楔形翼緣連接板腹板連接節(jié)點斷裂性能

劉洪波，趙文軍，李 爽，邵永松，謝禮立

(1.黑龍江大學建筑工程學院，哈爾濱150080，Interdage@163.com;2.哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院，哈爾濱150090)

1994年1月17日發(fā)生在美國的北嶺地震和正好一年后1995年1月17日發(fā)生在日本的阪神地震是兩次陸域型強震.被認為抗震性能卓越的現(xiàn)代鋼框架結(jié)構遭受了嚴重的破壞，而且梁柱節(jié)點的破壞主要發(fā)生在梁柱焊接接頭處，且多為脆性破壞.美國北嶺地震中，焊接鋼框架節(jié)點的破壞，主要發(fā)生在梁的下翼緣，最典型的破壞形式是焊縫沿柱翼緣表面部分或完全斷裂［1－2］，這種裂縫數(shù)量是其他所有破壞類型總數(shù)的二倍.

這種破壞形式既出現(xiàn)在工字鋼梁與H型鋼柱翼緣連接節(jié)點上，也出現(xiàn)在工字鋼梁與H型鋼柱腹板連接節(jié)點上［3］.國內(nèi)外學者對工字鋼梁與H型鋼柱翼緣連接節(jié)點焊縫的斷裂性能研究較多［4－6］，但對腹板連接節(jié)點焊縫的斷裂性能研究較少［7］.

對于工字鋼梁與H型鋼柱腹板連接節(jié)點，通常延長翼緣連接板以便使其與梁冀緣的對接焊縫遠離與柱冀緣的焊縫，從而避免了交叉焊縫與復合殘余應力.我國的《高層民用建筑鋼結(jié)構技術規(guī)程》(JGJ99－98)規(guī)定梁的翼緣連接板宜采用楔形，且伸出柱外約100落mm，以免該板在與梁翼緣的連接處因板件寬度突變而破裂.本文采用斷裂力學與有限元分析相結(jié)合的方法，研究楔形翼緣連接板腹板連接節(jié)點焊縫的應力強度因子與構件尺寸之間的關系，并與僅延長翼緣連接板腹板連接節(jié)點進行了比較，從而為鋼框架結(jié)構腹板連接節(jié)點抗震設計提供依據(jù).本文判斷焊縫開裂的依據(jù)是I型應力強度因子KI，KI可以通過J積分的方法求得.

1 有限元模型建立

美國Lehigh大學對最常用的梁柱腹板連接形式進行了足尺的單調(diào)加載試驗［8－9］.在文獻中對試件的制作、梁柱材性、焊縫材性及施焊順序、螺栓型號及預拉力、加載方案及全部試驗結(jié)果進行了詳細介紹，可以獲得比較齊全的試驗數(shù)據(jù)，所提供的數(shù)據(jù)能夠滿足有限元模型驗證的需要.

試驗中的試件是根據(jù)美國鋼結(jié)構設計規(guī)范設計的，梁柱分別采用W27×94，W14×246寬翼緣工字鋼，梁長1.422 m，柱高5.5 m.螺栓直徑22 mm，共5個.試驗時在梁端施加一遞增的單向荷載.梁、柱、翼緣連接板以及腹板連接板均采用ASTM A572鋼，焊縫材料為E70型，螺栓采用ASTM A490高強螺栓.材料性能見表1.試驗方案見圖1.

表1 構件材料屬性

本文建立的試驗腹板連接節(jié)點的有限元模型見圖2.有限元模型采用ANSYS中實體單元建模，除焊縫、缺陷和不規(guī)則形狀處采用Solid95單元，其余全部采用Solid45單元.考慮剪切板和梁腹板之間的接觸、螺帽與剪切板之間的接觸、螺帽與梁腹板間的接觸，采用目標單元TARGE170和接觸單元CONTA173來模擬，摩擦系數(shù)取0.4.對于高強螺栓中的預拉力采用PRETS179單元進行模擬，每個螺栓施加218 kN的預拉力.

