焊接應(yīng)力與損傷對(duì)鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)抗震分析

周文俊，孫婷婷,楊子涵

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070)

無論是采用焊接螺栓，或者是雙焊混合連接，鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接處最薄弱。研究表明大多數(shù)破壞都是發(fā)生在結(jié)構(gòu)連接處。近年來全球發(fā)生過多次破壞極大的地震，如 2008年中國(guó)汶川大地震，大量鋼框架梁柱焊接節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)脆性斷裂，研究表明，焊接殘余應(yīng)力是導(dǎo)致這種情況的重要因素之一。而通過考慮損傷可以更加真實(shí)地研究焊接節(jié)點(diǎn)的殘余應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，從而為鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選材和施工等方面提供參考。

1 損傷模型的選擇與分析

ABAQUS中符合延性金屬損傷的損傷模型只有Jason-Cook模型與Ductile damage 模型。由于模擬的模型單元與節(jié)點(diǎn)數(shù)在幾十萬以上，而Johnson-Cook損傷模型是Explicit 動(dòng)力顯示算法，滯回曲線模擬時(shí)間代價(jià)太大，且體現(xiàn)不出其模擬沖擊與爆炸等大動(dòng)力載荷良好的優(yōu)勢(shì)，而Ductile damage 模型在模擬地震低頻荷載損傷上效果良好，因此選擇Ductile damage 模型。

表1 加載制度參數(shù)表

從圖2中可以明顯發(fā)現(xiàn)，從耗能上使用了Ductile damage模型的滯回曲線比不考慮損傷的差，說明考慮損傷是有意義的。

2 焊接殘余應(yīng)力模擬與分析

2.1 溫度場(chǎng)模擬

梁柱均采用Q235B，焊條采用E43[4]。建模時(shí)，焊縫與鋼材熱物理參數(shù)見表2。

表2 材料熱物理性能參數(shù)表

焊接溫度場(chǎng)模擬采用順序耦合法。焊接電流I=150 A，電弧電壓U=24 V，焊接速率V=5 mm/s，焊接效率η=0.75。模擬焊接順序?yàn)橄群噶合乱砭壟c柱翼緣對(duì)接處，再焊梁上翼緣與柱對(duì)接處。加熱時(shí)間均為56 s，冷卻時(shí)間為1 500 s，完成后冷卻至室溫20 ℃。圖3為焊接冷卻后溫度場(chǎng)分布云圖。圖3可以清楚地表明焊接所產(chǎn)生的熱源對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)所造成的溫度分布影響。

2.2 焊接應(yīng)力場(chǎng)模擬

由圖4可知：殘余應(yīng)力主要集中在焊縫及焊縫附近，并且焊縫(上)及焊縫(下)的殘余應(yīng)力分布情況相似，距離焊縫中心越遠(yuǎn)的區(qū)域應(yīng)力分布越不明顯，應(yīng)力越小。

3 節(jié)點(diǎn)抗震性能分析

3.1 材料力學(xué)數(shù)據(jù)

根據(jù)Weilian Qu[5]和西安理工大學(xué)的張成興[1]所得到Q235B鋼材的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到E=2.06×105MPa，泊松比ν=0.3，σy=235.0 MPa,εy=0.018,σu=345 MPa,εu=0.139，梁端施加位移荷載,加載制度見表1。

3.2 滯回性能分析

1)滯回曲線[6]。荷載-位移滯回曲線是衡量抗震性能的主要依據(jù)[7]，其越飽滿，耗能能力越強(qiáng)，抗震越好。圖5表示幾種情況在最大位移加載狀態(tài)時(shí)的滯回曲線分別為：NFS-不考慮焊接殘余應(yīng)力不考慮損傷、NFS-W-考慮焊接殘余應(yīng)力不考慮損傷、NFS-D-不考慮焊接殘余應(yīng)力考慮損傷、NSS-WD-考慮焊接殘余應(yīng)力考慮損傷。

圖5可以看出，試件的滯回曲線均呈梭形，無捏攏現(xiàn)象，且正負(fù)相的對(duì)稱性較好，但是飽滿程度有明顯差異。1)NFS滯回曲線明顯最飽滿，面積最大，有較好耗能能力，抗震性能更好。2)從剛度退化角度考慮：NFS-D、NFS-WD及NFS-W的剛度與NFS相比都有不同程度的退化，但是可以看出來NFS-WD退化最大，NFS-W次之，NFS-D再次之。3)從損傷角度來看：無論是NFS與NFS-D相比還是NFS-W與NFS-WD相比較，都可以發(fā)現(xiàn)損傷在大位移加載下節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)較為明顯的承載能力下降，這說明損傷是對(duì)結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)有影響的。4)NFS-WD與前三個(gè)模型相比，滯回環(huán)面積最小，進(jìn)入后幾個(gè)大位移荷載循環(huán)，承載力下降也最迅速，可以發(fā)現(xiàn)最接近實(shí)際工況下的模型是抗震性能最差的。總的來說，焊接應(yīng)力的存在影響節(jié)點(diǎn)滯回曲線的變化規(guī)律。

