（材料加工工程专业论文）地震载荷下钢结构焊接接头断裂行为的研究及评估.pdf

摘要 钢结构重量轻、抗震性能好，在工业生产领域和高层建筑中得到广泛的应用。 但近几次大地震中，许多抗弯钢结构的梁柱焊接节点并未像设计时所预期的那样 发挥良好的延性性能，而是出现了脆性破坏，可以看出有一个潜在的危险胜没有 考虑。同时，在强烈地震条件下，钢结构将承受剧烈的冲击。钢材对冲击载荷很 敏感，它容易受强烈冲击而损伤，从而导致钢结构的强度和承载能力下降。 有鉴于此，本文主要模拟地震载荷，对钢结构焊接接头在预应变及动载下的 断裂行为等问题进行了一系列的研究。 以常用建筑结构钢q 3 4 5 和q 2 3 5 b 为研究对象，通过不同温度下的夏比冲击 试验研究预应变对母材和焊缝冲击性能的影响。结果表明：材料在预应变下无论 是母材还是焊缝夏比冲击韧度均有所降低，韧一脆转变温度有所提高。q 3 4 5 母材 和焊缝5 预应变后的韧一脆转变温度均低于o v ，1 0 预应变后低于室温，因此 都可在室温下安全使用；而q 2 3 5 b 钢，除5 预应变后的焊缝的韧一脆转变温度 较低外，其它经过预应变后的韧一脆转变温均高于室温。为建立客观的材料韧度 指标和进行更有效的安全分析时，预应变应作为一个考虑因素。 测试了q 3 4 5 和q 2 3 5 b 母材与焊缝在无预应变与1 0 预应变下的力学性能， 得出随着预应变增加，材料的屈服强度与抗拉强度均有所提高的结论。同时，验 证了按公式推导出的预应变与屈服强度的关系与试验结果吻合，并进一步推导出 在5 预应变下材料的力学性能。 测试了q 3 4 5 和q 2 3 5 b 两种材料的母材与焊缝在5 预应变和1 0 预应变 静态下的c t o d 值，研究预应变对c t o d 断裂韧度的影响。 对q 3 4 5 和q 2 3 5 b 在地震载荷作用下的动态断裂韧度与静态断裂韧度进行 比较分析。计算不同加载速率下焊缝和母材的c t o d 。结果表明，常温下动载对 q 3 4 5 钢焊缝和母材的断裂韧度有利，而对q 2 3 5 b 则产生不利影响。 最后，介绍了两种目前最新的危险评估方法，这两种危险评估方法可以使工 程技术人员对结构的脆性断裂危险性进行有效的评估，对已遭破坏的结构决定修 补措施，从而使危险降至最低程度。并运用该方法对不同预应变下的q 3 4 5 和 q 2 3 5 b 进行评估。可以看出加工制造与检测环节对结构的安全性影响很大；当 材料已经有了大的应力应变，则温度对危险性的影响甚微。 建议：对于需要考虑抗震能力的钢结构的重要部件建议采用q 3 4 5 钢制造。 关键词：预应变；冲击韧度；力学性能；动态c t o d ；危险评估方法 a b s t r a c t b e c a u s eo fi t sl i g h tw e i g h ta n dg o o de a r t h q u a k er e s i s t a n tp e r f o r m a n c e ，t h es t e e l s t r u c t u r ei sw i d e l yu s e di nt h ei n d u s t r i a lf i e l d sa n dh i 业r i s eb u i l d i n g s b u ti nr e c e n t g r e a te a r t h q u a k e s ，i t i sb r i t t l ef r a c t u r e sn o tt h ed u c t i l ef r a c t u r e sa se x p e c t e dw h e n d e s i g n e dt h a th a p p e n e di n t h ew e l d e db e a m - t o - c o l u m nc o n n e c t i o n si nm a n ys t e e l m o m e n tf r a m e s ，i tc a nb es e e nt h a ta p o t e n t i a lr i s kf a c t o rh a sn o tb e e nc o n s i d e r e d ，i n i n t e n s i v ee a r t h q u a k e ，t h es t e e ls t r u c t u r ew i l lu n d e r t a k eas e v e r ei m p a c tw h i c ht h es t e e l i sv e r ys e n s i t i v et o u n d e rt h es t r e n u o u si m p a c t ，t h es t r u c t u r ew i l lb ed a m a g e d e a s i l y i tw i l ll e a dt ot h ef a l l i n go f t h es t r e n g t h sa n dt h eb e a r i n gc a p a c i t yo f t h es t r u c t u r