圖1 試驗方案

圖2 試驗腹板連接有限元模型

本文的有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果的比較見圖3，可以看出，在彈性階段，有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果非常接近，但試件屈服以后有限元計算的承載力略低于試驗結(jié)果，這主要是由于計算模型中的材料與實際材料的本構關系之間存在差異，尤其是強化階段，本文模型中采用的是多線性隨動強化模型，與實際情況肯定存在一定差異.但總體而言，本文的計算結(jié)果與試驗結(jié)果還是吻合很好，可以認為本文所建立的有限元模型能夠較好地模擬梁柱腹板連接在單調(diào)荷載作用下的受力性能.

圖3 有限元結(jié)果與試驗結(jié)果的比較

2 KI沿梁翼緣寬度的分布規(guī)律

楔形翼緣連接板腹板連接節(jié)點有限元模型見圖4，材料屬性同試驗構件.焊縫初始缺陷深度為2.5 mm時，梁下翼緣節(jié)點焊縫應力強度因子沿梁翼緣寬度方向分布情況見圖5，圖中的法向拉應力σn是通過有限元積分得到的平均值.可以看出，應力強度因子KI沿梁寬度方向并不是均勻分布，KI在梁翼緣邊緣最大，中部較小.這與工字鋼梁與H型鋼柱翼緣連接節(jié)點焊縫應力強度因子分布規(guī)律正好相反.翼緣連接，應力強度因子兩邊小，中間大［10］，腹板連接應力強度因子的均值較翼緣連接小［11］，腹板連接相對翼緣連接偏于安全，這與實際震害結(jié)果一致.通常情況下，梁下翼緣節(jié)點焊縫，由于梁腹板的遮擋，節(jié)點焊縫中間的初始缺陷較大.另外，焊縫的起落弧點是焊縫的關鍵部位，又是存在缺陷概率較大的地方，因此，焊縫中間和邊緣是比較薄弱的部位.從圖5可以看出，楔形翼緣連接板腹板連接節(jié)點在邊緣處的應力強度因子值較僅延伸翼緣連接板腹板連接節(jié)點小，這說明采用楔形翼緣連接板可以明顯改善焊縫邊緣的斷裂性能.為了研究方便，下面主要針對沿翼緣寬度方向的應力強度因子平均值進行研究.未注明情況下，KI指應力強度因子平均值.

圖4 楔形翼緣連接板腹板連接節(jié)點有限元模型

圖5 KI沿梁翼緣寬度方向分布

3 KI沿裂縫深度變化

梁與柱節(jié)點焊縫處應力強度因子平均值KI隨裂縫深度變化見圖6.可以看出，無論是上翼緣還是下翼緣，受拉時應力強度因子KI都隨裂紋深度增加而增大.法向應力相同的情況下，梁下翼緣焊縫斷裂的可能性比梁上翼緣焊縫大得多.楔形翼緣連接板腹板連接節(jié)點的應力強度因子平均值較僅延伸翼緣連接板腹板連接節(jié)點小，這說明采用楔形翼緣連接板有助于改善腹板連接節(jié)點斷裂性能.

圖6 KI隨裂縫深度變化

梁上翼緣與柱的焊接節(jié)點，由于焊接比較方便，質(zhì)量容易保證，因此，存在裂縫的可能性比下翼緣節(jié)點要小很多.在沒有初始裂縫的情況下，梁上翼緣應力強度因子與法向應力的比KI/σn是0.102，北嶺地震中鋼結(jié)構建筑常用的E70T－4焊條斷裂韌度KIC約為44～66 m0.5MPa［10］，若取KIC等于 44 m0.5MPa，那么當法向應力達到431 MPa開始起裂，而梁柱鋼材的屈服強度為380 MPa，此時梁翼緣早已屈服，因此，節(jié)點就不會發(fā)生脆性破壞.這與實際震害情況是一致的，在美國的北嶺地震中，很少發(fā)生腹板連接節(jié)點梁上翼緣節(jié)點焊縫斷裂的情況［3］.因此，下面主要研究梁下翼緣節(jié)點焊縫斷裂性能.

