焊接殘余應(yīng)力對(duì)鋁合金梁柱節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響

李成華，郭 帥，楊凱元

(西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安 710021)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、時(shí)代的進(jìn)步以及社會(huì)發(fā)展理念的提升，未來(lái)綠色經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展也愈來(lái)愈受到重視。鋁合金本身具有耐腐蝕性強(qiáng)、維護(hù)成本低、比強(qiáng)度高、輕質(zhì)、良好的強(qiáng)度以及較高的回收利用率等優(yōu)點(diǎn)，是作為建筑結(jié)構(gòu)新型材料較好的選擇之一。除空間結(jié)構(gòu)外，鋁合金框架結(jié)構(gòu)的研究也符合這一發(fā)展趨勢(shì)。

節(jié)點(diǎn)作為框架結(jié)構(gòu)的重要部位之一，對(duì)于鋁合金結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能的優(yōu)劣至關(guān)重要。目前，焊接、機(jī)械連接、黏接3種方式作為鋁合金構(gòu)件的主要連接方式，其中焊接與機(jī)械連接較為普遍。焊接節(jié)點(diǎn)節(jié)省人工與材料成本，例如機(jī)械連接中，連接件的質(zhì)量約為結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的10%，而通過(guò)焊接可將比例降至4%左右[1]。材料在焊接后，焊縫及熱影響區(qū)范圍內(nèi)材性不僅會(huì)出現(xiàn)一定程度的弱化，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)性能造成一定影響的高水平焊接殘余應(yīng)力和變形。相比于鋼材，鋁合金受到焊接熱輸入的影響更大，然而國(guó)內(nèi)外對(duì)于鋁合金梁柱焊接節(jié)點(diǎn)的研究尚不完善。文獻(xiàn)[2]通過(guò)對(duì)箱型鋁合金梁柱焊接節(jié)點(diǎn)力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，得出箱型焊接節(jié)點(diǎn)具有良好的力學(xué)性能，提出了提高節(jié)點(diǎn)承載力與延性的節(jié)點(diǎn)加強(qiáng)措施。文獻(xiàn)[3]采用纖維復(fù)合材料來(lái)加強(qiáng)鋁合金梁柱焊接節(jié)點(diǎn)性能，通過(guò)靜力試驗(yàn)研究驗(yàn)證了碳纖維布的有效性。節(jié)點(diǎn)抗震性能涉及節(jié)點(diǎn)的延性、承載力、耗能能力以及破壞模式等，為此，文中分析焊接殘余應(yīng)力對(duì)鋁合金梁柱焊接節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響，以期提高鋁合金焊接節(jié)點(diǎn)框架結(jié)構(gòu)整體力學(xué)性能。

1 有限元模型建立

1.1 模型參數(shù)

選取建筑領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用廣泛的6061-T6鋁合金材料。在進(jìn)行構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)依據(jù)主要從構(gòu)件折減面積的確定、焊縫強(qiáng)度以及梁柱節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度三方面考慮，分別參考《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50429—2007)[4]與《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[5](GB 50017—2017)進(jìn)行驗(yàn)算。箱型柱截面參數(shù)取200 mm×200 mm×14 mm×14 mm、梁截面參數(shù)取100 mm×200 mm×6 mm×8 mm、柱高取1 650 mm、梁長(zhǎng)取850 mm。柱橫向隔板與梁翼緣等厚。模型示意圖如圖1所示。表1為各節(jié)點(diǎn)的命名和分組。

圖1 有限元梁柱節(jié)點(diǎn)分析模型

表1 6061-T6鋁合金節(jié)點(diǎn)類型命名與分組

以加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)與普通節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，對(duì)有無(wú)殘余應(yīng)力兩組情況下的各指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析來(lái)研究焊接殘余應(yīng)力對(duì)鋁合金梁柱焊接節(jié)點(diǎn)的影響。通過(guò)加入后綴Y與N來(lái)分別表示考慮殘余應(yīng)力模型與無(wú)殘余應(yīng)力模型。

