220 僅考慮側板與梁翼緣焊縫 </p><p>　　SPB-2 -9&#735;40 &#735;170 僅考慮側板與梁翼緣焊縫 </p><p>　　SPC-1 -9&#735;50 &#735;220 不考慮焊縫影響 </p><p>　　SPC-2 -9&

6、;#735;40 &#735;170 不考慮焊縫影響 </p><p>　　SPS-1 -9&#735;50 &#735;220 試驗試件 </p><p>　　SPS-2 -9&#735;40 &#735;170 試驗試件 </p><p>　　注：梁截面為HN300×150×6.5×9，柱截面

7、為HW250×250×9×14 </p><p>　　（a）SPB(C)-1 （b）SPB(C)-2 </p><p>　　圖2 節(jié)點的幾何尺寸 圖3 有限元分析模型及網格劃分 </p><p>　　焊接溫度場模擬及焊接殘余應力分布 </p><p>　　在本研究中，采用ANSYS生死單元法模擬實際焊接過程[10

8、]。設定每道焊縫的焊接、冷卻時間為均1500秒，圖4以試件SPB-1為例給出了的側板與梁翼緣之間焊縫的焊接及冷卻過程的溫度場分布。 </p><p>　?。╝）10s （b）100s （c）1000s （d）1500s </p><p>　　（e）1510s （f）1600s （g）2500s （h）3000s </p><p>　?。╥）3010s （j）3100

9、s （k）4000s （l）4500s </p><p>　　（m）4510s （n）4600s （o）5500s （p）6000s </p><p>　　圖4 SPB-1 焊縫及影響區(qū)隨時間變化溫度場 </p><p>　　圖5SPB-1梁翼緣與側板等效殘余應力 </p><p>　　在對側板加強型節(jié)點進行了如圖4所示的焊接過程模擬的基礎上

10、，本研究以SPB-1為例給出了側板與梁翼緣焊縫等效殘余應力的模擬結果，如圖5所示，從圖中可以看出，焊接殘余應力主要集中分布在焊縫及其影響區(qū)，隨著離焊縫距離的增加，焊接殘余應力迅速減小，在節(jié)點大部分位置焊接殘余應力為0。 </p><p>　　節(jié)點受力性能影響分析 </p><p>　　在考慮側板與梁翼緣對接焊縫影響的前提下，本研究選用文獻[***]中的材料的應力-應變曲線及試驗加載制度，對

11、側板加強型節(jié)點應力分布、滯回曲線、延性系數、塑形轉角、阻尼系數等延性特征進行了分析、研究，并對SPB系列試件與SPC試件進行了對比分析，從而得出側板與梁翼緣處焊接殘余應力對節(jié)點延性特征的影響規(guī)律。 </p><p><b>　　應力云圖對比 </b></p><p>　　為了反映側板與梁翼緣處焊接殘余應力對加強型節(jié)點延性特征的影響，同時節(jié)省文章篇幅，圖6給出了SPB-

12、1、SPC-1有限元模型每隔兩級加載后的應力云圖，圖中顯示，SPB與SPC試件的應力云圖特征較為相似，尤其在彈性階段，節(jié)點的應力從大小、范圍、分布規(guī)律均無顯著差別；當節(jié)點進入彈塑性階段和破壞階段后， SPB系列節(jié)點從應力分布范圍來說分布較為廣闊，且分布規(guī)律較為復雜，在焊縫附近應力增大，但對節(jié)點應力整體分布以及節(jié)點最終的破壞形態(tài)影響不明顯，這說明焊接殘余應力僅在一定范圍內，即焊縫附近對節(jié)點產生影響，其余位置應力分布規(guī)律與未考慮焊接殘應力的

13、SPC模型基本一致，因而從應力云圖角度分析，焊接殘余應力僅會對節(jié)點的局部破壞產生一定的影響，對整體受力影響不明顯。 </p><p>　　SPB-1 SPC-1 SPB-1 SPC-1 </p><p>　　(a) 荷載等級一 (b) 荷載等級三 </p><p>　　SPB-1 SPC-1 SPB-1 SPC-1 </p><p>　　(c

14、) 荷載等級五 (d) 荷載等級七 </p><p>　　SPB-1 SPC-1 SPB-1 SPC-1 </p><p>　　(e) 荷載等級九 (f) 荷載等級十一 </p><p>　　圖6 SPB(C)-1應力云圖對比分析 </p><p><b>　　應力路徑對比分析 </b></p><p

15、><b>　　圖7 路徑示意圖 </b></p><p>　　本研究根據美國及日本的震后資料以及本團隊的前期的試驗現象，找到側板加強型節(jié)點易發(fā)生破壞的位置，一般在梁柱連接焊縫、側板端部截面變化處，為了能夠更加清楚地反映節(jié)點危險位置的應力變化規(guī)律，本文針對如圖7所示的三條關鍵路徑對側板加強型節(jié)點的應力分布規(guī)律進行分析研究，來討論焊接殘余應力對節(jié)點不同位置應力分布的影響。 </p&g

