冷彎薄壁型鋼焊接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究與對比分析*

趙瑩

(吉林建筑工程學(xué)院城建學(xué)院，長春 130111)

在工程中冷彎薄壁型鋼的應(yīng)用越來越廣泛，對其性能的研究也越來越多.據(jù)所搜集到的資料表明，冷彎薄壁型鋼節(jié)點(diǎn)連接均為拉鉚釘或自攻螺釘，這種連接方式的缺點(diǎn)是承載力低，并且對構(gòu)件的截面有削弱.為此，本文對冷彎薄壁型鋼的焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了研究.

1 試件及試驗(yàn)［1-2］

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

用1∶1足尺模型進(jìn)行試驗(yàn).采用砂輪切割機(jī)將型鋼制作成實(shí)驗(yàn)所需要的尺寸.柱子的有效長度取500 mm.試件均采用冷彎薄壁型鋼C160X60X2.45，經(jīng)材性試驗(yàn)測試其板材屈服強(qiáng)度為234，極限強(qiáng)度約為341.通過角焊縫連接，采用手工電弧焊，E 43系列焊條，焊條直徑2.5 mm.焊縫質(zhì)量為三級.3種形式不同的節(jié)點(diǎn)分別為:節(jié)點(diǎn)1采用上下兩條焊縫;節(jié)點(diǎn)2在梁截面的內(nèi)側(cè)施焊;節(jié)點(diǎn)3將兩個(gè)型鋼背靠背連接到一起，在節(jié)點(diǎn)域用兩條豎焊縫進(jìn)行連接.

1.2 試驗(yàn)裝置、測點(diǎn)布置及數(shù)據(jù)采集方法

本實(shí)驗(yàn)在吉林建筑工程學(xué)院結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中心進(jìn)行.因荷載不大，試驗(yàn)采用100 kN油壓千斤頂手動(dòng)加載，梁端荷載通過放置在千斤頂頂部的應(yīng)變式傳感器連接應(yīng)變儀測量控制，DH 3816應(yīng)變測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)及監(jiān)測試驗(yàn)全過程.在柱的上下兩端分別用鋼絲緊固，防止試件傾覆和水平位移.在柱底部采用100 kN油壓千斤頂分別對3個(gè)試件手動(dòng)施加軸力40 kN，30 kN，50 kN，保證柱頭頂板和柱腳分別與傳感器和千斤頂?shù)志o.同時(shí)保證軸力通過截面幾何形心.在梁上翼緣距離梁端100 mm和500 mm處各設(shè)一個(gè)位移表，以測量在加荷過程中梁的位移.在距離柱底100 mm處設(shè)置位移表，以測量柱的水平位移，使加載點(diǎn)通過梁截面的彎心，以減少在加載過程中的扭轉(zhuǎn)效應(yīng).為保證局部穩(wěn)定，在加荷處上下翼緣間設(shè)置支撐板件.取試件焊縫端部、焊縫中部等位置作為測點(diǎn)，分別沿垂直于焊縫長度方向和沿焊縫長度方向布置應(yīng)變片，以測試其隨荷載的增加應(yīng)變的變化情況.