建筑結(jié)構(gòu)中，焊縫通常采用角焊縫與對(duì)接焊縫。在結(jié)構(gòu)不同的受力要求下，焊縫分為全熔透與半熔透焊縫。文中梁翼緣與腹板處焊縫采用全熔透對(duì)接焊縫形式，焊根開口寬度取6 mm。蓋板與梁翼緣焊接采用角焊縫形式。

1.2 梁端位移加載

低周循環(huán)有限元模擬的邊界條件參照電液伺服加載系統(tǒng)加載條件進(jìn)行設(shè)置。將柱兩端固定，梁端模擬由固定端頭加載板固定并進(jìn)行位移加載。邊界條件設(shè)置如圖2所示。

圖2 邊界條件

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，按照一定位移變幅規(guī)律對(duì)梁端進(jìn)行位移加載。低周往復(fù)循環(huán)有限元模擬通過(guò)位移控制，梁端位移加載初始位移為10 mm，然后以5 mm的增幅遞增，在40 mm后每級(jí)增幅為10 mm，每級(jí)位移往復(fù)2次；最大位移為100 mm，每級(jí)往復(fù)3次。圖3為位移加載制度。

圖3 位移加載制度

2 結(jié)果分析

2.1 滯回分析

2.1.1 GND滯回曲線對(duì)比分析

采用熱力耦合方式對(duì)梁柱節(jié)點(diǎn)焊縫進(jìn)行數(shù)值模擬，以節(jié)點(diǎn)焊接模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，進(jìn)行低周往復(fù)循環(huán)荷載數(shù)值模擬。

圖4為GND有無(wú)殘余應(yīng)力滯回曲線及對(duì)比圖，由圖4可知無(wú)隔板普通節(jié)點(diǎn)的滯回曲線不夠飽滿，表明其抗震性能一般。梁節(jié)點(diǎn)在進(jìn)入屈服階段后，隨著位移的增加，荷載又出現(xiàn)增長(zhǎng)。結(jié)合等效應(yīng)力分析，這是由于節(jié)點(diǎn)沒有設(shè)置柱橫向隔板，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)剛度較差，梁翼緣屈曲后，箱型柱逐漸開始分擔(dān)節(jié)點(diǎn)處更多的荷載與塑性變形，最終造成滯回曲線進(jìn)入彈塑性階段后又出現(xiàn)上升的狀況。通過(guò)兩節(jié)點(diǎn)滯回曲線的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩節(jié)點(diǎn)曲線幾乎完全重合，表明焊接殘余應(yīng)力對(duì)無(wú)隔板普通節(jié)點(diǎn)的滯回性能影響極小，可忽略不計(jì)。

2.1.2 GZD滯回曲線對(duì)比分析

圖5為GZD有無(wú)殘余應(yīng)力滯回曲線及對(duì)比圖，由圖5可知兩節(jié)點(diǎn)滯回曲線均呈較飽滿的梭型，在每一級(jí)加載下，未考慮焊接殘余應(yīng)力節(jié)點(diǎn)的滯回曲線相較于考慮殘余應(yīng)力節(jié)點(diǎn)略微飽滿，但差別不夠顯著。兩節(jié)點(diǎn)在位移加載至60 mm左右時(shí)，均出現(xiàn)剛度退化，同時(shí)塑性變形能力降低，此時(shí)構(gòu)件進(jìn)入破壞階段。相較于無(wú)隔板普通節(jié)點(diǎn)，其承載力提升較大，滯回性能較好，然而受到焊接殘余應(yīng)力的影響略大。

圖4 GND滯回曲線

圖5 GZD滯回曲線

2.1.3 GJD滯回曲線對(duì)比分析

圖6為GJD有無(wú)殘余應(yīng)力情況下的滯回曲線以及對(duì)比圖。由圖6可知，加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)滯回曲線呈非常飽滿的梭型，承載力較GND提高，較GZD提高，其具有很好的承載力與抗震性能，表明蓋板對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能的改善十分顯著。對(duì)比發(fā)現(xiàn)，未考慮焊接殘余應(yīng)力的滯回曲線比考慮殘余應(yīng)力的滯回曲線略微飽滿，兩節(jié)點(diǎn)滯回曲線的發(fā)展趨勢(shì)都非常相近，表明焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對(duì)蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的影響不夠顯著。與普通節(jié)點(diǎn)比較可知，加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)受到焊接殘余應(yīng)力的影響較明顯。