16、t;<p>　　(a)路徑一 (b)路徑二 (c)路徑三 </p><p>　　圖8SPB(C)-1試件應力對比 </p><p>　　(a)路徑一 (b)路徑二 (c)路徑三 </p><p>　　圖9SPB(C)-2試件應力對比 </p><p>　　由圖8（a）、圖9（a）可以看出，節(jié)點應力沿路徑一分布較為復雜， SPB系

17、列試件的應力范圍略廣于SPC系列，在圖10（a）中SPB-2的曲線在側板與翼緣連接處，即焊縫附近出現了應力峰值，但總體來說，側板與梁翼緣間的焊接殘余應力對于路徑一而言影響不大，曲線無明顯規(guī)律可循，僅在側板、梁翼緣、柱翼緣相交處出現突變。 </p><p>　　由圖8（b）、圖9（b）可見，節(jié)點應力沿路徑二呈規(guī)律的“幾”字形分布，考慮殘余應力影響的SPB系列構件的應力數值在側板與梁翼緣連接處明顯大于SPC構件，在梁

18、翼緣中部區(qū)域二者的應力曲線幾乎完全重合，這一現象與圖6的應力云圖分布規(guī)律相吻合，即焊接殘余應力僅在焊縫附近對節(jié)點產生影響。從數值來說，節(jié)點沿路徑二的應力明顯大于沿路徑一的應力。 </p><p>　　由圖8（c）、圖9（c）可見，SPB和SPC系列試件的應力曲線基本重合，出現這一現象的原因在于路徑三位于遠離側板與梁翼緣焊縫的區(qū)域，受到殘余應力的影響較微弱。應力曲線在梁柱翼緣根部較小，隨后出現一個明顯的增幅，在側板

19、端部應力出現逐步遞減的趨勢，這一規(guī)律充分說明，無論是否考慮焊接殘余應力，側板加強型節(jié)點都可順利實現塑性鉸外移的目的。 </p><p>　　側板與梁翼緣焊縫對節(jié)點延性性能的影響 </p><p><b>　?。?）滯回曲線 </b></p><p>　　SPB、SPC和SPS系列模型的滯回曲線及對比曲線如下圖10所示。 </p>

20、<p>　　（a）SPB-1 （b）SPC-1 （c）SPS-1 （d）SP-1滯回曲線對比 </p><p>　?。╡）SPB-2 （f）SPC-2 （g）SPS-2 （h）SP-2滯回曲線對比 </p><p>　　圖10 各構件滯回曲線及對比 </p><p>　　通過圖10（a）、（b）、（e）、（f）對比分析可以看出，SPB和SPC系列試件的滯回

21、曲線較為飽滿，曲線走勢基本一致，表明節(jié)點具有良好的塑性變形能力，相比之下試驗試件SPS的滯回曲線不夠飽滿，這與試驗受到很多不確定性因素的影響有關。圖10（d）、（h）為各試件的滯回曲線對比圖，由圖可見，SPB和SPC系列試件的曲線幾乎完全重合，該現象表明側板與梁翼緣連接處焊接殘余應力對節(jié)點滯回性能的影響不明顯。 </p><p>　?。?）承載力及延性系數 </p><p>　　表2中給出

22、了側板加強型節(jié)點有限元及試驗試件的位移、承載力及延性系數的具體數據。 </p><p>　　表2 承載力及延性系數對比 </p><p>　　項目 SP-1 SP-2 </p><p>　　數模結果 試驗數據 數模結果 試驗數據 </p><p>　　SPB-1 SPC-1 差別 SPS-1 SPB-2 SPC-2 差別 SPS-2 <

23、/p><p>　　極限位移△u/mm 56.88 61.5 -8.1% 80.9 56.4 70.4 -24.8% 79.4 </p><p>　　極限承載力Pu/kN 147.64 146.41 0.82% 157.2 136.9 151.24 -10.47% 153.72 </p><p>　　屈服位移△y/mm 16.26 16.43 -1.04% 23 15.5

24、3 16.87 -8.6% 21.34 </p><p>　　屈服荷載Py/kN 121.68 118.6 2.6% 123.7 115.87 125.5 -8.3% 116.4 </p><p>　　延性系數/μ 3.498 3.74 -6.9% 3.52 3.63 4.2 -5.8% 3.72 </p><p>　　由表中可見，對于極限承載力來說SPB-1和SP

25、C-1相差0.82%，SPB-2和SPC-2相差10.47%，而對于屈服荷載來說以上兩組試件分別相差2.6%和8.3%，究其原因在于有限元模擬結果的離散性，以及加強側板的幾何尺寸差異。有限元模型和試驗試件的延性系數均達到大于3的抗震要求，說明改進型側板加強型節(jié)點具有良好的延性性能。SPB系列試件的延性系數小于SPC系列，即焊接殘余應力對于節(jié)點的延性有一定的影響，但影響較小，最大差別僅達到6.9%。 </p><p&g

