焊接残余应力对钢框架梁柱节点抗震性能影响研究.pdf

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1、焊接残余应力对钢框架梁柱节点抗震性能影响研究张超，周文俊，周强（武汉理工大学，湖北武汉４３００００）摘要：以钢框架梁柱节点为研究对象，利用ＡＢＡＱＵＳ有限1．2焊接温度场模拟元分析软件“生死单元”功能模拟了瞬态焊接过程，得到了焊梁柱均采用Ｑ３４５Ｂ钢，焊条采用Ｅ５０１５型，螺栓采用接温度场的分布，采用顺序耦合法得到了焊接应力场的分Ｍ２０型１０．９级摩擦型高强螺栓。建模时，焊缝及螺栓热物布。在此基础上，针对有、无考虑焊接残余应力的两种有限理性能参数与Ｑ３４５Ｂ一致，参数见表１。元模型，分析了焊接残余应力对节点的滞回性能

2、和断裂性能表１Ｑ３４５Ｂ钢热物理性能参数的影响。研究结果表明，焊接残余应力对钢框架梁柱节点的比热容Ｃ导热系数λ比热容Ｃ导热系数λ温度温度影响明显，在设计和施工时应予以注意并采取相应的防范／°Ｃ／［Ｊ·（ｋｇ·／［Ｗ·（ｍ·／℃／［Ｊ·（ｋｇ·／［Ｗ·（ｍ·－１－１－１－１ｃ）］Ｋ）］ｃ）］Ｋ）］措施。２０４６０５３１２００６４０２９关键词：梁柱节点；焊接残余应力；滞回性能；断裂性能５００６７８３６１５００６４０３３中图分类号：ＴＵ３９１文献标志码：Ｂ８００６９０２６２０００８００１１０文章编号：１６７２－４０１１（２

3、０１７）０５－００３９－０２ＤＯＩ：１０畅３９６９／ｊ畅ｉｓｓｎ畅１６７２－４０１１畅２０１７畅０５畅００２０焊接温度场模拟采用顺序耦合法。焊接电流Ｉ＝１５０Ａ，电弧电压Ｕ＝２４Ｖ，焊接速度Ｖ＝５ｍｍ／ｓ，焊接效率η＝０．0前言７５。模拟施工顺序为：先焊接梁下翼缘与柱翼缘对接焊缝，再焊接梁上翼缘与柱翼缘对接焊缝，加热时间均为５６ｓ，冷钢结构构件之间的连接处是最薄弱，无论是采用焊接、却时间为１５００ｓ。焊接完成后冷却至室温２０℃。图２为焊螺栓连接或者栓焊混合连接，破坏和断裂大多数都发生在构接冷却后温度场分布云图。件连接

4、处。近年来，全球发生过多次破坏极大的地震，如１９９４年美国Ｎｏｒｔｈｒｉｄｇｅ和１９９５年日本Ｋｏｂｅ地震等，在这几次大的地震中，大量钢框架梁柱焊接节点出现脆性断裂，研究表明，焊接残余应力是导致这种脆性断裂破坏的重要因素之一。因此，研究钢结构焊接节点的残余应力及其对节点抗震性能的影响，从而为钢结构设计、选材和施工等方面提供参考，具有十分重要的理论意义和工程实践意义。1焊接残余应力模拟及分析1．1几何模型图２焊接冷却结束后温度场分布云图采用ＡＢＡＱＵＳ软件建立计算模型，节点尺寸和局部构从图２可以很清楚地看到焊接加热过程

5、和冷却过程中［３］造如图１。梁翼缘与柱翼缘采用焊接连接，梁腹板通过高温度场的动态变化过程，以１点为例，１点焊缝中心点也是热强螺栓和剪切板连接到柱翼缘。扩翼型连接的设计要求参源加载中心位置，在施加热源荷载后，温度值在瞬间达到１［２］１５２℃，超过了材料熔点温度，待瞬态热源继续往前移动，温考了美国（ＦＥＭＡ３５０）２０００中的规定。梁：ＨＮ４００×２００×度急剧下降，最后趋于稳定，其值为９０℃。８×１３（ｍｍ）；柱：ＨＷ４００×４００×１３×２１（ｍｍ）。1．3焊接应力场模拟模型等效残余应力分布云图见图３。图１节点示意图

6、收稿日期：２０１７－０２－２６作者简介：张超（１９９１－），男，湖北武汉人，在读硕士研究生，主要研图３等效残余应力分布云图究方向：钢结构。·３９·2节点抗震性能分析１）等效塑性应变指数。等效塑性应变指数ＰＩ为等效塑性应变与屈服应变的比值，反映了钢材局部延性及断裂倾2．1有限元模型建立向。图６为路径上等效塑性应变指数分布。抗震性能分析时模型不变，以应力场结果为初始条件。２）应力三轴度。应力三轴度为平均应力与等效应力的Ｑ３４５Ｂ钢应力－应变关系采用考虑强化段和下降段的三折比值，可以反映材料内部塑性变形和应力集中程度。图７

7、为线模型，力学性能参数为σｙ＝３６６．３４ＭＰａ，εｙ＝１．８％，σｕ＝路径上应力三轴度分布。５３１．７ＭＰａ，εｕ＝２５％，σｓｔ＝４１６ＭＰａ，εｓｔ＝３６．８％，弹性模量１１２取２．０６×１０Ｎ／ｍｍ，泊松比取０．３。模型中涉及到的相互作用均设为绑定约束，在梁端施加位移荷载，加载制度见表２。表２加载制度表位移幅值层间位移角荷载步循坏次数／ｍｍ／％ｒａｄ图６等效塑性应变指数分布图７应力三轴度分布１７．５２６０．３７５３）开裂指数。开裂指数用来描述发生脆性破坏的可能２１０．０３６０．５性，指数越大，该部位发生脆性断

8、裂的可能性就越大。研究３１５．０５６０．７５表明，当２０≤ＲＩ≤４０时，易发生脆性断裂，当ＲＩ＞４０时，构４２０．０６４１．０件非常危险，发生脆性断裂的可能性极大。图８为路径上开裂指数分布。５３０．０９２１．５６４０．１２２２．０７６０．１８２３．０８８０．２４２４．０９１００．３２５．０１０１１０．３３２５．５2．2滞回性能分析图８路径上开裂