高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱焊接節(jié)點(diǎn)斷裂分析

陳家亮

摘 要：由于鋼結(jié)構(gòu)具有較好的延性及抗震性，近年來廣泛用鋼與混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式建造高層建筑。但出現(xiàn)地震等破壞性較強(qiáng)的災(zāi)害時(shí)，高層建筑依然無法有效抵抗。且高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱焊接節(jié)點(diǎn)的脆性斷裂是導(dǎo)致此種現(xiàn)象發(fā)生的主要原因。要改變此種現(xiàn)狀，分析與研究高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的抗脆斷性能尤為必要。因此，狗骨型梁柱焊接節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能更好，可更好滿足高層建筑需要。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu);高層建筑;梁柱節(jié)點(diǎn)

引言

在城市化進(jìn)程的推進(jìn)作用下，城市固定人口與流動(dòng)人口的數(shù)量猛增，在城市面積不變的條件下，人口密度逐漸增高。在此條件下，高層建筑成為解決該問題的核心措施。從該角度分析，加強(qiáng)對(duì)高層建筑施工技術(shù)的研究對(duì)于未來建筑領(lǐng)域的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義?，F(xiàn)階段我國在高層建筑鋼結(jié)構(gòu)施工技術(shù)方面的研究雖然已經(jīng)取得了顯著的成果，但仍存在一定不足，相關(guān)問題尚未得到全面解決，因此需要進(jìn)一步深化對(duì)該類施工技術(shù)要點(diǎn)的研究，其不僅與建筑施工效率和質(zhì)量直接相關(guān)，也對(duì)未來高層建筑的發(fā)展起關(guān)鍵作用。

1鋼結(jié)構(gòu)工程施工特點(diǎn)

1.1節(jié)約資源

鋼結(jié)構(gòu)工程與可持續(xù)發(fā)展相結(jié)合，能夠緩解工程中的資源浪費(fèi)問題。鋼結(jié)構(gòu)建筑物施工顯著減少了砂、石、灰的用量，所用的材料主要是綠色、可回收或降解的材料，在拆除建筑物時(shí)，大部分材料可二次利用或降解，為建筑環(huán)境保護(hù)和發(fā)展提供保障。另外，鋼結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用具有一定的環(huán)保特性，有效減少了傳統(tǒng)工程建筑垃圾的產(chǎn)生，進(jìn)而提高了建筑資源的利用率。

1.2應(yīng)用高效

鋼結(jié)構(gòu)宜采用工業(yè)化生產(chǎn)，工業(yè)化程度高，并且集節(jié)能、防水、隔熱等先進(jìn)成品于一體，成套應(yīng)用，將設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工一體化，且工期比傳統(tǒng)住宅體系至少縮短1/3，從而加快了建設(shè)速度，提升了生產(chǎn)水平。

1.3抗災(zāi)能力強(qiáng)

鋼結(jié)構(gòu)體系在建筑中可充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)延性好、塑性變形能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，具有優(yōu)良的抗震抗風(fēng)性能，顯著提高了住宅的安全可靠性。尤其在遭遇地震、臺(tái)風(fēng)災(zāi)害的情況下，采用鋼結(jié)構(gòu)能夠避免建筑物的倒塌性破壞。

2試驗(yàn)準(zhǔn)備與方法

2.1試件及加載準(zhǔn)備標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)梁柱試件1個(gè)、不同裂紋深度的狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱試件4個(gè)，4個(gè)狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱試件的裂紋深度分別為1、3、5、7mm。梁柱參數(shù)見表1。

2.2構(gòu)建有限元模型

用有限元模型對(duì)高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱焊接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行半結(jié)構(gòu)分析。通過網(wǎng)格劃分構(gòu)建有限元模型。對(duì)鋼結(jié)構(gòu)梁柱焊接節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布較密集部位進(jìn)行網(wǎng)格加密，對(duì)裂紋尖端進(jìn)行有限元三維模型單獨(dú)建模。

2.3計(jì)算梁柱節(jié)點(diǎn)J積分值

J積分是賴斯提出的一種有效分析高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱焊接節(jié)點(diǎn)脆性斷裂的方法?？擅枋鲣摻Y(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)裂紋尖端應(yīng)力、應(yīng)變的一種圍線積分變量。J積分回路如圖1所示。

式中：s為裂紋回路上的弧元;W為單位體積的應(yīng)變能;σx、σy分別為水平與豎直方向的應(yīng)力分量;ux、uy為水平x與豎直y方向的位移分量;σ′為總應(yīng)力分量;mj為圍繞裂尖的反應(yīng)時(shí)針回路;σij與εij分別為裂紋回路上的應(yīng)力、應(yīng)變分量;si、sj為回路點(diǎn)位移。彈塑性條件下，J積分的應(yīng)力、應(yīng)變漸變表達(dá)式：

