建筑工程鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)承載性能分析

余曉云，葉劍標(biāo)

（亳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 亳州 236800）

焊接在建筑工程鋼結(jié)構(gòu)中因?yàn)槠渥陨淼墓に囂匦?，其本身具有高性能靈活性高的特點(diǎn)。對(duì)建筑工程設(shè)計(jì)人員來說，焊接工藝的運(yùn)用可以更好地發(fā)揮其對(duì)于建筑的把控性，更好地制定建筑工程的方案[1]。在目前的建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用十分廣泛，鋼結(jié)構(gòu)焊接則是經(jīng)常會(huì)使用到的一種技術(shù)手段，對(duì)應(yīng)的焊接節(jié)點(diǎn)承載性能好壞是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要把控的重點(diǎn)，鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)的承載性能，決定了建筑工程鋼結(jié)構(gòu)整體的性能好壞。目前工程施工中大多數(shù)鋼結(jié)構(gòu)事故，問題都出現(xiàn)在焊接節(jié)點(diǎn)處，該處易發(fā)生損壞，所以保證鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)承性能良好尤為重要[2-3]。加強(qiáng)建筑工程鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)承載性能分析，是目前最為重要的建筑工程鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)之一，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和理論意思，對(duì)建筑行業(yè)的發(fā)展具有一定的促進(jìn)作用[4]。

為了分析建筑工程鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)承載性能，在分析建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)焊接特征基礎(chǔ)上，通過焊接節(jié)點(diǎn)的有限元模型的選取，建立建筑工程鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)有限元模型，同時(shí)在該模型基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元分析的結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)建筑工程鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)承載性能分析，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提方法的有效性，表明本文研究結(jié)果具有一定的可行性，為此類分析提供可供參考的依據(jù)。

1 建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)焊接特征分析

建筑中使用的鋼結(jié)構(gòu)，需要具有較好的受力性能和易焊接性。建筑鋼結(jié)構(gòu)中焊接材料的可焊性h，鋼材收縮性s，屈服強(qiáng)度q，延展性z和鋼材抗拉程度k等特征，均能夠直接決定鋼結(jié)構(gòu)焊接后的整體效果。鋼結(jié)構(gòu)焊接向量數(shù)據(jù)集A的具體表達(dá)式為

在建筑鋼結(jié)構(gòu)中焊接的作用是讓建筑工程本身結(jié)構(gòu)更具有安全及可靠性多結(jié)構(gòu)用途。為確保在建筑工程中的鋼結(jié)構(gòu)性能，需要綜合性能比較突出的鋼材[5]。良好的鋼材應(yīng)具有高強(qiáng)度，但是鋼材強(qiáng)度的提升往往會(huì)提升鋼材內(nèi)部的碳含量，這樣鋼材在焊接的過程中焊接難度就會(huì)增加。

焊接對(duì)于建筑工程鋼結(jié)構(gòu)的形成和搭建起到至關(guān)重要的作用，首先建筑工程鋼結(jié)構(gòu)焊接施工時(shí)，焊接工藝施工者要具有一定的焊接操作經(jīng)驗(yàn)和過硬的理論知識(shí)，并且可以根據(jù)不同的實(shí)際焊接場(chǎng)景，使用不同的焊接等級(jí)[6-7]。在建筑工程中鋼結(jié)構(gòu)焊接難度被分為四個(gè)等級(jí)，鋼材強(qiáng)度P與鋼材含碳量L是影響鋼結(jié)構(gòu)可焊性的主要因素，具體表達(dá)式為

式(2)中，Q表示鋼結(jié)構(gòu)的可焊性，取值為1表示鋼結(jié)構(gòu)的可焊性增強(qiáng)，取值在[0,-1]之間，表示鋼結(jié)構(gòu)的可焊性基本不變，取值為0，則表示鋼結(jié)構(gòu)的可焊性呈衰減趨勢(shì)，整體的焊接難度隨之加大。