1.3 試驗(yàn)過程和現(xiàn)象

試驗(yàn)采用逐級加載.節(jié)點(diǎn)1試驗(yàn)的最初階段應(yīng)變和位移變化都比較平緩.伴隨著荷載的增加，焊縫表面覆蓋的藥皮熔渣逐漸變酥脫落.荷載加至5.5 kN時(shí)，焊縫處開始有撕裂聲，焊縫端處最危險(xiǎn)點(diǎn)有輕微裂紋.荷載加至6.5 kN時(shí)，焊縫端點(diǎn)處撕裂聲增強(qiáng)，裂紋沿焊縫長度方向從外向內(nèi)逐漸蔓延，焊縫端處裂紋最為明顯，此時(shí)無法繼續(xù)加荷.全過程中梁不斷向上翹曲.試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，梁有輕微扭轉(zhuǎn)，柱腹板有輕微鼓曲，焊縫的破壞面基本在45度線上.節(jié)點(diǎn)2試驗(yàn)荷載加至3 kN時(shí)，焊縫處開始有撕裂聲，加至4.5 kN時(shí)，焊縫處撕裂聲增強(qiáng)，同時(shí)觀察到焊縫端處有明顯裂紋，此時(shí)無法繼續(xù)加荷.全過程中梁不斷向上翹曲.試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，梁有輕微扭轉(zhuǎn)，柱腹板有輕微鼓曲.節(jié)點(diǎn)3試驗(yàn)荷載加至4 kN時(shí)，焊縫處開始有撕裂聲，隨后，響聲逐漸增加.加至10 kN時(shí)，焊縫處撕裂聲明顯增強(qiáng)，同時(shí)觀察到焊縫端處有明顯裂紋，荷載加至11 kN時(shí)，無法繼續(xù)加荷.全過程中梁不斷向上翹曲.試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，梁無彎扭傾向.節(jié)點(diǎn)形式及試驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖1 節(jié)點(diǎn)形式及試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 破壞過程分析

從以上3個(gè)節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)現(xiàn)象可以看出，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)2在荷載較大時(shí)梁均發(fā)生了不同程度的整體失穩(wěn)，而節(jié)點(diǎn)3的梁在破壞的全過程中一直保持整體穩(wěn)定.原因是在荷載形式、荷載作用點(diǎn)等條件相同的前提下，側(cè)向抗彎剛度較大的受彎構(gòu)件，其臨界荷載較大［3］，因此節(jié)點(diǎn)3的穩(wěn)定承載力較大.此外，截面形狀對受彎構(gòu)件彎扭屈曲臨界荷載也有一定的影響［4］.節(jié)點(diǎn)3由于截面形式對稱，受力均勻，荷載更易作用在剪心，因荷載偏心而導(dǎo)致的附加力矩較小，從而對其穩(wěn)定承載力的提高起到了積極作用.因此，構(gòu)件截面形式的選擇對節(jié)點(diǎn)承載力的影響不容忽視.

2.2 荷載-應(yīng)變分析

2.2.1 節(jié)點(diǎn)1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和分析

由于在剪扭聯(lián)合作用下距離焊縫群形心最遠(yuǎn)的點(diǎn)受力最大，而起弧和落弧處缺陷比較明顯，所以選擇節(jié)點(diǎn)處上側(cè)焊縫距離左端20 mm和距離右端20 mm處的兩個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行分析.

各測點(diǎn)隨荷載增加而變化的曲線如圖2所示.分析如下:

a.從該曲線可見，焊縫左端應(yīng)變(測點(diǎn)7等)明顯大于右端(測點(diǎn)3等).原因在于左端所受剪力和扭矩產(chǎn)生的分力同向，而右側(cè)反向;

b.從開始加荷到荷載加至4.5 kN，大多數(shù)測點(diǎn)變化均勻，基本處于線性彈性階段，測點(diǎn)6變化最為明顯.該測點(diǎn)的應(yīng)變片黏貼在焊縫最危險(xiǎn)點(diǎn)附近的柱腹板上，沿垂直于焊縫長度方向上.此測點(diǎn)受力最大，在外荷作用下反映最為明顯.另外，該測點(diǎn)呈現(xiàn)出非線性特征.原因在于此處距離施焊時(shí)起弧的位置最近，起弧時(shí)由于溫度驟變，使得鋼材內(nèi)部的金相組織發(fā)生變化，焊接殘余應(yīng)力的存在也是導(dǎo)致非線性的重要原因;

c.荷載從4.5 kN發(fā)展到6 kN的過程中，各測點(diǎn)的曲線都趨于平緩，隨著荷載的增加，應(yīng)變的變化非常輕微，幾乎沒有變化;

d.從圖2各曲線的形狀可以證明，將冷彎薄壁型鋼假定為理想的彈塑性體是可行的.

