（材料加工工程专业论文）焊接残余应力对梁柱节点抗震性能的影响.pdf

中文摘要 1 9 9 4 年美国n o r t h r i d g e 和1 9 9 5 年日本k o b e 地震中大量抗弯钢框架焊接节 点出现脆断的事实表明，焊接残余应力是导致这种脆性破坏的重要因素之一。因 此研究焊接残余应力对梁柱焊接节点承载状态的影响对于保证钢结构的抗震安 全具有重要意义。 本文主要研究焊接残余应力对梁柱焊接节点抗震性能的影响，主要工作包括 以下两个方面： 1 ) 建立了计算梁柱焊接节点梁翼缘焊缝焊接温度场和残余应力应变场的三 维有限元模型。考虑材料热物理性能和力学性能依赖于温度的变化，以热一弹塑 性理论为基础，利用大型有限元分析软件a n s y s ，模拟了实际钢结构梁柱焊接 节点上的残余应力、应变场。 2 ) 基于非线性静力分析( p u s h o v e r ) 方法对钢框架结构进行的结构抗震分 析，以与结构控制点水平位移相对应的杆件位移及其内力为边界条件，在考虑焊 接残余应力影响的情况下进行了梁柱焊接节点的抗震性能分析。 研究结果表明：对于不同类型的梁柱焊接节点，无论是结构处于弹性还是 弹塑性承载状态，焊接残余应力的存在均使梁翼缘焊缝中的应力处在高水平，并 使改进型节点通过增加柔性的节点结构设计使梁塑性铰外移来保护梁翼缘焊缝 的功能弱化。 关键词：焊接残余应力；有限元；钢结构；梁柱焊接节点；抗震性能 a b s t r a c t t h ef a c t st h a tb r i t t l ef r a c t u r eo c c u r r e di nt h ew e l do fb e 锄一c o l u m nw e l d e d c o n n e c t i o ni ns t e e ls t r u c t u r ei nt h ee a r t h q u a k eo fn o r t h r i g ei na m e r i c ai n19 9 4a n d k o b ei nj a p a ni n19 9 5s h o w e dt h a tw e l d i n gr e s i d u a ls t r e s si st h ei m p o r t a n tf a c t o r w h i c hl e a dt ot h i sk i n do fb r i t t l ef r a c t u r e t h e r e f o r ei ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h e e f f e c to fr e s i d u a ls t r e s st ot h e p e r f o r m a n c eo fr e s i s t a n c e t o e a r t h q u a k e o f b e a m c o h a r mc o m m c t i o nt oe n s u r et h es a f e t yo fr e s i s t a n c et oe a r t h q u a k eo ft h es t e e l s t r u c t u r e t h i sp a p e ri sm a i n l yc o n c e n t r a t e do nt h es t u d yt h ee f f e c to fr e s i d u a ls t r e s st ot h e p e r f o r m a n c eo fr e s i s t a n c et oe a r t h q u a k eo fb e a m - c o l u m nc o n n e c t i o n ，a n dc o v e r st h e f o l l o w i n ga s p e c t sc o n c e r n i n gt h em a i nw o r ka n dr e s e a r c hi nt h ep r o j e c t 1 ) ab e a m c o l u m nw e l d e dc o n n e c t i o nf i n i t e e l e m e n t ( f e m ) o fw e l d i n g t e m p e r a t ef i e l da n ds t r e s s s t a i ni sf o u n d e da n dt h em a t e r i a ln o n l i n e r ( i tm e a n st h a t t h a tt h et h e r m o p h y s i c a lp r o p e r t i e sa n dt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h em a t e r i a la r e d e p e n d i n go nt h et e m p e r a t u r ea n dc h a n g i n g 