通過(guò)各節(jié)點(diǎn)滯回曲線的對(duì)比分析表明，焊接殘余應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)的滯回性能均造成了不利影響，承載力略微下降，滯回曲線沒有無(wú)焊接殘余應(yīng)力情況下飽滿；對(duì)于無(wú)隔板普通節(jié)點(diǎn)的滯回性能，節(jié)點(diǎn)形式占據(jù)主導(dǎo)地位，使焊接殘余應(yīng)力的影響并不十分明顯，曲線也幾乎完全重合；對(duì)于有隔板普通節(jié)點(diǎn)與蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)，焊接殘余應(yīng)力的影響逐漸體現(xiàn)出來(lái)，其中加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)受到的影響略大于普通節(jié)點(diǎn)，然而，整體上焊接殘余應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響不大。從節(jié)點(diǎn)類型分析可知，節(jié)點(diǎn)形式的改善使其滯回性能增強(qiáng)，承載力得到顯著提升，即有更好的抗震性能。

圖6 GJD滯回曲線

2.2 各節(jié)點(diǎn)骨架曲線分析

骨架曲線[7]反映了構(gòu)件的強(qiáng)度值、剛度值、延性以及耗能能力等力學(xué)性能，同時(shí)得到節(jié)點(diǎn)不同階段荷載與位移之間關(guān)系。圖7為各節(jié)點(diǎn)在有無(wú)殘余應(yīng)力情況下的骨架曲線對(duì)比圖。由圖7可知，構(gòu)件經(jīng)歷了彈性階段，彈塑性變形階段、以及破壞階段。有無(wú)焊接殘余應(yīng)力兩種情況下，節(jié)點(diǎn)骨架曲線幾乎重合。無(wú)隔板普通節(jié)點(diǎn)的彈性及彈塑性階段較長(zhǎng)，表明其彈塑性變形能力較強(qiáng)。加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)與有隔板普通節(jié)點(diǎn)在彈性階段的曲線發(fā)展趨勢(shì)較為一致，然而進(jìn)入彈塑性階段后，加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)很快便進(jìn)入破壞階段(約65 mm處)，有隔板普通節(jié)點(diǎn)于位移加載至80 mm左右時(shí)進(jìn)入破壞階段。顯然，有隔板普通節(jié)點(diǎn)的塑性變形能力優(yōu)于蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)。

圖7 三節(jié)點(diǎn)骨架曲線對(duì)比

2.3 各節(jié)點(diǎn)延性分析

構(gòu)件的延性[8]體現(xiàn)了構(gòu)件彈塑性階段的變形能力，一般通過(guò)延性系數(shù)這一指標(biāo)來(lái)判斷構(gòu)件的塑性變形能力，延性系數(shù)有位移延性系數(shù)、轉(zhuǎn)角延性系數(shù)和曲率延性系數(shù)。相比較而言，位移延性系數(shù)可以較好的反應(yīng)構(gòu)件延性的宏觀延性特征，因此選取位移延性系數(shù)進(jìn)行定量計(jì)算，衡量構(gòu)件的彈塑性變形能力。節(jié)點(diǎn)位移延性系數(shù)見表2。

表2 節(jié)點(diǎn)位移延性系數(shù)

由表2分析可知，蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)與有橫隔板普通節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)均大于3.0，滿足抗震延性要求。焊接殘余應(yīng)力對(duì)承載力、屈服荷載以及屈服位移的影響很小。