式(4)中，β表示特征比例系數(shù)。

2 焊接節(jié)點(diǎn)承載性能分析

2.1 焊接節(jié)點(diǎn)有限元模型選取

在建筑工程鋼結(jié)構(gòu)焊接時(shí)，焊接節(jié)點(diǎn)一般采用雙蓋板拼接焊接形式，針對(duì)其對(duì)稱的特點(diǎn)，需要建立焊接節(jié)點(diǎn)有限元模型[12-13]。模型的選取本文可以設(shè)定試驗(yàn)尺寸芯板長200 mm，寬165 mm，厚度19 mm；蓋板長180 mm，寬125 mm，厚度15 mm；模型沿長度方向?yàn)?10 mm，即為試驗(yàn)中測(cè)量節(jié)點(diǎn)位移的范圍。焊接節(jié)點(diǎn)沿剪力方向布置兩個(gè)，摩擦系數(shù)0.45，螺栓預(yù)緊力150 kN。側(cè)焊縫（焊接節(jié)點(diǎn)）長60 mm，焊腳高度為7 mm，布置5條；端焊縫長2 286 mm，焊腳高度8 mm，布置2條。

此時(shí)需要提取模型左邊焊接節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力合成模型左邊受的總荷載。當(dāng)達(dá)到一定的荷載程度之后，總荷載量不再增加，可以認(rèn)為該模型已經(jīng)達(dá)到極限的承載狀態(tài)，這時(shí)就是荷載曲線位移的最高值[14-15]。

這時(shí)對(duì)應(yīng)位移值的節(jié)點(diǎn)已經(jīng)達(dá)到極限的承載狀態(tài)。針對(duì)以上狀況，把對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)位移極限承載狀態(tài)位移各算一列荷載位移線，如圖1所示。

通過以上曲線分析，可以更好地完成焊接節(jié)點(diǎn)的有限元模型建立。

2.2 焊接節(jié)點(diǎn)有限元模型建立

焊接節(jié)點(diǎn)有限元模型建立，使用有限元編輯軟件ANSYSQ2對(duì)焊接節(jié)點(diǎn)的承載性能進(jìn)行分析，同時(shí)使用SODDLG99和SODDLG96進(jìn)行實(shí)體的單元性模型建立，這時(shí)選用具有良好可塑性的鋼材材料，屈服強(qiáng)度設(shè)定為390 Mpa。

實(shí)體單元進(jìn)行建模。鋼板材性采用理想彈塑性，屈服強(qiáng)度取值參照材性試驗(yàn)結(jié)果為380 MPa；本文為了模擬焊接節(jié)點(diǎn)承載性，焊接材料選取以不變的剛度到達(dá)極限數(shù)值之后。鋼材強(qiáng)度需要通過對(duì)應(yīng)的斜率速度下降，最后達(dá)到極限的十分之一。通過接觸單元。通過接觸單元CHNTA156和目標(biāo)單元TBFRGE180模擬接觸問題。

承載力計(jì)算公式如下：

式中，i代表測(cè)試位置點(diǎn)；e代表材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，單位MPa；b代表材料泊松比，單位J；x代表材料的抵抗變形強(qiáng)度，單位MPa；T代表試驗(yàn)系數(shù)；Vi代表i點(diǎn)的承載力；Cov(Yi,Ym)代表集合點(diǎn)的承載力。

針對(duì)鋼材接觸焊接節(jié)點(diǎn)，在鋼板焊接節(jié)點(diǎn)連接處建立接觸點(diǎn)，使用預(yù)應(yīng)力單元PFJTS189模擬焊接節(jié)點(diǎn)預(yù)應(yīng)力。鋼板、焊接節(jié)點(diǎn)承載力變化曲線如圖2所示。