2)骨架曲線。從圖6可以看出：(1)NFS其骨架曲線變化比較平緩，其延性最好。(2)NFS-D其骨架曲線與NFS相比，在位移荷載較大時(shí)出現(xiàn)分離，其延性與承載能力都下降了。(3)NFS-W其骨架曲線與NFS相比，可以發(fā)現(xiàn)其承載能力有些許上升，但是骨架曲線在后半段急劇下降，延性性能差了很多。(4)NFS-WD與NFS相比，其同樣是承載能力上升一點(diǎn)，但是骨架曲線后半段下降更迅速，延性是最差的，骨架曲線圖見圖6。

3.3 斷裂性能分析

為分析節(jié)點(diǎn)局部薄弱部位的變形和應(yīng)力狀態(tài)，引入等效塑性應(yīng)變指數(shù)和開裂指數(shù)作為評(píng)估斷裂特征的依據(jù)，定義兩條路徑，路徑為焊縫(上)邊緣。

1)等效塑性應(yīng)變指數(shù)。等效塑性應(yīng)變指數(shù)PI為等效塑性應(yīng)變與屈服應(yīng)變的比值，反映鋼材局部延性及斷裂傾向。從圖7可知NFS的等效塑性應(yīng)變沿整個(gè)焊縫方向都比較小，NFS-WD最大，而NFS-D與NFS-W大小差不多，但是前者是兩端大，后者是中間大，說明損傷與溫度應(yīng)力影響了開裂的位置，并且當(dāng)二者結(jié)合起來時(shí)，溫度的影響大于損傷的影響，這從NFS-WD中可以看出來。

2)開裂指數(shù)。其用來描述發(fā)生脆性破壞的可能性，指數(shù)越大，該部位發(fā)生脆性斷裂的可能性就越大。研究表明，當(dāng)20≤RI≤40時(shí)，易發(fā)生脆性斷裂；當(dāng)RI>40時(shí)，構(gòu)件非常危險(xiǎn)，脆性斷裂可能極大，其分布見圖8。由圖可知溫度與損傷都會(huì)引起脆性斷裂加劇，并且二者引起的效果不一樣，溫度是引起開裂指數(shù)兩端大，而損傷是中間大，說明損傷與溫度應(yīng)力影響了開裂的位置，并且當(dāng)二者結(jié)合起來時(shí)，溫度的影響大于損傷的影響。

4 結(jié) 論

a.通過比較各個(gè)節(jié)點(diǎn)考慮焊接與否可知：考慮焊接殘余應(yīng)力與不考慮焊接殘余應(yīng)力差異較大，焊接殘余應(yīng)力會(huì)引起滯回曲線面積變小，剛度退化加劇，承載能力稍微提升，但是延性下降迅速，對(duì)抗震不利。

b.通過比較節(jié)點(diǎn)考慮損傷與否可知：發(fā)現(xiàn)損傷對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度與延性都是有影響的，但是要在大位移加載的情況下才出現(xiàn)比較明顯的剛度退化與承載能力下降，這與現(xiàn)實(shí)也是相符的。

c.通過比較綜合考慮損傷與溫度的模型和既不考慮損傷也不考慮溫度的模型可知：前者在開裂指數(shù)和等效塑性應(yīng)變指數(shù)都大很多，這意味著考慮損傷與溫度模型下其更容易開裂與斷裂，而現(xiàn)實(shí)的工程結(jié)構(gòu)是有損傷與溫度的，因此鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)在安裝過程中產(chǎn)生的溫度與損傷在工程實(shí)際當(dāng)中應(yīng)該引起足夠的重視。

[1] 張成興,李 言,楊明順,等.Q235鋼薄板單點(diǎn)增量成形延性破損的有限元模擬[J].機(jī)械工程材料,2017,41(3):67-72.

[2] JGJ99—1998，高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[3] FEMA-350，Recommended Seismic design Criteria for New Steel Moment-frame Buildings[S].

[4] 王 薇.鋼框架板式加強(qiáng)型焊接節(jié)點(diǎn)的斷裂性能分析[D].青島:青島理工大學(xué)，2011.

[5] Qu Weilian.Refined Analysis of Fatigue Crack Initiation Life of Beam-to-column[J].Computational Materials Science,2012(58):131-139.

[6] GB50017—2003，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[7] GB50011—2010,建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].