e s o ，t h em a i np u r p o s eo f t h i sp a p e ri st oa i mt h ef r a c t u r eb e h a v i o ru n d e rp r e s t r a i n a n dd y n a m i cl o a do ft h ec o n n e c t i o n st op e r f o r me x t e n s i v er e s e a r c h t h ee f f e c t so f p r e s t r a i no n t h ei m p a c tt o u g h n e s so fb a s em e t a la n dw e l dm e t a lo f s t r u c t u r a ls t e e l sq 3 4 5a n dq 2 3 5 bw e r ei n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l yb yu s eo ft h e c h a r p yn o t c hi m p a c tt e s ta t d i f f e r e n tt e s t i n gt e m p e r a t u r e s t h er e s u l t so ft h et e s t s s h o wt h a t ：t h ei m p a c tt o u g h n e s so fb o t hb a s em e t a la n dw e l dm e t a ld e c r e a s e sw i t h d e c r e a s i n gt e m p e r a t u r ea n d t h ed u c t i l e b r i t t l et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo ft h et w ok i n d s o fm a t e r i a li n c r e a s e sal i t t l eu n d e rp r e s t r a i n 1 1 1 er a n g e so fd u c t i l e b r i t t l et r a n s i t i o n t e m p e r a t u r eo ft h eb a s em e t a la n dw e l dm e t a lo fq 3 4 5s t e e lu n d e r5 a n d1 0 p r e s t r a i na r e l o w e r t h a n 0 ca n d t h er o o m t e m p e r a t u r e ( 2 0 。c ) r e s p e c t i v e l y , a t w h i c h i tc a nb eu s e ds a f e l y t h ed u c t i l e b r i d l et r a n s i t i o nt e m p e r a t u r eo f q 2 3 5 b s t e e lu n d e r p r e s t r a i ni sh i g h e rt h a n2 0 e x c e p tt h a to f t h ew e l dm e t a lu n d e r5 p r e s t r a l n t h e c o n c l u d ec a l lb ed r a w nt h a tt h e p r e s t r a i n i n g e f f e c ts h o u l db ec o n s i d e r e dw h e n e s t a b l i s ha n o b j e c t i v et o u g h n e s ss t a n d a r da n dc a r r yo u t m o r ee f f e c t i v es a f e t ym m l y s i s ， t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yt e s t so ft h eb a s em e t a la n dw e l dm e t a lo ns t r u c t u r a l s t e e l s ( q 3 4 5a n dq 2 3 5 bs t e e l ) a r ec a r r i e do u tu n d e rn op r e s t r a i na n d1 0 p r e s t r a i n t h er e s u l t ss h o wt h a t ：b o t ht h ey i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s eu n d e r p r e s t r a i n t h ef o r m u l ad e r i v