在有無(wú)焊接殘余應(yīng)力兩種情況下，無(wú)柱橫向隔板節(jié)點(diǎn)、有柱橫向隔板節(jié)點(diǎn)以及蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)在殘余應(yīng)力的影響下減小，焊接殘余應(yīng)力對(duì)其節(jié)點(diǎn)延性的影響大小排序?yàn)镚ND>GJD>GZD?？梢姾附託堄鄳?yīng)力會(huì)使節(jié)點(diǎn)的延性系數(shù)有所降低，由于無(wú)隔板普通節(jié)點(diǎn)的塑性鉸離焊縫較近，加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的焊縫數(shù)量較多，受力情況較為復(fù)雜，因此焊接殘余應(yīng)力對(duì)其延性的影響稍大。焊接殘余應(yīng)力雖然對(duì)各節(jié)點(diǎn)延性系數(shù)造成了不同程度的影響，然而從整體來(lái)看影響不大。

2.4 等效黏滯阻尼系數(shù)分析

滯回環(huán)的包絡(luò)面積能夠很好的反應(yīng)結(jié)構(gòu)的耗能能力。對(duì)于結(jié)構(gòu)或構(gòu)件耗能能力的定量計(jì)算，有兩種常用指標(biāo)，分別為能量耗散系數(shù)E與等效黏滯阻尼系數(shù)he。系數(shù)越大證明構(gòu)件在地震中耗能越大，抗震性能越好。通過(guò)等效黏滯阻尼系數(shù)的定量計(jì)算來(lái)比較各節(jié)點(diǎn)耗能能力的優(yōu)劣。

各節(jié)點(diǎn)有無(wú)殘余應(yīng)力情況下的等效黏滯阻尼系數(shù)見表3。

表3 等效黏滯阻尼系數(shù)

相比較而言，蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的耗能能力最好，無(wú)橫隔板節(jié)點(diǎn)耗能能力較差。柱橫向隔板使節(jié)點(diǎn)的耗能能力提升較大。而蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)相較于有柱橫向隔板普通節(jié)點(diǎn)耗能性能提升較小。各節(jié)點(diǎn)考慮有無(wú)殘余應(yīng)力兩種情況的耗能能力排序?yàn)镚JD-N>GJD-Y>GZD-N>GZD-Y>GND-N>GND-Y。無(wú)隔板普通節(jié)點(diǎn)，有隔板普通節(jié)點(diǎn)和蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的等效黏滯阻尼系數(shù)在焊接殘余應(yīng)力影響下均減小，加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)受到焊接殘余應(yīng)力的影響較大，普通節(jié)點(diǎn)受到的影響略小。然而，整體上焊接殘余應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)耗能能力的影響不大。

3 結(jié) 論

1) 梁翼緣蓋板使塑性鉸有效外移，蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)的承載力優(yōu)于無(wú)隔板普通節(jié)點(diǎn)和有隔板普通節(jié)點(diǎn)。此外，加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)滯回曲線也更加飽滿，其延性與耗能能力較好。說(shuō)明加蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)在受到地震作用時(shí)，具有更好的吸收能量的能力，相較于普通節(jié)點(diǎn)，蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)具有較好的抗震性能。

2) 在焊接殘余應(yīng)力的影響下，蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)、有隔板普通節(jié)點(diǎn)和無(wú)隔板普通節(jié)點(diǎn)的延性、耗能能力均降低。結(jié)果表明，由于蓋板加強(qiáng)型節(jié)點(diǎn)焊縫數(shù)量多，焊縫殘余應(yīng)力分布復(fù)雜，其受到的焊接殘余應(yīng)力影響相對(duì)較大。普通節(jié)點(diǎn)受到焊接殘余應(yīng)力的影響程度極小，可見其滯回性能是由節(jié)點(diǎn)形式主導(dǎo)。整體上，焊接殘余應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)承載力、延性以及耗能能力等影響較小，即對(duì)節(jié)點(diǎn)抗震性能影響不大。

3) 通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)焊接殘余應(yīng)力對(duì)節(jié)點(diǎn)滯回性能的影響并不大，然而由于節(jié)點(diǎn)低周循環(huán)荷載模擬結(jié)果較為理想，實(shí)際上，構(gòu)件在地震作用下，節(jié)點(diǎn)未達(dá)到理想變形時(shí)就已經(jīng)發(fā)生斷裂，因此焊接殘余應(yīng)力對(duì)各節(jié)點(diǎn)抗震性能的影響需進(jìn)行進(jìn)一步的分析和討論。