圖2 輕鋼節(jié)點(diǎn)1各測點(diǎn)荷載-應(yīng)變對比

圖3 節(jié)點(diǎn)3柱外側(cè)焊縫各測點(diǎn)荷載-應(yīng)變對比

圖4 節(jié)點(diǎn)3柱內(nèi)側(cè)焊縫1各測點(diǎn)荷載-應(yīng)變對比

圖5 輕鋼節(jié)點(diǎn)3柱內(nèi)側(cè)焊縫2各測點(diǎn)荷載-應(yīng)變對比

2.2.2 節(jié)點(diǎn)3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和分析

節(jié)點(diǎn)3由于構(gòu)件截面對稱，節(jié)點(diǎn)域焊縫的分布對稱均勻，在很長一段時(shí)間內(nèi)，焊縫處各測點(diǎn)的應(yīng)變發(fā)展一直比較平緩，直至荷載加至9 kN時(shí)，個(gè)別測點(diǎn)開始出現(xiàn)應(yīng)變發(fā)展加速的情況.在豎向荷載的作用下，節(jié)點(diǎn)3的焊縫群屬于側(cè)面角焊縫.側(cè)面角焊縫主要承受剪力，塑性較好，彈性模量低，強(qiáng)度也較低.由于傳力線通過側(cè)面角焊縫時(shí)發(fā)生彎折，因而應(yīng)力沿焊縫長度方向的分布不均勻，呈兩端大中間小的狀態(tài)，但在接近塑性工作階段時(shí)，產(chǎn)生應(yīng)力重分布，使不均勻性趨于平緩.

圖3反映了節(jié)點(diǎn)3柱外側(cè)焊縫處各測點(diǎn)的荷載-應(yīng)變規(guī)律.從圖3可以看出，除個(gè)別測點(diǎn)的輕微波動(dòng)外，大多數(shù)測點(diǎn)的發(fā)展均呈現(xiàn)出彈性特征，直至節(jié)點(diǎn)喪失承載力時(shí)，該處各測點(diǎn)均未達(dá)到屈服.圖4和圖5是節(jié)點(diǎn)3節(jié)點(diǎn)域柱內(nèi)側(cè)的兩條焊縫各測點(diǎn)的荷載-應(yīng)變對比曲線.當(dāng)荷載達(dá)到8 kN時(shí)，測點(diǎn)1-2，4-2，9-3，9-2，11-3，11-2出現(xiàn)了不同程度的波動(dòng)，形成應(yīng)變的高峰，以上各點(diǎn)均分布在焊縫的兩端.這說明對于側(cè)焊縫，沿焊縫長度方向應(yīng)變的分布是兩端大，中間小.9-2和4-2最大應(yīng)變數(shù)值比較接近，幾乎達(dá)到了-20 000.這一方面說明構(gòu)造的對稱性導(dǎo)致了焊縫受力的對稱性;另一方面也說明了這種節(jié)點(diǎn)具有強(qiáng)大的變形能力.

2.3 荷載-位移對比分析

圖6為各節(jié)點(diǎn)荷載-位移曲線.分析如下:

在加荷的最初階段，各曲線呈現(xiàn)了輕微的非線性，這可能是由于柱端約束不夠緊固導(dǎo)致的，這種非線性隨著荷載的增加而逐漸減弱.節(jié)點(diǎn)2位移的發(fā)展一直呈現(xiàn)出非線性的特征.這是因?yàn)榱憾司嚯x梁的轉(zhuǎn)動(dòng)中心遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)幅度大，受到外界干擾因素多.可見，輕鋼結(jié)構(gòu)梁的撓跨比對其非線性特征起到了一定的影響作用.節(jié)點(diǎn)3曲線的發(fā)展均勻而平緩，梁中的位移在荷載加至10 kN之前一直呈線性彈性特征，荷載加至10 kN之后，呈現(xiàn)出非線性的彈性特征;相比之下，梁端的位移稍有波動(dòng)，但和節(jié)點(diǎn)1，2相比，波動(dòng)微弱，這說明構(gòu)件截面的對稱性對節(jié)點(diǎn)的線性特征起到了積極的作用.