式中：A為與材料有關(guān)的常數(shù);In為關(guān)于n的函數(shù);σˉij（θ，n）與εˉij（θ，n）為角因子;r與θ分別為彈塑性變化后的半徑和角度;n為圍繞裂尖的反應(yīng)時(shí)針回路上的弧元。彈塑性條件下通過J積分建立的斷裂準(zhǔn)則：

式中JIC為材料的斷裂韌度。線彈性狀況下，J積分與應(yīng)力強(qiáng)度因子的關(guān)系：

3結(jié)果與分析

3.1有限元分析

用Abaqus有限元軟件仿真模擬的狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱試件的應(yīng)力云圖，白框內(nèi)深色位置為狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱試件的危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)，用本文方法得到的狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱試件應(yīng)力云圖中，可清晰看到極限承載條件下狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱試件各部分的應(yīng)力大小、應(yīng)力分布及危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)域。在加載作用下，應(yīng)力首先出現(xiàn)在梁上翼緣與柱連接處，隨載荷增加，梁薄弱處中間部位的應(yīng)力急劇增大，并和梁上翼緣與柱連接處的應(yīng)力同時(shí)達(dá)到最大。加載后期，薄弱位置應(yīng)力可超過梁上翼緣與柱連接處的應(yīng)力，并由薄弱位置的中間部位向兩邊及梁腹板延伸，并最終在薄弱部位形成塑性鉸。但由于對(duì)接焊縫被撕裂時(shí)的彎矩承載力未達(dá)到梁全截面塑性彎矩承載力，因此狗骨型節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了較早的屈服，且屈服位移較大，當(dāng)其高于屈服極限時(shí)，該部位斷裂。

3.2彈塑性分析

標(biāo)準(zhǔn)型梁柱節(jié)點(diǎn)與狗骨型梁柱節(jié)點(diǎn)在不同位移的J積分計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，位移為24mm時(shí)，狗骨型和標(biāo)準(zhǔn)型鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的J積分分別為80.6507和136.9876，位移增至32mm時(shí)，狗骨型J積分增至88.0429，而標(biāo)準(zhǔn)型的J積分為191.0098，由此可知，隨位移增加，標(biāo)準(zhǔn)型梁柱節(jié)點(diǎn)與狗骨型梁柱節(jié)點(diǎn)的J積分也隨之增加，但是與標(biāo)準(zhǔn)型梁柱節(jié)點(diǎn)相比，狗骨型梁柱節(jié)點(diǎn)的J積分增加趨勢(shì)較緩慢。究其原因主要是狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱梁根部承受的彎矩比標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)梁柱試件小得多，同時(shí)其截面也較厚，且狗骨型節(jié)點(diǎn)在位移為24mm時(shí)逐漸進(jìn)入塑性，當(dāng)位移不斷增加時(shí)，狗骨型節(jié)點(diǎn)薄弱處先達(dá)到屈服狀態(tài)，梁根部應(yīng)力增加較平緩，塑性鉸外移，有效控制了梁柱試件梁根部焊縫的J積分，從而提高了梁柱試件的抗脆性斷裂。

3.3剛度分析

剛度是反映鋼結(jié)構(gòu)梁柱抗脆性斷裂的一個(gè)重要指標(biāo)。繪制標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)與不同裂紋深度狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱在不同位移時(shí)的剛度對(duì)比效果圖?？芍?，隨著裂紋深度增加，狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱的剛度變化較小，由J積分可知，當(dāng)位移為24mm時(shí)，狗骨型節(jié)點(diǎn)進(jìn)入塑性狀態(tài)，因此以該值為參考進(jìn)行分析。隨位移不斷增加，標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)與不同裂紋深度狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱的剛度也相應(yīng)地增加，不同裂紋深度的狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱的剛度曲線始終低于標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)梁柱的剛度曲線，位移為24mm，裂紋深度為7mm的狗骨型鋼結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點(diǎn)的剛度最高，為6MN/m;且不同裂紋深度的狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱的剛度曲線基本一致。說明即使在裂紋深度增加的情況下，狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱與標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)梁柱相比，仍然具有較低的剛度，抗脆性斷裂性能更強(qiáng)，可更好滿足實(shí)際需要。

結(jié)束語

1）用本文方法得到的狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱應(yīng)力云圖可清晰看到極限承載條件下狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱各部分的應(yīng)力大小、應(yīng)力分布及危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)域，為分析高層建筑鋼結(jié)構(gòu)梁柱的脆性斷裂性能，保證其安全提供依據(jù)。2）與標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)梁柱相比，狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱隨位移增加，J積分增加緩慢，薄弱處先達(dá)到屈服狀態(tài)，梁根部應(yīng)力增加較平緩，塑性鉸外移，梁柱根部焊縫的J積分較低，抗脆性斷裂性能更好。3）即使在裂紋深度增加的情況下，狗骨型節(jié)點(diǎn)梁柱與標(biāo)準(zhǔn)型節(jié)點(diǎn)梁柱相比，仍然具有較低的剛度及較高極限載荷，抗脆性斷裂性能更強(qiáng)，可更好滿足實(shí)際需要。

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