4 KI隨各參數(shù)的變化情況

在試驗構件的基礎上，改變單個因素來研究該因素對KI的影響情況.研究結(jié)果表明:柱截面高度、梁和柱腹板厚度對KI/σn的影響很小，KI/σn與梁截面高度、翼緣寬度和翼緣厚度成增函數(shù)關系，與梁長度lb成減函數(shù)關系.KI/σn與柱翼緣寬度和翼緣厚度成減函數(shù)關系，與柱長度lc成增函數(shù)關系.有限元研究還發(fā)現(xiàn)KI/σn與梁截面參數(shù)是增函數(shù)關系，與柱截面參數(shù)是減函數(shù)關系.這是由于節(jié)點域變形對梁柱焊縫開裂有著很大的影響，節(jié)點域變形將導致梁柱節(jié)點焊縫處應力集中.任何一個梁截面參數(shù)的增大都將導致梁線剛度的提高，相對而言，節(jié)點域變?nèi)?，?jié)點域變形增大，應力更加集中.相反，任何一個柱截面參數(shù)增大都將引起節(jié)點域剛度增大.梁長度增加，將使梁線剛度減小;柱長度增加，將使柱線剛度減小.梁柱線剛度變化將間接影焊縫處應力分布情況.

根據(jù)斷裂力學知識，在均勻應力作用下，應力強度因子KI隨著a0/tbf的增大而增大.由于節(jié)點焊縫處應力非常復雜，節(jié)點域變形的影響起主導作用.因此，應力強度因子KI沒有隨著梁翼緣厚度增加而減小.

另外，KI隨著翼緣連接板伸出長度增加而減小，這是由于隨著伸出長度的增加，應力沿梁翼緣寬度方向分布趨于均勻，受節(jié)點域變形影響也越來越小.

5 研究方案

為了給出KI/σn的計算公式，采用正交試驗設計法進行研究方案設計［12］，由于柱截面高度、梁腹板厚度和柱腹板厚度對KI/σn的影響很小，不進行這兩個參數(shù)的研究.選擇正交表L32(49)，表示每個因素選用4個水平，做32次試驗，最多考慮9個因素的正交表，由于本次研究正好共有9個參數(shù).因素水平表見表2.根據(jù)對計算結(jié)果分析采用式(1)模式進行公式擬合，得到待定系數(shù)A、B、C、D和E，見式(2).公式結(jié)果與有限元結(jié)果比較見圖7.應力強度因子公式最大相對誤差為4.09%，公式可以較精確計算出梁柱節(jié)點焊縫應力強度因子.

表2 因素水平表

圖7 公式結(jié)果與有限元結(jié)果的比較

式中:bc為柱截面寬度;tcf柱翼緣厚度;db為梁截面高度bb為梁截面寬度;lex為翼緣連接板伸出長度;tbf為梁翼緣厚度;a0為裂紋的初始深度;KI為I型應力強度因子平均值;σn為法向應力.

6 結(jié)論

1)對于工字鋼梁與H型鋼柱腹板連接節(jié)點，應力強度因子KI沿梁寬度方向并不是均勻分布，KI在梁翼緣邊緣最大，中部較小.分布規(guī)律與翼緣連接節(jié)點剛好相反，腹板連接相對翼緣連接偏于安全.采用楔形翼緣連接板可以明顯改善焊縫邊緣的斷裂性能.

2)對于工字鋼梁與H型鋼柱腹板連接節(jié)點，梁上翼緣與柱的焊接節(jié)點，由于焊接比較方便，質(zhì)量容易保證.研究結(jié)果表明:梁上翼緣與柱的焊接節(jié)點發(fā)生脆性破壞的可能性很小.

3)柱截面高度、梁腹板厚度和柱腹板厚度對KI/σn的影響很小，KI/σn與梁截面高度、翼緣寬度和翼緣厚度成增函數(shù)關系，KI/σn與柱翼緣寬度和翼緣厚度成減函數(shù)關系.

4)根據(jù)計算分析，擬合得到的應力強度因子公式可以較精確計算出梁柱節(jié)點焊縫應力強度因子.

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