、i sc o n s i d e r e d t h et e m p e r a t u r ef i e l do f r e a lw e l d i n gp r o c e s sa n dt h ec h a n g e so fs t r e s s s t r a i nf i e l d si ns t e e ls t r u c t u r ea n dt h e r e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n sa r ea c c u r a t e l ys i m u l a t e d 2 ) t h ed i f f e r e n td e t a i l so fb e a m c o l u m nc o n n e c t i o n sa r ea n a l y s e db ya n s y si n b o t he l a s t i c i t ya n de l a s o p l a s t i c i t yc o n d i t i o n ，t h eb o u n d a r yc o n d i t i o n so fw h i c ha r e p r o v i d e db yt h ep u s h - o v e rc a l c u l a t i o no u t c o m ew h i c hs u p e r p o s e d w e l d i n gr e s i d u a l s t r e s so fb e a m - - c o l u n m ， t h er e s u l t so fs t u d ys h o w e dt h a tt ot h ed i f f e r e n tv a r i e t yo fb e a m - - c o l t m m w e l d e dc o n n e c t i o nw h e t h e ri tb ei nae l a s t i c i t yo re l a s o - p l a s t i c i t yc o n d i t i o n ，t h e r e s i d u a ls t r e s sm a k et h es t r e s so ff l a n g ew e l d e di nh i g hl e v e l ，a n dw e a k e n t h ef u n c t i o n w h i c hp r o t e c tt h ef l a n g ew e l d e db ym o v i n gp l a s t i ch i n g eo u t w a r d s k e y w o r d s ：w e l d i n g r e s i d u a ls t r e s s ；f e m ：s t e e ls t r u c t u r e ；b e a m - - c o l u m n w e l d e dc o n n e c t i o n ：p e r f o r m a n c eo f r e s i s t a n c et oe a r t h q u a k e 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，也不包含为获得盘鲞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：獬 签字日期： 知。f 年二月汐 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘堂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 签字日期：艿年 麟伟 1 日f 8 日 翩躲巧吼 签字日期：。r 年v 月1 日 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 地震是人的大自然灾害之一。每一次大的地震都会造成巨大的财产损失和人 员伤亡，这主要是由建筑物的破坏和倒塌造成的。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应用在厂房、桥梁等建筑领域。尤其是在高层建筑上， 由于铡结构强度高，韧性好，整体结构的重量轻，以及其良好的延性成为抗震设 计的首选川。 但近2 0 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 2 地震及1 9 9 5 年日本的k o b e 【3 j 地震等。在这几次大地震中钢结构梁柱焊接节点遭 到了空前的破坏，损失惨重，由此突显了对钢结构梁柱焊接节点进行抗震性能研 究和进行正确抗震设计的重要性。 1 , 1 1 世界高层建筑钢结构的发展 钢结构是世界早期高层建筑中最先使用的一种建筑结构类型，至今已有百年 历史。1 9 世纪末，西方就开始尝试用钢铁材料制作框架承重体系。