通過以上焊接節(jié)點(diǎn)有限元模型建立，可以更進(jìn)一步分析焊接節(jié)點(diǎn)承載性能。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)焊接鋼板在1 000 kN的液壓拉壓試驗(yàn)機(jī)下進(jìn)行，使用該試驗(yàn)機(jī)，對(duì)不同焊接材料焊接鋼材節(jié)點(diǎn)試壓，測(cè)試其節(jié)點(diǎn)承載性能。將并用試件在1 000 kN液壓拉壓試驗(yàn)機(jī)下進(jìn)行軸心拉伸加載。采用YHD-20導(dǎo)桿式引伸計(jì)測(cè)量試驗(yàn)端在加載過程中的位移。加載裝置如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)加載裝置

鋼材焊接節(jié)點(diǎn)荷載承載性能有限元分析試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以了解到，有限元分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本相同，誤差在1.1%～3.1%，誤差范圍可以接受。該實(shí)驗(yàn)證明了有限元模型具有準(zhǔn)確誤差小的特點(diǎn)。

為充分體現(xiàn)本文研究方法的優(yōu)勢(shì)，選取模型分析耗時(shí)、承載力計(jì)算精度和鋼結(jié)構(gòu)焊接特征計(jì)算準(zhǔn)確率為指標(biāo)，對(duì)本文有限元分析模型與傳統(tǒng)承載力分析模型進(jìn)行對(duì)比。

模型分析耗時(shí)的對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

通過圖4分析可知，本文建立的有限元模型耗時(shí)較少，最高不超過50 s，而傳統(tǒng)方法的承載力分析模型耗時(shí)相對(duì)較高，最低值為70 s，最高可達(dá)約90 s，由此可知，兩種分析方法存在明顯的差異，本文方法的性能較高，能夠快速完成建筑工程鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)承載性能分析。

圖4 模型分析耗時(shí)對(duì)比

根據(jù)圖5分析結(jié)果可知，在對(duì)焊接節(jié)點(diǎn)承載力計(jì)算過程中，本文方法的計(jì)算精度均在80.0%以上，而傳統(tǒng)方法的計(jì)算精度最高不超過58.1%，依據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果，可以明顯的看出，本文方法具有較好的性能，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)承載力的計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，表明本文研究方法具有一定的可行性。

圖5 鋼結(jié)構(gòu)焊接特征計(jì)算準(zhǔn)確率對(duì)比

隨著實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量的增加，本文方法與傳統(tǒng)方法的特征計(jì)算準(zhǔn)確率呈現(xiàn)一致的走勢(shì)，鋼結(jié)構(gòu)焊接特征計(jì)算準(zhǔn)確率與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量規(guī)模呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，但本文方法計(jì)算得到的鋼結(jié)構(gòu)焊接特征值準(zhǔn)確率較高，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)方法，尤其在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量為600時(shí)，本文方法的特征計(jì)算準(zhǔn)確率約為99%，傳統(tǒng)方法的特征計(jì)算準(zhǔn)確率約為89%，低于本文方法10%，差距較大，驗(yàn)證了本文方法的優(yōu)越性能。

4 結(jié)論

焊接對(duì)于建筑工程鋼結(jié)構(gòu)的形成和搭建起到了至關(guān)重要的作用，在鋼結(jié)構(gòu)焊接中，如果焊接工作工藝施工不匹配，或者在焊接過程中，焊接等級(jí)不達(dá)標(biāo)的話，那么必定會(huì)導(dǎo)致建筑工程質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，焊接節(jié)點(diǎn)承載性能不達(dá)標(biāo)，從而引發(fā)工程施工的隱患。為此，本文對(duì)建筑工程鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)承載性能進(jìn)行了分析，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)特征進(jìn)行了計(jì)算，以此為基礎(chǔ)，通過有限元建模完成焊接節(jié)點(diǎn)承載性能分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法具有較好的性能，大大提高了建筑工程鋼結(jié)構(gòu)焊接節(jié)點(diǎn)承載性能分析效果，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)方法，為建筑工程的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)。