a t i o nr e s u l to f t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r e s t r a i na n dt h e y i e l ds t r e n g t hi sc o n s i s t e n tw i t h t h et e s t s o ，w ed e d u c et h em e c h a n i c a lp r o p e r t yu n d e r 5 p r e s t r a i n t h ev a l u eo fc t o do ft h eb a s em e t a la n dw e l dm e t a io ft h et w os t e e lu n d e r5 p r e s t r a i na n d1 0 p r e s t r a i nh a v eb e e ng o t t e n a n dt h ee f f e c t o fp r e s t r a i no nt h e c t o dh a sb e e n i n v e s t i g a t e d t h ed y n a m i ca n ds t a t i ct o u g h n e s so fw e l d sa n db a s em e t a lo fq 3 4 5a n dq 2 3 5 b s t e e lh a v eb e e nc o m p a r e da n da n a l y s e d f r o mt h er e s u l to fc t o du n d e rd i f i e r e n t i i l o a d i n gr a t e ，i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tt h ed y n a m i cl o a d i n gi sb e n e f i c i a lt ot h eq 3 4 5 s t e e lb u t d i s a d v a n t a g et ot h eq 2 3 5 b s t e e l a tl a s t ，t h i s p a p e rp r o v i d e s t w os t a t e o f - t h e a r tr i s ka s s e s s m e n tp r o c e d u r e s ( r a p s ) t h e ya r ed e s i g n e dt oe n a b l ea l le n g i n e e rt oa s s e s sq u a l i t a t i v e l yt h er i s ko f b r i t t l ef r a c t u r e t h ep r o c e d u r e sc a l la l s ob eu s e dt od e t e r m i n em e a s u r e st ob eu s e di na r e p a i rs i t u a t i o n t or e d u c ef u t u r er i s k st oa n a c c e p t a b l el e v e l t h em a t e r i a lo fq 3 4 5a n d q 2 3 5 b u n d e rd i f f e r e n tp r e s t r a i nh a sb e e na s s e s s e db y u s i n gt h et w or i s ka s s e s s m e n t p r o c e d u r e s i tc a nb es h o w nt h a tt h ee f f e c to ff a b r i c a t i o na n dt e s t i n gi s g r e a t b u t w h e nt h em a t e r i a lh a ss u s t a i n e dh i g hs t r e s s s t r a i n ，t h e t e m p e r a t u r eh a sa l m o s tn o i m p a c t o nr i s k i tc a nb es u g g e s t e dt h a tt h ei m p o r t a n tc o m p o n e n t so fs t e e ls t r u c t u r es h o u l db e n l a d ei nq 3 4 5s t e e l k e yw o r d s ：p r e s t r a i n ；i m p a c tt o u g h n e s s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；d y n a m i cc t o d ； r i s ka s s e s s m e n tp r o c e d u r e s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 产灰牛 签字日期：乒3 年，毒月；。