例如美国在 1 8 8 3 年建造的1 1 层保险公司大楼，就是采用了生钢柱和熟铁梁构成的框架结构， 外围砖墙是自承重墙，这栋楼被认为是现代高楼的始祖1 4 5 j 。 2 0 世纪初，高层建筑得到了迅速发展，钢结构设计技术成为该发展时期的 技术主流。为增强结构的抗水平载荷能力，即增加抗侧力刚度，钢结构由纯框架 结构体系进一步发展成框架一抗剪结构体系( 框架+ 支撑或框架+ 剪力墙) 【6 j 。 与此相应，建筑结构在高度上也发展了一大步。1 9 0 5 年在美国纽约建造了5 0 层 的m e t t r o pl i f a n n 大楼；1 9 1 3 年建造了6 0 层、高2 3 4 m 的w o o l w o r t h 大楼；1 9 2 9 年建造了3 1 9 m 的c h a t y s l e s 大楼；1 9 3 1 年又建造了1 0 2 层、高3 8 1 m 的帝国大 厦。在这一时期，建筑技术的发展远远快于设计计算理论的进步，当时的结构计 算理论仍然停留在平面结构，这一计算模型的误差已妨碍了建筑物高度的进一步 发展，并严重影响了建筑物的建造成本。例如，1 9 3 1 年建造的帝国大厦，用钢 量达2 0 6 k g m 2 【7 1 。 计算机的应用使结构分析的数度和精度得到了根本性的进步，结构计算理论 第一章绪论 1 1 选题背景及意义 第一章绪论 地震是人的大自然灾害之一。每一次大的地震都会造成巨大的财产损失和人 员伤亡，这主要是由建筑物的破坏和倒塌造成的。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应用在厂房、桥梁等建筑领域。尤其是在高层建筑上， 由于钢结构强度高，韧性好，整体结构的重量轻，以及其良好的延性成为抗震设 计的首选1 “。 但近2 0 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 c p j 地震及1 9 9 5 年h 本的k o b e l 3 1 地震等。在这几次大地震中铡结构梁柱焊接节点遭 到了空前的破坏，损失惨重，由此突显了对钢结构梁柱焊接节点进行抗震性能研 究和进行正确抗震设计的重要性。 1 1 1 世界高层建筑钢结构的发展 钢结构是世界早划高层建筑中最先使用的一种建筑结构类型，至今已有百年 历史。1 9 世纪末，西方就开始尝试用钢铁材料制作框架承重体系。例如美国在 1 8 8 3 年建造的1 1 层保险公司大楼，就是采用了生钢柱和熟铁梁构成的框架结构， 外围砖墙是自承重墙，这栋楼被认为是现代高楼的始祖”。 2 0 世纪初，高层建筑得到了迅速发展，钢结构设计技术成为该发展时期的 技术主流。为增强结构的抗水平栽荷能力，即增加抗侧力刚度，钢结构由纯框架 结构体系进一步发展成框架一抗剪结构体系( 框架+ 支撑或框架+ 剪力墙) 1 6 1 o 与此相应，建筑结构在高度r 也发展了一大步。1 9 0 5 年在美国纽约建造了5 0 层 的m e t t r o pl i f a n n 大楼；1 9 1 3 年建造r6 0 层、高2 3 4 m 的w o o l w o r t h 大楼；1 9 2 9 年建造了3 1 9 m 的c h a t y s l e s 大楼：1 9 3 1 年又建造了1 0 2 层、高3 8 l m 的帝国大 厦。在这一时期，建筑技术的发展远远快于设计计算理沦的进步，当时的结构计 算理论仍然停留在平面结构，这一计算模型的误差己妨碍了建筑物高度的进一步 发展，并严重影响了建筑物的建造成本。例如，1 9 3 1 年建造的帝国大厦，剧铡 景达2 0 6 k g m 2 叽 计算机的应用使结构分析的数度和精度得到了根本性的进步，结构计算理论 计算机的应用使结构分析的数度和精度得到了根本性的进步，结构计算理论 第一章绪论 也实现了由二维的平面结构向三维的空间结构理论的飞跃。这些进步使得高层建 筑的结构体系呈现出先进、新型、高效和多样化的局面，同时带来了设计技术的 革新，增加了高层建筑的适用性和使用功能，也降低了建筑的造价。例如1 9 7 4 年在芝加哥建造的西尔斯大厦由于采用了立体结构的束筒结构体系，用钢量为 1 6 1 k g m 2 ，较帝国大厦的2 0 6 k g m 2 减少约了2 0 【引。 1 9 7 5 年在加拿大的多伦多建造了该国最高的建筑一一7 2 层的f i r s tc a n d i a n p l a c e 。法国于1 9 7 3 年建成了高7 2 层的曼蒙巴拉斯大厦，德国则于9 0 年和9 7 年在法兰克福相继建成了迈萨托大厦和商业银行大厦。近些年来亚洲的高层建筑 发展十分迅猛，目前世界上最高的一百栋高层建筑中，约有3 0 栋在亚洲，主要 分布在中国、只本、马来西亚和新加坡等地，并且主要为纯钢结构或钢一混凝土 混合结构。其中，1 9 9 7 年竣工的马来西亚吉隆坡的双塔- - 8 8 层4 5 0 m 的石油大 厦是当时世界上最高的建筑憎j 。 1 1 2 我国高层建筑钢结构的发展 我国民用高层建筑钢结构是白8 0 年代中期起步的，至今建成和正在建设的 约有4 0 栋，主要分布在北京、上海和深圳等地。在1 9 8 5 年以前，由于我国大规 格型钢紧缺、规格不全，钢结构的造价比钢筋混凝土结构高很多，因此高层建筑 大都采用了钢筋混凝土结构。