26、t;<b>　?。?）延性轉角 </b></p><p>　　通過對表3中模型轉角的對比可知，各試件均滿足塑形轉角大于3% rad,總轉角大于5% rad的抗震要求，且試驗試件的數據小于有限元模型，而對于有限元模型來說，無論是否考慮焊接殘余應力，兩組側板加強型節(jié)點的總轉角均未發(fā)生任何變化，塑形轉角最大差距也僅有1.34%，因此，焊接殘余應力對于側板加強型節(jié)點的延性轉角的影響較小。 </

27、p><p>　　表3 各構件延性轉角對比 </p><p>　　項目 SP-1 SP-2 </p><p>　　數模結果 試驗數據 數模結果 試驗數據 </p><p>　　SPB-1 SPC-1 差別 SPS-1 SPB-2 SPC-2 差別 SPS-2 </p><p>　　塑性轉角θ/%rad 5.238 5.24

28、-0.38% 3.94 5.29 5.22 1.34% 3.92 </p><p>　　總轉角θ總%rad 6.0 6.0 0% 5.29 6.0 6.0 0% 5.32 </p><p>　?。?）等效粘滯阻尼系數 </p><p>　　表4中給出了各構件的等效粘滯阻尼系數的對比，SP-1系列構件考慮焊接殘余應力的有限元模型差別達到10.9%,而SP-2僅為1.8

29、%，這與數值模擬結果的離散性以及側板的幾何形狀有關。 </p><p>　　表4 等效粘滯阻尼系數對比 </p><p>　　項目 SP-1 SP-2 </p><p>　　數模結果 試驗數據 數模結果 試驗數據 </p><p>　　SPB-1 SPC-1 差別 SPS-1 SPB-2 SPC-2 差別 SPS-2 </p>

30、<p>　　等效粘滯阻尼系數he 0.52 0.469 10.9% 0.51 0.522 0.513 1.8% 0.411 </p><p>　　通過對考慮焊接殘余應力的SPB模型與未考慮焊接殘余應力的SPC模型在應力云圖、應力路徑分布、滯回曲線、承載能力、延性系數、塑性轉角和等效粘滯阻尼系數等多方面的對比分析可知，側板與梁翼緣連接焊縫處產生的焊接殘余應力對于節(jié)點的延性力學特征影響不明顯。 </p

31、><p><b>　　結論 </b></p><p>　?。?）有無考慮殘余應力均實現了塑性鉸外移，適當地保護了梁端對接焊縫。 </p><p>　?。?）側板與梁翼緣對接焊縫對于側板加強型改進節(jié)點的延性力學特征影響不大。 </p><p>　　綜上所述，結合本研究團隊已經取得的研究成果[8]可知，側板與梁翼緣連接處的焊接殘

32、余應力對側板加強型節(jié)點強度及延性性能影響不大，但對節(jié)點發(fā)生脆斷可能性的影響較為顯著。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p>　　[1] AISC, Seismic Provisions for Structural Steel Buildings. 2005 </p><p>　　[2] 王燕,劉蕓,毛輝.梁端翼緣擴

33、翼型節(jié)點抗震性能分析[J].土木建筑與環(huán)境工程，2013,2（35）,52-60 </p><p>　　[3] 劉蕓,王薇,王燕. 鋼框架剛性節(jié)點脆性斷裂性能研究[J]. 工業(yè)建筑，2012,9(42) :145~149. </p><p>　　[4] 毛輝,王燕.鋼框架梁翼緣擴翼型節(jié)點受力性能研究[J] .西安建筑科技大學學報,2010,42(1):36-41. </p>

34、<p>　　[5] 劉占科.鋼結構側板加強式剛性梁柱連接試驗研究[D].西安：西安建筑科技大學.2006. </p><p>　　[6] 黃艷.側板加強式梁柱節(jié)點抗震性能的有限元分析[D].西安：西安建筑科技大學.2007. </p><p>　　[7] 張文元,王想軍,朱福軍,張耀春.梁端翼緣擴大型梁柱節(jié)點抗震性能和設計方法[J].哈爾濱工業(yè)大學學報,2009,41(12):1

35、0-15 </p><p>　　[8] 劉蕓,王燕,宋永杰,毛成超.側板與梁翼緣連接焊縫對節(jié)點斷裂性能的影響[J] .工業(yè)建筑，2013,8(43) :120~124. </p><p>　　[9] 高鵬.鋼框架梁端翼緣側板加強式和擴翼式節(jié)點受力性能的試驗研究[D].青島:青島理工大學,2009. </p><p>　　[10] 宋永杰.鋼框架側板加強型焊接節(jié)點斷裂