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘注盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：于走等导师签名：各宅危1 祝 签字日期：h ) 3 年文月3 。曰签字日期：堋年l 卫月) u 日 第一章绪论 1 , 1 引言 第一章绪论 地震是一种危害性极大的自然灾害，堪称群灾之首，具有突发性、难以预测 性、范围广、破坏性大等特点，由地震产生的直接灾害和间接灾害，会对人民的 生命财产造成极大的损失。近几十年来，全球发生了多次破坏性极大的地震，如 1 9 9 4 年美国n o r t h r i d g e 地震i 卜列以及1 9 9 5 年日本阪神大地震”刈等。在几次大地 震中焊接钢结构梁柱节点遭到了严重的破坏，而且损失一次比一次惨重，由此显 示了对焊接钢结构焊接接头进行抗震性能研究和进行正确抗震设计的重要性。 在1 9 9 4 年美国n o r t h r i d g e 大地震和1 9 9 5 年日本h y o g o k e n 一- n a n b u 大地震 中，尽管建筑钢结构没有像其它建筑物那样发生倒塌事故而造成人员伤亡，可是 许多抗弯钢结构的梁柱焊接连接节点并未表现出良好的延性性能，而是出现了脆 性破坏。最常见的破坏出现在梁的下翼缘与柱冀缘焊接节点或附近部位，发生的 脆性破坏形式多种多样，有些建筑毁坏得太严重以至于震后无法再进行修复。在 强烈地震区出现如此多的焊接钢结构的损伤与破坏，已引起工程界与学术界的广 泛关注。 随着现代化城市人口的大量聚集和经济的高速发展，钢结构由于其良好的力 学性能、经济性能和使用性能被广泛地应用在厂房、桥梁、大型工业设各和建筑 领域，尤其是在高层建筑上。由于钢结构强度高，韧度好，整体结构的重量轻， 建筑可利用的空间大，生产效率高，其良好的延性更是抗震设计的首选【5 j 。 我国地处环太平洋地震带和地中海喜马拉雅地震带上，地震活动频繁， 发生的地震具有震源浅、频度高、强度大、分布广的特征；再加上我国人口众多， 建筑物抗震性能差，因此我国的抗震工作十分严峻。有研究表明 _ ”，未来的5 0 年，我国发生特大破坏性地震的可能性很大，这必将对我国的社会与经济发展造 成一定的负面影响，目前我国钢结构构件主要由工字钢、角钢制造，连接形式以 对接熔透焊接为主，同时也采用了大量的栓焊混合连接强】，因此，针对焊接钢结 构焊接接头抗震性能进行深入研究对我国经济建设具有重要的意义。 造成焊接钢结构断裂破坏的原因主要有：超载效应( 实际发生的地震作用远 远超过设计预期值) ，荷载速度效应( 高应变速率) ，温度效应( 低温冷脆) ，钢材的 尺寸效应( 厚板撕裂) ，构件和截面上的形状效应( 变形约束、应力集中) ，加工效 应( 冷加工和焊接缺陷) 等。研究表明，在地震力作用下，梁，尤其是梁端靠节点 处由于超载经历了很大的塑性变形，塑性变形后焊接钢材的屈服点和表面硬度提 第一章绪论 高，韧一脆转变温度也提高。在裂纹扩展的同时，韧，脆转变温度又在提高，加快 断裂的成长，造成巨大破坏。因此，研究焊接钢结构节点处的断裂破坏成了我国 和世界对于减小地震破坏的当务之急。 1 2 钢结构的破坏特点 1 柱震害：柱的破坏多发生在梁柱焊接连接附近，断裂原因初步认为f 9 7 ： 【1 梁柱焊缝的焊接缺陷造成薄弱部位； 2 】厚板焊接时过热使焊缝附近延性降低； 3 地震时为严寒期，钢材温度低于零度，导致材质断裂韧度降低； 【4 与连接细部构造有密切关系，细部构造不良。试验表明，加载速度及变 形速度尤其在低温下与破坏形态有很大关系。 2 梁一柱焊接连接震害 9 】：梁柱节点焊接连接震害基本上可以分为二类，第 一类断裂发生在柱、梁、加劲肋用小角焊缝连接的梁柱连接中，断裂在 柱端、梁端，断裂的节点附近梁、柱没有塑性区：第二类断裂主要发生 在焊透的对接焊缝连接的梁柱节点上，断裂绝大多数是脆性的，发生在 焊缝金属、热影响区和母材( 从焊趾开始) 上，并且发现在这种情况下： 1 】断裂大多数仅出现在梁下翼缘； 【2 梁下翼缘有明显的屈服、塑性变形及局部屈曲，这说明梁在断裂前消耗 了些能量； 3 】与梁相邻的柱处于弹性状态。可能是许多设计者采用弱梁概念，或者由 于制作时的冷加工使箱型柱的实际屈服强度明显高于名义值。 日本地震后，在破坏严重的2 3 9 6 个焊接节点中，有7 9 个完全断裂和部分开 裂。2 0 5 的破坏发生在母材，情况见表i 1 【io 】，破坏首先从焊缝端部的焊趾开 始，这可能是焊趾处应力集中和翼缘与腹板连接处钢材断裂韧度低的综合结果； 节点的大部分破坏与焊接因素有关，这己引起日本焊接界的密切关注。 抗弯钢结构框架被认为经济而且又具有优良的抗震性能而在美国普遍使用。 在北岭地震中未发现一例倒塌的钢结构。但是出现了大范围的梁柱结点脆性破坏 现象，不得不让人们对钢结构的抗震性能进行重新认识。在这些失效的钢结构中， 许多是和梁柱节点的失效密切相关，很多破坏是从焊接接头处开始的。