8 0 年代中期以后，随着我国建筑钢材的发展，一 些外资工程的兴建，高层钢结构丌始在我国出现。因为随着建筑物层数的增加， 钢筋混凝土结构的造价迅速增加，其基础造价也伴随着建筑物高度而急剧上升， 所以这两种结构的造价差距不断缩小。此外钢结构具有施工安装简洁方便、早投 产早收益、梁柱等构件截面较小且相对于钢筋混凝土结构增加了使用面积以及抗 震性能好等优点，因而越来越为人们所重视。到1 9 9 0 年，我国已经建成1 1 栋高 层建筑钢结构【j 。 进入9 0 年代以后，我国掀起了超高层建筑的建设高潮，其中上海的超高层 钢结构发展尤为迅速。到1 9 9 8 年底，我国大陆建成的超过2 0 0 m 以上的超高层 钢结构已有9 栋。其中8 8 层高4 2 1 m 的上海金茂大厦当时名列世界第四，使我 国的高层建筑进入了世界前列。与此相适应的在高层建筑结构的科学研究、设计 软件的编制、设计能力及各项配套的工艺技术方面均取得了进展，钢结构的制作 及与安装方面的国产化已具有相当水准。值得一提的是大连远洋大厦钢结构的设 计、钢材、钢结构制作和安装全部实现了国产化【l “。 第一章绪论 1 2 强震下钢结构的脆性断裂及其破坏特斜他1 建筑结构的抗震设计就是为了避免或减轻由于建筑物的地震破坏而造成的 损失和伤亡。大地震在给人们带来灾难的同时，也促使建筑物的抗震设计理论及 方法得到进一步的发展与完善。在1 9 9 4 年美国n o r t h r i d g e 以及1 9 9 5 年日本k o b e 的地震中，以前被认为抗震性能卓越的现代钢框架节点出现了大量的脆性断裂现 象u 3 l ，从而暴露了高层钢结构焊接节点抗震性能上的缺陷，迫使人们重新审视现 行的钢结构抗震设计理论及方法。 建筑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缝为主， 同时也采用了大量的栓焊混合结构i l “。1 9 9 4 年1 月1 7 同，美国加州的n o r t h r i d g e 发生了里氏6 _ 8 级地震。在这次中等强度的地震中，许多建筑结构遭受了不同程 度的破坏。钢筋混凝土结构破坏显著，部分倒塌。与其它结构体系相比，钢结构 的震害要轻得多，没有发生整体倒塌，也没有发生与钢结构有关的死亡事件”。 但震后进行的细致调查发现，超过1 5 0 栋的钢结构梁柱焊接节点发生了脆性破 坏，破坏程度从出现细小的微裂纹到柱截面完全断裂不等。遭受损伤的结构分布 很广，建筑高度从单层到2 6 层，建筑年代包括3 0 年前建造的和正在建造的，地 域分布从震中区到距震中较远的地区。这些钢结构梁柱焊接节点的脆性破坏，是 人们完全没有预料到的。按照通常的标准，n o r t h r i d g e 地震只是中等强度的，而 且被破坏的大多数建筑钢结构是严格按照现行设计规范设计和施工规范施工的。 1 9 9 5 年1 月1 7 日，日本的k o b e 发生了里氏7 - 2 级地震，同样使大量钢结构 焊接节点发生了脆性破坏【1 6 】。虽然日本的钢结构设计依据和施工方法与美固有所 区别，但焊接节点呈现出同样的脆性破坏特征。从此钢结构焊接节点的这种地震 损伤脆断现象，引起了结构工程界的普遍关注。 钢框架焊接节点脆性破坏的典型形式，为脆性裂纹始自梁下翼缘与柱翼缘相 交的焊缝处【1 7 】( 图1 1 ) ，然后通过不同的途径扩展，或贯穿焊缝，或扩展进母 材或热影响区，导致多种形式的断裂。梁下翼缘失效还会导致节点剪切板上的螺 栓的脱落或焊缝的断裂。最危险的破坏形式是脆性裂纹从梁下翼缘焊缝根部扩 展，贯穿柱翼缘进入其腹板，导致柱的全截面断裂。 由于美国和日本在钢结构材质、焊接工艺、施工方法以及节点连接方式、构 造处理等方面有所不同，使得n o r t h r i d g e 和k o b e 地震中钢结构焊接节点的脆性 破坏模式也有所不同。主要区别在于n m 啦h r i d g e 地震中的焊接节点发生脆性破坏 时，梁翼缘以及节点板域没有出现明显的屈服、塑性变形和局部屈曲现象，脆性 破坏的特征更为明显；但在k o b e 地震中有这种现象出现，这表明节点焊缝在脆 性断裂前吸收了一部分地震能量。此外在n o r t h r i d g e 地震中裂纹主要向节点柱一 第一章绪论 侧扩展，而k o b e 地震中裂纹主要向梁一侧扩展，这些差别显然与梁柱焊接节点 的构造形式有关培1 。因此对n o r t h r i d g e 地震和k o b e 地震中钢结构焊接节点破坏 所表现出来的共性和个性，值得人们进行认真地分析和研究。 梁翼缘焊缝 隔板警垫板、 ： 占 梦板 牲0 t 型钢 言r ，一 梁硼型制 ： 。、爻焊接 = 艺孔 x 图卜1 梁柱焊接节点的结构 1 3 脆性断裂的原因与分析 n o r t h r i d g e 地震后，美国学者就节点破坏原因，通过现场调查、室内试验和 现场检验，进行了结构响应分析、有限元分析、断裂力学分析等，还作了很多补 充试验。结合震前研究，对节点破坏原因提出了一些看法，认为节点破坏与加劲 板、补强板、腹板附加焊缝等变动没有什么直接关系，也不是仅由设计或施工不 良所能说明的。