圖6 節(jié)點(diǎn)1，2，3荷載—位移曲線圖

各節(jié)點(diǎn)彈性階段的最大位移達(dá)到了15 mm.可見，由于冷彎薄壁型鋼板材較薄，剛度不是很好.

3個(gè)節(jié)點(diǎn)梁端和梁中的位移發(fā)展規(guī)律是比較一致的，充分體現(xiàn)了均勻、連續(xù)的力學(xué)假設(shè).

節(jié)點(diǎn)3的剛度最大，而且變化平穩(wěn)，這和輕鋼節(jié)點(diǎn)3對稱的截面形式和截面面積大等因素有關(guān).從受力角度分析，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)3節(jié)點(diǎn)域焊縫的受力方式都是剪扭，而輕鋼節(jié)點(diǎn)2為彎剪，顯見，剪扭的受力情況要好于彎剪.

2.4 荷載-轉(zhuǎn)角對比分析

從彎矩-轉(zhuǎn)角曲線可以看出焊接節(jié)點(diǎn)呈現(xiàn)出接近剛性的半剛性特征(見圖7).

2.5 焊接連接與自攻螺釘連接對比分析

在實(shí)驗(yàn)條件相同、梁柱截面形式相同的情況下，文獻(xiàn)［5］對自貢螺釘連接節(jié)點(diǎn)做了相應(yīng)的試驗(yàn)研究.現(xiàn)將結(jié)果進(jìn)行對比.可見，焊接連接的節(jié)點(diǎn)承載力明顯高于自貢螺釘連接的承載力(見圖8).

圖7 彎矩-轉(zhuǎn)角對比

圖8 焊接連接和自攻螺釘連接節(jié)點(diǎn)承載力對比

3 結(jié)論

通過試驗(yàn)研究和對比分析得到如下結(jié)論:

(1)當(dāng)荷載達(dá)到某一數(shù)值，冷彎薄壁型鋼焊接節(jié)點(diǎn)中的梁會(huì)發(fā)生失穩(wěn);

(2)對于焊縫連接形式，當(dāng)受到剪力和扭矩聯(lián)合作用時(shí)，比受到剪力和彎矩聯(lián)合作用時(shí)節(jié)點(diǎn)的承載能力發(fā)揮要好;

(3)截面形式的對稱性有利于節(jié)點(diǎn)性能的發(fā)揮;

(4)冷彎薄壁型鋼焊接節(jié)點(diǎn)屬于半剛性節(jié)點(diǎn)，焊縫最危險(xiǎn)點(diǎn)附近的板材非線性特征較明顯，其余各點(diǎn)基本呈規(guī)律的線彈性特征;

(5)其他條件完全相同時(shí)，焊縫連接的節(jié)點(diǎn)比自貢螺釘連接的節(jié)點(diǎn)承載力要高、剛度大、塑性好，并且對截面沒有削弱.

［1］趙 瑩.冷彎薄壁型鋼焊接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)研究及有限元分析［J］.吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，28(3):1-4.

［2］趙 瑩.冷彎薄壁型鋼-輕質(zhì)混土組合節(jié)點(diǎn)性能研究［D］.長春:吉林建筑工程學(xué)院，2011.

［3］陳 驥.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與設(shè)計(jì)［M］.北京:科學(xué)出版社，2006:1-10.

［4］童根樹，張 磊.薄壁鋼梁穩(wěn)定性計(jì)算的爭議及其解決［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2002(6):44-51.

［5］吳學(xué)韜.型鋼結(jié)構(gòu)組合節(jié)點(diǎn)性能研究［D］.長春:吉林建筑工程學(xué)院，2011.