在以往的 设计中，一般采取“强柱弱梁”方式同时节点处一直被认为绝对可靠的，不允 许失效。但是该地震中大多数破坏发生在梁柱连接的下翼缘。主要原因是楼板与 梁共同变形导致下翼缘应力增大和下翼缘在扇形孔槽位置焊接的缺陷的存在。下 面给出了震后观察到的在梁柱焊接连接处的各种失效模式，如图卜l 。 2 第一章绪论 4 0 3 0 2 0 1 0 ( 1 ) 母材断裂( 2 ) 焊缝金属断裂【3 ) 弧坑断裂 ( 4 ) 引弧板断裂( 5 ) 腹板开裂( 6 ) 劫板开裂 表1 1 梁柱连接破坏比例 匿匪匪哩 t y p e at y p e d 圈理醒印翌 t y p e e t y p e f t y p eg t y p e h 图1 1梁柱焊接连接处的各种失效模式 总的来看，a , b ，c 类裂纹起裂于垫板区的焊缝根部，只是沿着焊缝和柱翼缘 之间区域扩展深度不同。d 类裂纹起裂开始像前三类，然后转向柱翼缘，从柱翼缘 焊的焊趾上部扩展而出。这几类裂纹是垫板与柱之间存在微小裂纹的证据。e , f , g 类裂纹向柱翼缘扩展，部分或全部扩展透柱翼缘，甚至继续扩展到柱的腹板，也 可从柱的两侧起裂，导致柱水平方向完全裂开。典型的导出点位于连接加劲板与 柱翼缘内表面的焊缝的焊趾处，也有特殊情况从加筋板下扩展而出。h 类起裂于焊 缝焊趾处或者焊接工艺孔与底梁翼缘的交点处。裂纹可以贯穿焊缝或者贯穿母 材，或两者皆有。 1 3 脆断的原因 焊接结构的断裂大都包括裂纹的形成与扩展、断裂两个阶段。裂纹在扩展的 过程中，开始的时候扩展的较慢，同时它要吸收大量的能量，消耗大量的塑性变 形能。当裂纹扩展到一定程度时，断裂行为就产生了。通过对断裂试样的研究分 析得出了几个重要的结论。首要因素是由于大范围的地面运动而引起的高强度的 。，i；i 。：i。 第一章绪论 作用力。第二个因素主要是由于几何的不连续、焊接缺陷、裂纹等引起的应力集 中。在脆断的例子中，像裂纹这样的缺陷是脆断的引发源。然而，在震动中发生 脆断的部位是直接来源于应力，应变集中部位，如横梁的扇形孔槽的末端。第三 个因素是钢组织的脆化和低塑性。因为三向受拉的钢无法形成侧向收缩或剪切滑 移，就将在没有明显屈服现象时就发生脆性破坏。因为梁柱焊接结点发生脆性破 坏将大幅度降低结构的承载能力。要使结构在地震作用下不发生破坏，要求钢材 具有足够的延性，能够吸收多余的地震能，这取决于钢材在发生破坏之前的吸收 能量的能力。当地震载荷作用时，钢材先发生弹性变形吸收一部分弹性能，然后 出现屈服通过塑性变形再消耗掉一部分能量，这可以用应力一应变曲线下的面积 来衡量。钢材的焊接接头由于拘束度大且处于复杂的三向应力状态，在地震的高 应变速率下，更易在来不及产生塑性变形情况发生脆性断裂。 弄清钢结构断裂破坏机理和正确选材，对在预应变和动载下使用的钢材的断 裂韧度提出一定的要求，指导生产实践，为我国的钢结构建筑事业服务。 1 4 影响焊接钢结构断裂行为的因素 焊接结构钢的断裂现象在很早以前就引起工程界的广泛关注。焊接结构钢 梁柱节点的断裂原因主要有设计、选材、制造和施工等几个方面。 ( 1 ) 选材方面 尽管没有掌握到许多地震受害事例的第一手数据，但事后对于损害构件的 夏比试验结果表明：与现代结构钢材比较来说，这些焊接钢的韧度水平是偏低的。 要使焊接钢结构在地震作用下不发生破坏，应使焊接钢具有足够的延性，也就是 能够吸收大量的能量，这取决于焊接钢材在发生破坏之前吸收能量的能力。当地 震载荷作用时，钢材先发生弹性变形吸收一部分弹性能，然后出现屈服，通过塑 性变形再消耗掉一部分能量，这可以用应力。应变曲线下的面积来衡量。文献指 出，建筑用钢的o 。，0 。值较大时，有较强的吸收地震能的能力。钢材一般被 认为是一种延性很好的材料，但这只是用于界面细小的杠杆在单轴应力状态下的 情况。三相受拉的钢材由于无法形成测向收缩或剪切滑移，就会在没有明显的屈 服现象时发生脆性破坏。 ( 2 ) 设计方面 在以往的设计规范中，采用“强柱弱梁”的原则，允许结构在强震下梁发 生局部塑性变形，形成“塑性铰”，可利用转动来消耗过多的地震能量。而焊接 节点处强度则要求满足“强节点弱杆件”，保证承载时节点处不至于先于粱柱发 4 第一章绪论 生破坏。实际结构并没充分发挥塑性变形能力，节点处就出现脆性破坏。以往的 设计中，一般只考虑地震的水平加速度的影响，而忽视了竖向加速度的影响。 ( 3 ) 构造方面 梁柱刚性连接中，两端内力向柱传递时，两端弯距主要由梁翼缘承担，梁 端剪力则主要由梁腹板承担。刚性连接能保持被连构件的连续性。为了便于施焊， 常在梁腹板开工艺孔，梁翼缘焊缝采用带垫板的坡口焊。由于垫板存在未融合现 象，这样它与柱翼缘之间就形成一条“人工裂纹”。 ( 4 ) 施工方面 焊接结构钢是一种性质较均匀的材料，但其内部总是存在着不同的类型和 不同的程度的缺陷，而焊缝也经常会或多或少存在一些缺陷。如裂缝、未焊透、 夹杂和气孔等，这些缺陷能够成为断裂的起源。由于梁腹板的存在，在对梁下翼 缘焊接时，很难保持翼缘焊缝的连续性，再由工艺孔的尺寸大小有限，在梁驻板 中心线所对的焊缝处或多或少的存在一些缺陷，如裂纹、夹杂和气孔。