应从节点本身存在根本性缺陷上去找原因。以下几方面因素，被 认为决定和影响了焊接节点的性能而导致了破坏。 1 3 1 焊缝金属冲击韧度低【l 9 美国n o r t h r i d g e 地震前，焊缝多采用e 7 0 t - 4 或e 7 0 t - 7 自保护药芯焊丝施焊， 这种焊丝提供的最小抗拉强度为4 8 0 m p a ，夏比冲击韧度无规定。试验室试件和 从实际破坏的结构中取出的试件在室温下的试验表明，其冲击韧度往往只有 1 0 1 5 j 1 1 9 】。这样低的冲击韧度使得焊缝很易产生脆性开裂，成为引发节点破坏的 重要因素。在n o r t h r i d g e 地震后不久所作的大型验证性试验，焊缝采用了e 7 0 t - 4 型焊条，尽管焊接质量很好，焊缝还是出现了早期破坏，从而证明了焊缝金属冲 击韧性低是焊接破坏的因素之一。 1 3 2 焊缝存在的缺陷1 9 j 对破坏的节点所作的调查表明，其焊接质量往往较差。在裂缝萌生的下翼缘 4 第一章绪论 焊缝中梁腹板的工艺孑l 附近，焊缝是非连续的，缺陷明显。在该部位进行超声波 检查也比较困难，因为梁的腹板妨碍探头的移动，所以，梁下翼缘焊缝由于施焊 和探伤的困难影响了焊接质量，而上冀缘焊缝的施焊和探伤不存在这样的问题。 由此可以认为这是上翼缘焊缝破坏较少的原因之【2 0 l 。 1 3 3 垫板和引弧板造成的应力集中9 在实际工程中，焊接后往往将焊接垫板留在粱柱节点上( 图1 1 ) 。在加州 大学进行的试验表明，垫板与柱翼缘之间形成的垂直界面，相当于一条人工裂缝。 在梁翼缘的拉力作用下该裂缝会扩展，引起节点的脆性破坏【2 ”。 研究指出1 2 2 ，梁受拉时垫板切口部位应力最高。破坏是三轴应力引起的，表 现为脆性破坏，外观无屈服。通过有限元模拟计算得出最大应力集中系数出现在 梁翼缘焊接垫板中部，节点破坏时裂缝将从应力集中系数最大的地方开始扩展， 此结论已为试验所证实。研究表明大多数节点的破坏都起源于梁下翼缘垫板处， 引弧板同样也会引发裂缝。 1 3 4 梁翼缘焊缝上的超应力9 n o r t h r i d g e 地震后对梁柱节点进行的分析表明，当梁上出现塑性弯矩时，梁下 翼缘焊缝上会出现超高应力。这是因为当螺栓连接的梁腹板不足以参加弯矩传递 时，柱翼缘受弯导致梁翼缘中段出现较大的应力集中；在梁上的焊接工艺孔处存 着附加应力集中；部分剪力实际上是由梁翼缘焊缝传递，而不是像通常设计假设 的那样由梁腹板的螺栓连接传递。梁翼缘焊缝的应力很高，对节点破坏起了不利 影响。p o p o v 1 5 噪用8 节点体单元有限元模拟分析发现，梁柱节点上的最高应力 点是在梁翼缘焊缝处和节点板域。这些分析指出，对节点抗震性能的改进不仅应 该改善焊缝韧度，还应设法降低梁翼缘焊缝上的应力水平。 1 3 5 其它因素1 9 1 有很多其它因素也被认为对节点的脆性破坏产生潜在的影响，这包括：梁的 屈服应力比规定的最小值高出很多；柱翼缘板在厚度方向的拉伸性能和延性的不 确定性；柱节点域过大的剪切变形产生的不利影响：组合楼板产生的负面影响。 这些影响因素还需要一定时间的争论才能弄清楚。 1 4 国内研究现状 已有的震害教训引起国内对建筑钢结构在强震作用下的脆性断裂问题的重 第一章绪论 视，并展开了系列研究。如李国强对地震下梁柱节点的断裂行为进行了分析【2 3 。 姚国春模拟“人工裂纹”，应用断裂力学公式计算出焊根处的应力强度因子，用 有限元方法对梁柱节点梁翼缘焊缝的不同强度匹配进行了研究，提出了模拟地震 冲击作用的改进尼伯林克试验1 2 4 1 。李杰计算了h h 、h b 、b b 三种不同形式梁 柱焊接节点在不同载荷模式下的累积损伤，并对建筑常用钢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了比较【2 5 】。张俊宝以 s a p 2 0 0 0 n l 分析结果为计算边界条件，用a n s y s 的三维实体单元分弹性和弹 塑性两种情况分析了在地震水平载荷作用下，不同构造细节的梁柱节点焊缝的受 力状态1 2 6 】。但在这些已有的研究中均未考虑焊接残余应力对节点承载状态和断裂 行为的影响。最近的研究结果表明，残余应力也是导致抗弯钢框架焊接节点出现 脆性破坏的重要因素。焊接残余应力对钢结构焊接节点抗震性能的影响还需要进 一步研究和分析。 一般认为，焊接残余应力对承受静力荷载的钢结构的承载能力没有影响，但 在地震载荷的冲击下当拉伸残余应力和外载所引起的应力叠加超过焊缝的断裂 极限，就可能会导致结构破坏。由于焊接残余应力的存在，会提高焊缝和母材的 总体应力水平，增加梁柱焊接节点发生脆断的危险，因此进行钢结构的抗震性能 分析时，必须考虑焊接残余应力对梁柱节点抗震性能的影响。 1 5 本文研究的主要内容 1 9 9 4 年n o r t h r i d g e 和1 9 9 5 年k o b e 地震中大量抗弯钢框架焊接节点出现脆 断的事实表明，焊接残余应力是导致这种脆性破坏的重要因素之一。因此，认识 焊接残余应力对梁柱焊接节点承载状态的影响对于保证钢结构的抗震安全具有 十分重要的理论价值和现实的工程实践意义。 