焊接對(duì)栓焊混用節(jié)點(diǎn)螺栓承載力影響

查春光 齊榮慶

(1.北京新京潤(rùn)房地產(chǎn)有限公司，北京 100022;2.西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，云南昆明 650224)

作為三種主要的連接方式之一，栓焊連接在實(shí)際工程中的應(yīng)用十分廣泛。這種構(gòu)造安裝方便，避免了腹板焊接，減少現(xiàn)場(chǎng)焊接工作量，但栓焊混用連接的施工順序?qū)?jié)點(diǎn)承載能力有一定的影響。我國(guó)JGJ 82-2011鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程規(guī)定:施工順序宜在高強(qiáng)度螺栓初擰后進(jìn)行翼緣的焊接，然后再進(jìn)行高強(qiáng)度螺栓的終擰;當(dāng)采用先終擰再進(jìn)行翼緣焊接的施工工序時(shí)，腹板拼接高強(qiáng)度螺栓宜采用補(bǔ)擰或增加螺栓數(shù)量的10%。由于焊接工藝的不同，梁翼緣焊縫處的熱量輸入相差大，不同梁高導(dǎo)致熱量擴(kuò)散速度不同，規(guī)程要求的處理方式?jīng)]有根據(jù)節(jié)點(diǎn)的不同進(jìn)行相應(yīng)的考慮。本文利用MSC.Marc有限元程序，考慮了幾何非線性、接觸非線性、材料非線性，建立了單板連接和雙板連接工況下三組六個(gè)栓焊連接模型，分析板件中熱應(yīng)力分布及其隨時(shí)間變化對(duì)螺栓預(yù)拉力影響，對(duì)比不同梁高與螺栓數(shù)量時(shí)，螺栓群承載力變化，并對(duì)螺栓群補(bǔ)擰區(qū)域提出建議。

1 模型建立

1.1 幾個(gè)假定

1)忽略連接板與柱翼緣焊接過(guò)程并不計(jì)算其殘余應(yīng)力。因?yàn)檫B接板與翼緣的焊接往往都是在工廠中焊接完成，可以通過(guò)熱處理減小焊接殘余應(yīng)力。這樣的處理還可以減少有限元計(jì)算時(shí)間;2)焊接過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生各種如氣孔、夾渣等焊接缺陷，模型忽略了這些缺陷;3)對(duì)螺栓連接副進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，不考慮螺栓頭、墊圈與螺栓桿的材料屬性差異，我們感興趣的是螺栓桿的應(yīng)力變化情況;4)連接順序?yàn)橄葦Q后焊、先焊上翼緣，后焊下翼緣。

1.2 梁柱節(jié)點(diǎn)模型

建立了單板連接和雙板連接兩種工況下三組共六個(gè)栓焊連接節(jié)點(diǎn)模型，分別命名為 DJ3，SJ3，DJ4，SJ4，DJ5 和 SJ5，梁、柱、連接板尺寸見(jiàn)表1。連接板厚度根據(jù)01SG519多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖［1］取值。梁、柱及連接板材質(zhì)為Q235B。螺栓采用M20，10.9級(jí)摩擦型高強(qiáng)螺栓，材質(zhì)為40Cr。焊縫采用E43焊條焊接。典型節(jié)點(diǎn)SJ4的有限元模型及節(jié)點(diǎn)域構(gòu)造見(jiàn)圖1，圖2。

表1 模型尺寸

圖1 SJ4節(jié)點(diǎn)有限元模型

圖2 SJ4節(jié)點(diǎn)域構(gòu)造

1.3 參數(shù)設(shè)置

1)彈塑性本構(gòu)模型:鋼材是一種典型的彈塑性材料，本文采用的屈服準(zhǔn)則為Von Mises模型，該模型能很好的模擬材料的彈塑性行為。鋼材應(yīng)力—應(yīng)變曲線選用二折線模型;2)單元選取:本模型采用三維實(shí)體單元構(gòu)建，單元類型采用全積分HEX7號(hào)單元;3)接觸設(shè)置:將螺栓、連接板及梁設(shè)為接觸體，它們之間接觸關(guān)系選為“touching”，摩擦系數(shù)為0.3;4)焊接模型［2］:焊接過(guò)程采用的是雙橢球焊接熱源模型，該模型能夠靈活地模擬焊接全過(guò)程。該模型考慮了材料的熱物理參數(shù)如彈性模量、線性膨脹系數(shù)、比熱容等，而且還考慮了電弧力對(duì)熔池的影響，因此在球狀熱源模型中它被應(yīng)用得最廣泛;5)預(yù)緊力施加［3］:通過(guò)MPC法施加預(yù)緊力，預(yù)拉力142.7 kN。MPC法的基本思想是將螺栓桿有限元網(wǎng)格分成兩個(gè)部分，在兩部分之間形成一個(gè)裂口，在裂口之間兩部分可以產(chǎn)生間隙或重疊。兩部分只能在軸向運(yùn)動(dòng)，重疊會(huì)使兩部分產(chǎn)生預(yù)拉應(yīng)力，間隙引起壓應(yīng)力;6)焊接參數(shù):根據(jù)焊接手冊(cè)選取電壓 24 V，電流 150 A，焊接效率取 0.9，焊接速度取4 mm/s［4］。