焊接时由 于垫板的存在，很容易在焊根部位形成未融合。这些缺陷都可能成为裂纹的起点。 为此，要求钢材和焊缝进行无损检测。在对焊接工艺规范参数方面的研究，有证 据表明：焊接过程中大的线能量输入和高的层问温度会显著降低h a z 的冲击韧 度，同时可能会降低焊缝的屈服强度和抗拉强度。低的冲击韧度以及保留垫板的 构造和各种不利的因素都导致在承受地震载荷时，降低断裂的抵抗力。 1 5 防止断裂的措施 梁柱节点的断裂现象应区别对待，对于那些经历了多次大塑性应变循环之 后断裂的梁柱连接，其能量消耗为框架抵御强震发挥了相当大的作用，若这样的 框架在强震中倒塌，其存在的问题不在于梁柱节点，而在框架整体的抗震性能了。 梁柱节点的在强震下的断裂不仅使节点丧失承载力，而且危及整个建筑结构安 全，因此应尽力避免。以下从选材、设计和施工检验方面说明防止断裂的措施。 ( 1 ) 选材方面 选择具有较低屈强比的材料，o 。o 。值较小，这种材料的非弹性区较长， 应力应变曲线下的面积大，具有较大的消耗地震能量的能力f ”4 2 1 。 焊缝金属应与母材强度相匹配，q 2 3 5 级钢应选用e 4 3 型焊条或相应的焊丝： q 3 4 5 钢应选用e 5 0 型焊条或相应的焊丝。当不同强度的钢材焊接时，应按较低 强度钢材的匹配要求选用焊条或焊丝f 1 3 1 。 材料的选取除了满足强度要求，采用韧性材料也是重要的措施。建筑结构的 第一章绪论 钢材在常温要满足一定的冲击韧度的指标，而且对焊态下韧度值也要有一定的要 求。可采用夏比冲击试验来选材和进行质量控制，所采用的材料应严格满足有关 结构标准所要求的冲击吸收功【l ”。 ( 2 ) 设计方面 从强度角度来设计，目的在于通过合理的结构设计使得节点的强度比杆件的 强度高，在避免增加结构的刚度和接头部位的应力集中的情况下，适当加强节点， 满足“强节点、弱杆件”的原则，使塑性铰在且仅在梁上出现【l ”。 尽量减少结构和焊接接头部位的应力集中，腹板上的工艺孔应尽量平滑过 渡，避免产生应力集中。在不减小腹板连接强度的条件下，适当加大梁腹板上的 工艺孔，便于施焊，提高焊缝质量。补充腹板与抗剪连接板之间的焊缝。 翼缘焊的根部要充分与垫板融合，也可在垫板与柱翼缘之间用围焊把“人工” 裂纹包起来，这些可以显著提高“人工”裂纹的冲击吸收功值。 ( 3 ) 施工和检验方面 焊接前焊条按有关规定严格烘干，对焊接部位的母材应按要求在一定的温度 范围内进行预热。垫板和引弧板应按规定的规格制作加工，坡口尺寸要符合有关 标准。 采用直径规格小的焊条进行打底焊，确保焊根部位熔透。严格控制焊接工艺 规范，避免焊缝的韧度降低，焊缝成型好，形状要符合标准。重要部位由技术等 级高的工人施焊，关键部位焊后进行无损检测，减少梁柱连接中的焊接缺陷。 对所有焊缝都应进行外观检查。焊缝都应符合规定的焊接质量标准，重要的 部位进行超声波探伤。凡经过外观检查和超声波检验的不合格的焊缝，都必须按 照要求进行修补。 - 1 , 6 本文研究目的和内容 由于世界上许多地方经常发生强烈地震，其中具有优良抗震性能的钢结构常 在梁柱节点处发生脆断。为了保证在地震下钢结构的安全性，防止脆断事故的发 生，需要正确地评价金属材料在地震条件下的断裂性能，制定合理的断裂准则， 为抗震材料的选择提供一定的参考依据。 实际中结构的受力情况通常是比较复杂的。在这几次大地震中，许多抗弯钢 结构的梁柱焊接节点并未像设计时所预期的那样发挥良好的延性性能，而是出现 了脆性破坏，可以看出在设计时没有考虑潜在的危险性。地震时，地质运动可对 建筑结构产生水平或垂直方向的剧烈冲击。实际上许多结构在遭受破坏前，材料 第一章绪论 本身已经有了一定预应变。经验证明，在一些大型结构上所发生的灾难性事故总 是与材料在预应变条件下的断裂性能有关。因而，对于在地震下工作的材料，必 须研究其在预应变下的断裂行为，以制定评估标准和断裂安全设计依据。 在强烈的地震条件下，钢结构将受到剧烈的冲击作用。钢材对冲击载荷很敏 感，它容易受强烈冲击而损伤，从而导致钢结构的强度或承载能力下降。在选择 材料和进行梁一柱节点设计、制造和检验时，应将地震载荷视为动态载荷【1 6 l 。调 查研究表明：美国北岭地震和日本阪神地震中钢结构建筑的严重破坏往往是由于 承受一定动载后导致在焊接梁一柱节点处引起脆断，因此研究动载下焊接接头的 性能和断裂韧度具有重要的意义。 本文以建筑结构中常用材料q 3 4 5 和q 2 3 5 b 钢为研究对象，研究其在模拟 地震载荷作用( 主要考虑预应变及动载) 下的断裂行为。为此，主要做了以下几 方面工作： ( 1 ) 对q 3 4 5 和q 2 3 5 b 两种材料的母材与焊缝分别进行无预应变、5 预应 变和1 0 预应变的夏比v 型缺口冲击试验，试验温度为4 0o c 、2 0 、1 0 、o 和2 0 。分析了在不同温度下预应变对冲击韧度及韧脆转变的影响。可以看 出，材料在预应变下无论是母材还是焊缝，其韧脆转变温度均比无预应变时有 一定的提高，提高的程度随着预应变量的增加而增加。在地震时，对于已承受较 大预应变的重要焊接梁柱节点要采取严格的保护措施。在重要结构用钢选材和安 全分析时，预应变也应作为一个考虑因素。 ( 2 ) 测试了q 3 4 5 和q 2 3 5 b 两种材料的母材与焊缝在无预应变与1 0 预应变 下的力学性能，得出随着预应变增加，材料的屈服强度与抗拉强度均有所提高的 结论。同时，验证了按公式推导出的预应变与屈服强度的关系与试验结果吻合， 并进一步推导出在5 预应变下材料的力学性能。 ( 3 ) 测试了q 3 4 5 和q 2 3 5 b 两种材料的母材与焊缝在5 预应变和1 0 预应 变静态下的c t o d 值，研究了预应变对c t o d 断裂韧度的影响。 ( 4 ) 通过快速紧凑拉伸试验，进行了q 3 4 5 和q 2 3 5 b 焊缝和母材的常温动态、 静态c t o d 试验，用1 0 0 m i n i s 、5 0 m m s 和0 i m m s 三种加载速率模拟地震发生 时对结构的冲击程度。计算了不同条件下焊缝和母材的裂纹尖端张开位移，研究 两种材料在地震速率载荷作用下的c t o d 特性，以及动载下焊接接头的断裂行 为。 ( 5 ) 研究国际焊接学会( i i w ) 最新推出的关于抗震梁柱节点失效行为的危险 评估方法，包括简单方法( r a p l ) 与综合方法( r a p 2 ) 。这两种方法可以合理地对 脆性断裂危险进行评估。通过该方法也可对已遭受破坏的结构决定其修补措施， 使危险降至最低程度。以不同预应变下的q 3 4 5 和q 2 3 5 b 为例，详细说明如何 使用两种危险评估方法并对其进行评估。简单方法主要是根据夏比冲击功来评 第一章绪论 估；综合方法中，先以t 。i 。t 2 7 值来划分韧度等级，研究一1 0 。c 时不同“制造缺 陷”等级对危险性的影响，然后以2 0 。c t 的6 。值来划分韧度等级，与按t 。m t 2 7 值来划分韧度等级的危险情形进行对比，讨论温度对断裂危险性的影响。 第二章预应变下焊接接头冲击韧度的研究 2 1 前言 第二章预应变下焊接接头冲击韧度的研究 钢材韧度的大小对于大型工程结构及机械零件有着十分重要的意义，近年来 已经引起人们的广泛重视。评定材料韧度的方法有许多种，可以采用冲击韧度试 验、断裂韧度试验等方法。冲击韧度是材料的一种重要力学性能指标，它反映了 有缺口材料破断时所消耗的功。冲击韧度试验是一种动态试验，反映材料在突然 迅速施力条件下的断裂行为。由于冲击韧度试验方法操作简单、迅速、试样尺寸 小，节约试料，成本低，且由于试验设备、资源有限等原因，故本次研究采用此 方法。 2 2 冲击试验 2 2 1 试验简介 夏比冲击试验是把一定形状的试样，用冲击方法使之迅速断裂而测定断裂时 所需要的功。它是一种动态力学试验。该试验以试样断裂时所吸收的能量来衡量 材料的断裂性能。试验证明，随着温度的上升，打断试样所需的冲击能量也显著 上升，可以用它来衡量材料的韧脆转交特性。一般认为，这种能量转变主要取 决于裂纹产生前和裂纹开始扩展时缺口根部的塑性变形量，当塑性变形较小时， 需要较小的冲击功，而变形较大时，则需要较大的冲击功。这意味着在转变温度 区间以上，只有当缺口根部发生了一定塑性变形值后，才会开裂，而在这个温度 区间以下时，在缺口根部塑料性变形很小，甚至几乎没有塑性变形时就会开裂。 在确定本试验的转变温度之前，先介绍一下转变温度方法的概念。 转变温度方法是一种建立在断裂工艺试验分析基础上的传统评定方法。转变 温度的基本依据是体心立方金属材料所固有的明显的韧脆转变特征，即在一个 很窄的温度范围内，材料的韧度水平陡然由高降低。控制结构的最低使用温度高 于转变温度，即可保证结构材料处于较高的韧度水平。所以用转变温度方法进行 设计的目的是：确定这样的一个温度，当使用温度高于这一个温度时，结构将不 会以脆性断裂方式产生破坏。由于冲击韧度值在一定温度区间内逐渐变化，所以 一般取对应某一固定冲击能量时的温度为转变温度。本试验中，取2 7 j 冲击功对 应的温度为韧一脆转变温度。 9 第二章预应变下焊接接头冲击韧度的研究 2 2 2 试验材料的选择 随着经济的发展和国家建设的加快，对钢材的要求大大提高。而在建筑用钢 方面，低合金钢q 3 4 5 和低碳钢q 2 3 5 b 是应用最广泛的两种。为此，本次试验 选用这两种常用钢作为研究对象将会有更实际的作用和意义。 q 3 4 5 钢是属于低合金钢中的热轧钢。此种钢利用我国的富有资源为合金元 素，其屈服强度大于3 4 3 兆帕，是我国产量最大、应用最广的低合金钢。它广泛 用于制造压力容器、石油储罐、船舶、桥梁、车辆及各种工程机械。 q 3 4 5 钢的合金含量较少，所以其加工性能和低碳钢相似，焊接性也好。q 3 4 5 一般焊前不需预热。由于q 3 4 5 钢的淬硬倾向比低碳钢稍大，所以在低温下或在 大剐性、大厚度结构上焊接时，为防止出现低裂纹，需采取预热措施。 q 2 3 5 b 属于碳钢中的低碳钢。此种钢是以铁为主的含少量碳的铁碳合金， 并含少量的锰和硅元素。一般情况下，此种钢不会因焊接而引起严重硬化组织或 淬火组织。焊接时一般不须预热和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，可以 说，整个焊接过程不需特殊的工艺措施，而其焊接性优良。 