本文主要研究焊接残余应力对梁柱焊接节点抗震性能的影响，拟将开展以下 两个方面的工作： 1 ) 建立计算梁柱焊接节点梁翼缘焊缝焊接温度场和残余应力应变场的三维 有限元模型，考虑材料热物理性能和力学性能依赖于温度的变化，以热一弹塑性 理沦为基础，利用大型有限元分析软件a n s y s ，模拟实际钢结构梁柱焊接节点 上的残余应力、应变场。 2 ) 基于非线性静力分析( p u s h o v e r ) 方法对钢框架结构进行的结构抗震分 析，以与结构控制点水平位移相对应的杆件位移及其内力为边界条件，在考虑焊 接残余应力影响的情况下，进行梁柱焊接节点的抗震性能分析。 6 第二章梁柱节点的焊接残余应力 2 1 概述 第二章梁柱节点的焊接残余应力 焊接残余应力和变形的存在是影响结构断裂强度、疲劳强度和结构稳定性的 重要因素。对于钢结构而言，焊接残余应力是结构发生脆断的主要原因之一 2 7 。 为了调整和消除焊接残余应力和变形给结构带来的有害影响，需要运用热一弹塑 性理论来分析焊接过程中瞬态应力应变的变化和焊后残余应力与变形的有关规 律。 各种大型有限元结构分析软件，例如a b a q u s 、m a r c 、a n s y s 、 s y s w e l d 、a d i n a 等，为各种热弹塑性问题的有限元求解提供了计算工具。 本章拟用a n s y s 有限元分析程序，分析梁柱焊接节点的瞬态应力应变场和 焊接残余应力分布。 在a n s y s 软件中，计算焊接应力场的方法分为直接法和间接法两种1 2 8 - 3 0 1 ： 直接法使用具有温度和位移自由度的耦合单元，同时得到热分析和结构应力分析 的结果：间接法是先进行热分析，然后将求得的节点温度作为体载荷施加在结构 上进行应力分析。直接法可供选用的单元类型较少。在分析过程中，需要同时进 行温度场和应力应变场的计算，计算周期较长，不够灵活。间接法先分析温度场 并保存其结果，再分析应力应变场，如果应力应变计算结果不理想，则不必再进 行温度场分析，修改结构的力学性能参数或优化载荷步后即可重新进行应变应力 分析。温度场计算是标量计算，计算时间相对于应力应变过程的矢量计算少得多， 因而本章采取间接法分析梁柱焊接节点的残余应力。 2 2 焊接温度场模拟 2 2 1 温度场的分析理论【3 卜 进行温度场的有限元分析应把求解域离散化，即把求解域分割为有限个多边 形( 称之为单元) 。在每个单元上选择某些节点，以节点的温度作为基本未知量， 建立起单元温度插值函数，并以单元上的节点温度来表示单元内任意点处的温 度。这样整个求解域由有限个离散单元来代替，求解区域上连续的温度函数 0 ( x ，y , z ，t ) 由有限个单元的温度插值函数取代，把求解整个区域上连续分布的 第二章梁柱节点的焊接残余应力 温度函数问题转化为求解有限个单元节点的温度问题。 2 2 1 1 温度场的变分问题 假设由一封闭曲面s 所围成的物体，仞始温度为0 ( x ，z ) ，曲面各部分分别 承受对流、辐射、热流输入和表面温度已知的边界条件，则求解其温度场即为寻 找满足下列微分方程和定解条件的温度分布函数口。 瓦0 ( 面0 0 ) + 杀( q 等) + 毫( t 警) = 一q 。( 2 - 1 ) 式中：t ，后，k ：一对应x ，y ，z ，方向的导热系数( 单位：w m ) ； 9 8 一热流强度，也就是用内部热源表示的每单位体积的热生成率( 单位： w m 3 ) 。 1 考虑自然边界条件 1 ) 在对流边界上， b 娑： ( 晓一) ( 2 _ 2 a ) 式中：h 一与温度有关的对流系数( 单位：w m 2 一) ； 晓一流体的平均温度( 单位：) ； 一固体的表面温度( 单位：) 。 2 ) 在辐射边界s 上， 。娑：女( q 一目5 ) ( 2 2 b ) 式中：k 一辐射系数； o r 一辐射流的温度( 单位：) 。 3 ) 在热流边界s ：上， k 娑：驴 ( 2 一z c ) k _ 2 驴 l z 。 2 考虑相变边界条件 在相变情况下，相变界面处的状态是释放( 或吸收) 与材料体积转变率成正 比的潜热，该潜热要由离开界面前沿的热流来平衡。 3 考虑刚性边界条件 在给定的温度边界研上， 目= 西( 2 3 ) 初始条件为：式( 2 - - 1 ) 在瞬念分析中必须给出如下初始时刻的温度分布， 0 l ，：。= 口( x ，y ，z )( 2 - 4 ) 在稳态分析中，q 8 = q 一， 第二章梁柱节点的焊接残余应力 当在瞬态分析中，q b 一_ q - b c ( 掣) 表示包括比热影响在内的单位体积的热生成 率。 将式( 2 - - 1 ) 至式( 2 - - 4 ) 用变分法表示，建立泛函3 踟 石= 必t ( 警) 2 + 砖( 等) 2 + t ( 酬一“一j 1 酽p 一占，【啪l 汐声一搬一伽研 取泛函万的一阶变分，并令其等于零，则有 勋= f j ( 酊簟( 皇d v g h ( o e 一伊p 5 d s g r k ( o , 一矿矽5 d s l q g o 。d s 一工9 8 6 0 d v = 0 式中： ( 口) 7 = 警詈警 lt 00l k = | 0 0i 1 00 也j 其中k 称为导热系数矩阵。 