2 結(jié)果分析

本文的螺栓編號(hào)順序?yàn)閺纳现料拢瑥淖笾劣?，?jié)點(diǎn)DJ3螺栓節(jié)點(diǎn)編號(hào)如圖3所示，其余節(jié)點(diǎn)螺栓編號(hào)以此類推。螺栓增量步—應(yīng)力關(guān)系曲線分布如圖4～圖9所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)模型DJ3螺栓編號(hào)

圖4 DJ3節(jié)點(diǎn)螺栓荷載步—應(yīng)力曲線

圖5 SJ3節(jié)點(diǎn)螺栓荷載步—應(yīng)力曲線

圖6 DJ4節(jié)點(diǎn)螺栓荷載步—應(yīng)力曲線

圖7 SJ4節(jié)點(diǎn)螺栓荷載步—應(yīng)力曲線

在模擬結(jié)果中，熱量傳遞的路徑為焊縫—梁翼緣—梁腹板—連接板—螺栓。因此，在焊接過(guò)程中，單板連接與雙板連接的最大區(qū)別是，單板連接中的梁腹板受熱膨脹未受連接板約束，而雙板連接中梁腹板的膨脹則受兩塊連接板約束，不能自由膨脹。

圖8 DJ5節(jié)點(diǎn)螺栓荷載步—應(yīng)力曲線

圖9 SJ5節(jié)點(diǎn)螺栓荷載步—應(yīng)力曲線

圖4，圖6，圖8是單板連接中螺栓應(yīng)力變化曲線。從中可以看出，在單板連接中，部分螺栓應(yīng)力會(huì)減小，其余螺栓應(yīng)力略增大。在圖4中，DJ3-B3，DJ3-B4號(hào)螺栓預(yù)拉力減小，這是因?yàn)樵撀菟ň嚯x焊縫最遠(yuǎn)，該區(qū)域梁腹板應(yīng)變最小，在總約束力不變情況下，當(dāng)其他螺栓預(yù)拉力增大，它的預(yù)拉力減小。因此距離焊縫一定距離，預(yù)拉力減小，在圖6、圖8中亦可觀察到該現(xiàn)象。

圖5，圖7，圖9是雙板連接中螺栓應(yīng)力變化曲線。從中可以看出，雙板連接情況下螺栓應(yīng)力在焊接完成后都會(huì)有一定的增大，相應(yīng)的預(yù)拉力會(huì)增大。由于腹板膨脹，兩塊連接板與螺栓構(gòu)成對(duì)腹板的約束，應(yīng)力增大，預(yù)拉力增大。

3 結(jié)語(yǔ)

1)單板連接的栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)在焊接過(guò)程中部分螺栓預(yù)拉力會(huì)減小。2)焊接過(guò)程對(duì)螺栓預(yù)拉力的影響，隨著螺栓與焊縫距離的增大而影響逐漸減小。建議在實(shí)際工程中栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)應(yīng)在焊接過(guò)后對(duì)高強(qiáng)螺栓進(jìn)行補(bǔ)擰。3)雙板連接的栓焊混合連接節(jié)點(diǎn)在焊接過(guò)程中所有螺栓預(yù)拉力會(huì)增大，在焊接冷卻過(guò)程中表現(xiàn)的更明顯。4)雙板連接螺栓群的承載力整體提高，可以不考慮施工過(guò)程對(duì)節(jié)點(diǎn)連接承載力影響。

［1］01SG519，多、高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造詳圖［S］.

［2］劉勁松.MSC.Marc在材料加工工程中的應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2010.

［3］吳道輝.巨型模鍛壓機(jī)結(jié)構(gòu)載荷均勻傳遞及控制［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2011.

［4］胡傳炘.實(shí)用焊接手冊(cè)［M］.北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社，2006.