试验中q 3 4 5 和q 2 3 5 b 的厚度分别为1 6 m m 和1 8 m m ，其化学成分和力学性 能见表2 1 。 表2 - 1两种材料的化学成分及性能特点 化学成分( 百分含量呦机械性能 材料 cm ns is p 0 7 m p a 吒m p a 占 q 3 4 5 0 1 51 5 4o 4 20 0 40 4 5 3 9 0 55 9 1 02 4 4 q 2 3 5 b 0 1 50 4 60 1 9o 0 30 0 22 6 7 44 3 5 52 6 0 表2 - 2 焊接工艺参数 焊接电压焊接电流焊条直径 材料焊道焊条牌号 u ni a m m 第一道2 4 2 51 7 53 ，2 q 3 4 5 e 5 0 1 6 其余焊道 2 3 2 42 2 04o 第一道2 5 2 61 6 03 2 q 2 3 5 b e 4 3 0 3 其余焊道 2 4 2 52 2 0 4 0 0 第二章预应变下焊接接头冲击韧度的研究 2 2 3 试样的制取 试验选用q 3 4 5 钢和q 2 3 5 b 钢，对于母材试样直接进行预拉伸。对于焊缝 试样，采用双v 型坡口，多层多道焊，其焊接工艺参数见表2 2 。焊完每一层后， 及时清除焊渣，以减少杂质、气孔、裂纹等缺陷。 拉伸前，在试板的两端各焊一公分长的卡头，以保证整个试板能够被均匀拉 伸。同时，在试板长度方向上划出中心位置，并以中心线为基准，向两端各划出 1 0 0 m m 和2 0 0 m m 的标线，分别定为a 线与b 线。同时，制作一个拉伸长度测 量尺，以控制预应变的量。以测量尺的中心为基准，向两端分别标出1 0 5 m m ， 1 1 0 m m ，2 1 0 r a m 和2 2 0 m m 的距离。拉伸时，使试板的中心线与测量尺的中心线 对准，当试板的a 线与测量尺的1 0 5 m m ，2 1 0 m m 线重合时，拉伸量为5 ；同 理，当试板的b 线与测量尺的1 1 0 m m ，2 2 0 m m 线重合时，拉伸量为1 0 。试板 的拉伸在1 0 0 0 k n 的液压试验机上实现。沿焊缝纵向方向静态加载，加载速率为 0 1 m m s ，受力方向如图2 - 1 ，温度为2 0 。 戴荷方向 图2 - 1 拉伸载荷方向 图22 冲击试样取样位置及缺口方向 第二章预应变下焊接接头冲击韧度的研究 在预应变后的焊接试板中分别加工母材、焊缝金属的夏比v 型缺口冲击试 样【17 ”】，其分布位置如图2 - 2 所示，横向取样，缺1 3 沿板厚度方向，对于焊缝金 属试样，采用自配清洗液对试样焊口附近进行清洗，在焊缝金属区的正中间位置 ( w c l ) 划线，从而使得缺口部位位于焊缝中部。试样尺寸如图2 3 。在未经预应 变的焊好试板上用同样的方法取出两种材料的母材和焊缝试样。机加工方法加 工，符合g b t 2 9 9 1 9 9 4 “金属夏比缺1 3 冲击试验方法”的规定。最后对试样 进行分组编号登记。 i l? 太、 1 2 7 艇o 3 。、：r i 止 i；il l：l 一上1 0 2 i b 1 图2 3 夏比冲击试样尺寸图 因为焊接钢结构不仅仅在常温下工作，很多情况下焊接钢服役于零下温度， 尤其在我国东北地区，一年中大约有1 ，3 的时间温度都非常的低，不少焊接结构 都发生断裂的事故。在这种情况下，研究一些不同低温下的材料的断裂韧度就有 更加实际的意义。 分别进行两种材料的母材与焊缝在无预应变、5 预应变及1 0 预应变条件 下一4 0 * c 、一2 0 、- 1 0 ( 2 、0 c 、2 0 的冲击试验。每种情况各取3 个试样，共累 计6 0 个试样。用酒精作为冷却介质，用干冰作制冷剂，温控误差为土2 * c ，在 规定温度溶液中保持1 5 分钟以保证试样表面与内部温度一致。测温用热电偶温 度计，必须保持在允许的温度公差范围内。试样从液体介质中移至打击的时间小 于2 秒，试验机型号为j b 3 0 a o 试验根据g b 2 6 5 0 - - 8 9 焊接接头冲击试验方法 标准和d n vo s f 1 0 1 规范的要求进行。 11引。、 、 蛰 一八竖斡。 第二章预应变下焊接接头冲击韧度的研究 表2 3 q 3 4 5 母材在不同温度下的冲击值j 温度试样冲击值，j试样编冲击值j试样冲击值j 编号 。p = = o d = 5 编号 e p = 1 0 一4 0b 11 2b 1 65t a b l 6 4 0b 22 3b 1 76t a b 2 7 4 0b 31 2b 1 86t a b 35 2 0b 42 6b 1 91 0t a b 41 0 2 0b 53 0b 2 01 4t a b 51 0 一2 0b 62 6b 2 11 6t a b 61 0 一1 0b 74 5b 2 2 3 0t a b 7l o 1 0b 84 2b 2 32 8t a b 81 2 一l ob 94 2b 2 43 3t a b 9 1 0 0b 1 06 3b 2 53 1t a b l o 1 6 0b 1 l6 1b 2 62 6t a b l l1 4 ob 1 26 4b 2 72 6t a b l 21 2 2 0b 1 38 0b 2 86 7t a b l 33 1 2 0b