温度场的求解问题就是在式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 的约束下，寻找能够满足式( 2 5 ) 的函数石的问题，即变分问题。 2 2 1 2 温度场的有限元离散 对于一般问题，找到能满足式( 2 5 ) 的函数石相当困难，甚至是不可能的。 利用有限元方法可把总体温度场函数0 ( x 以z ，f ) 转变为所有单元的温度场函数， 将式( 2 5 ) 对整个求解域的积分变为对全部单元的积分，将在边界足和母上的 积分变为在其对应单元边界上的积分。 单元的泛函变分式为 吼= j ( 酽) “k v 一7 r 一6 0 7r o + 扩c o d p k 。时0 5 ) 一点矿k r0 一矿1 由西r = 瓴= o 得到有限元系统的总体热流平衡方程 足。0 = q s + q b c o + k 。( 皖一0 3 ) + k 7 ( q 一0 5 ) ( 2 - 6 ) 9 第二章梁柱节点的焊接残余应力 式中：世一总体刚度矩阵： d 。一边界热源输入形成的总体节点热流矢量； q 一内部热生成的总体节点热流矢量； c 一总体热容矩阵； k 。一总体对流矩阵； 世一总体辐射矩阵。 式( 2 6 ) 是以节点温度为未知量的代数方程组即通过有限元离散把求解微 分方程的问题转化为求解代数方程组的问题。求得有限个单元节点的温度后，根 据单元温度插值函数就可以求出单元内任意点处的温度，从而得到所求阃题的温 度场。 2 2 2 梁柱焊接节点的热分析模型 2 2 2 1 梁柱焊接节点结构 梁柱焊接节点的结构如图2 - 1 所示。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ，j 粱蒸缘爆缝t 。 卜。 、塌援r 一芝垫棱i ：； ! 期扳量1 枝h 型钢 争一，- j 杏l 1：晕一燃溪艺始 - j 图2 - 1 梁柱焊接节点的结构示意图 梁和柱的截面如图2 - 2 所示1 3 5 1 。 图2 - - 2 梁柱构件的截面尺寸 第二章梁柱= 仃点的焊接残余应力 截面尺寸分别为 柱( z 。) ：4 0 0 4 0 0 x 2 1 1 3 2 4 ( h x d x k x t x r ) ： 梁( l 。) ：6 0 0 2 0 0 x 1 7 l l 2 4 ( h x d x k x t x 力( 单位：r a m ) 。 图2 1 中的焊接工艺孔的设计如图2 3 和图2 - 4 ，本节采用了图2 - 4 中改进 焊接工艺孔的设计。 图2 3 普通焊接工艺孔 2 2 2 2 单元选择3 6 i 粱腹板 图2 4 改进焊接工艺孔 a n s y s 的单元库中热分析能直接转化为结构分析的三维热单元有s o l i d 7 0 、 s o l i d 8 7 和s o l i d 9 0 单元。本分析采用了s o l i d 7 0 和s o l i d 9 0 单元。 s o l i d 7 0 是八节点的三维热实体单元。进行应力应变分析时，该单元被等效 的结构单元s o l i d 4 5 代替，节点分布不变。s o l i d 9 0 则是二十节点的三维热实体 单元，是s o l i d 7 0 的高阶形式，适用于模拟弯曲边界，进行应力应变分析时，该 单元被等效的结构单元s o l i d 9 5 代替。s o l i d 7 0 和s o l i d 9 0 单元的形状和节点分 布如图2 5 和图2 - 6 所示。 舯囊嘲0 佛岫n i i 吐n 日目州h _ 啪 图2 - 5s o lid 7 0 单元的j 1 a - i 参数 彝鹫颤磷k 穸 可舔 第二章梁柱节点的焊接残余应力 x 2 2 2 3 材料属性定义 m n o p u v w x c p yr a m i do p t i o n ) c p r i s mo p t i o n ) 图2 - 6s o l i d 9 0 单元的几何参数 梁柱焊接节点图2 1 中梁的材料为q 2 3 5 b ，柱为0 3 4 5 ，焊缝采用j 5 0 6 ( e 5 0 1 6 ) 焊条手工焊接【37 1 。这样选材是为了提供强柱、弱梁和强节点域。梁柱节点材料及 其焊缝的热物理性能参数如表2 一l 所示 表2 1 材料的热物理性能参数“3 材料种类 比热( j k g k )导热系数密度( k g m 3 )对流系数 e w ( m k ) ( w m 2 ) q 2 3 5 b 5 6 l3 37 8 5 05 0 焊缝 6 8 l3 27 7 7 05 2 q 3 4 5 6 0 03 47 8 6 05 1 2 2 2 4 网格划分 焊接是一个不均匀的热过程，焊缝处温度变化大，因此在焊缝及附近区域需 采用加密的网格。在远离焊缝的区域，温度变化相对较小，这时可以忽略细节， 在保持精度的同时减少网格的数量。要获得一个良好的瞬态焊接温度场，焊缝处 的网格尺寸最好在2 n u n 以下 4 1 , 4 2 1 。 在本模型中，焊缝及其周围采用s o l i d 9 0 单元，远离焊缝的区域采用 第二章梁柱节点的焊接残余应力 s o l i d 7 0 单元。单元总数为1 8 7 6 5 8 ，节点总数为5 2 7 9 9 ，单元最小尺寸为2 r a m 。 图2 1 的梁柱节点的网格划分情况见图2 7 和2 8 。 图2 7 梁柱节点的有限元网格划分 图2 - 8 节点焊缝及其附近的有限元网格 2 2 2 5 生死单元 梁柱节点的焊接常采用手工电9 & 焊。梁的上、下翼缘一般不能同时施焊，需 第二章梁柱节点的焊接残余应力 要采用a n s y s 中的“生死单元”方法来模拟实际焊接过程中的焊接顺序。“单元 生死”效果的实现是将单元刚度矩阵乘以一个很小的因子使其对载荷向量失效， 在需要重新激活时再恢复其原始数据1 3 0 】。 本模型中先焊接梁的下翼缘焊缝，然后焊接上翼缘焊缝。在下翼缘焊缝焊接 时，让上翼缘焊缝单元处于“死”的状态，此时它们对温度场和应力场的计算不 起作用。当上翼缘焊缝开始焊接时，再将这些单元“激活”。下翼缘焊缝焊完待 其温度降到一、二百摄氏度时开始焊上翼缘焊缝，焊完后冷却至室温2 5 。c 。 2 2 3 焊接温度场计算 2 2 3 1 载荷和边界条件的确定 1 焊接热源载荷对于表面堆焊问题，当忽略熔覆金属的填充作用时，以热 流密度形式施加热源载荷可以得到焊接温度场较满意的计算结果。对于开坡口的 焊缝或者填角焊缝，应将热源作为焊缝单元内部生热处理，以生热率的形式施加 载荷。 粱柱节点焊缝是开坡口的填角焊缝( 图2 一1 ) ，宜采用生热率的形式施加载 荷。将有效的焊接热输入量转换成焊缝单元在单位体积、单位时间内的热生成强 度，其表达式为： 盯= ! ：竺! 翌 ( 2 7 ) 式中：i 一焊接电流( a ) u 一焊接电压( v ) v 一单位时间内焊接的体积( m 3 s ) 1 7 一热效率 在手工焊条件下，取i = 1 2 0 a ，u = 3 0 v ，v = 0 4 x1 0 一m 3 ，r = 0 7 5 4 3 。4 副， 则单位时间的热生成强度q = 6 7 5x 1 0 9 ( j m 3 ) 2 边界条件梁柱节点一般在现场焊接，节点的初始温度值设为2 5 。c 。梁柱 节点周围介质的对流换热会导致热量损失，但在空气流动较小的情况下，对流换 热系数很小，可将对流换热的影响忽略。 2 , 2 3 2 时间步长的确定h 6 】 时间步长的大小关系到温度场计算的精度。步长越小，计算精度越高，同时 计算的时间加长。焊接热循环在加热阶段和冷却初期的温度变化剧烈，而冷却到 低温时则温度变化缓慢，因此应采用变步长进行计算。本文开始选了几个时l 剞步 第二章梁柱节点的焊接残余应力 长进行试算。每次试算均将时间步长逐步减小，直到当相邻两次温度场计算结果 的差别达到要求时即认为时间步长己足够小。 梁柱节点焊接温度场的计算过程分加热和冷却两部分。加热过程用4 0 s 完 成，每5 s 为一个时问步长，共有8 个载荷子步。冷却时间1 5 0 0 s 。冷却时间段为 o 一1 s 的时问步长取为0 2 s ；冷却时间段为1 - 4 0 s 的时间步长取为1 s ：冷却时间 段为4 0 1 0 0 s 的时问步长取为5 s ；冷却时间段为1 0 0 5 0 0 s 的时间步长取为1 0 s ； 冷却时间段为5 0 0 1 5 0 0 s 的时间步长取为3 0 s 。 2 2 4 温度场计算结果 图2 9 是焊缝的瞬态温度曲线图。从图2 9 可以看出，梁柱节点的上、下 翼缘的焊缝是被依次加热，最高温度达到1 4 0 0 。c 以上。图2 1 0 至图2 - 1 4 分别对 应4 0 s 、2 0 0 s 、2 4 0 s 、8 1 5 s 、和1 5 0 0 s 时的焊接温度场，焊接顺序为先焊梁的下 翼缘焊缝再焊上翼缘焊缝。 p 划 嘎 t i m e l s 图2 - 9 焊缝的热循环曲线 a ) 下翼缘焊缝整体视图 b ) 下翼缘焊缱局部放大视图 图2 1 04 0 s 时的焊接温度场 暑|湖瑚唧墓|珊咖枷耋；御。 第二章梁柱节点的焊接残余应力 a ) 下翼缘焊缝整体视图b ) 下翼缘焊缝局部放大视图 图2 一”2 0 0 s 时的焊接温度场 a ) 上翼缘焊缝整体视图b ) 上翼缘焊缝的局部放大视图 图2 - 1 22 4 0 s 时的焊接温度场 a ) 上冀缘焊缝整体视图 b ) 上翼缘焊缝局部放大视图 图2 1 38 1 5 s 时的焊接温度场 6 第二章梁柱节点的焊接残余应力 a ) 上翼缘焊缝 a ) 上翼缘焊缝 2 3 残余应力应变场模拟 图2 1 41 5 0 0 s 时的焊接温度场 2 3 1 焊接残余应力和变形的分析理论【3 1 - 3 4 b ) 上翼缘焊缝 b ) 下嚣缘焊缝 焊接残余应力应变的计算以热传导分析为基础，同时考虑焊接区的组织转变 对残余应力应变场的影响。主要有两种计算残余应力和变形的方法：弹性分析和 热一弹塑性分析。本节采用热弹塑性分析方法进行梁柱节点焊接残余应力应变场 的有限元计算。 材料处于弹性或塑性状态的应力应变关系为 d 盯 = 明( d s 一( c ) d r ( 2 8 ) 式中： 明为弹性或弹塑性矩阵； c l 为与温度有关的向量。 在弹性区： 明= 明e 第= 章梁柱节点的焊接残余应力 f c )