焊接應力與損傷對鋼框架梁柱節點抗震分析

周文俊，孫婷婷,楊子涵

(武漢理工大學土木工程與建筑學院，武漢 430070)

無論是采用焊接螺栓，或者是雙焊混合連接，鋼結構構件之間的連接處最薄弱。研究表明大多數破壞都是發生在結構連接處。近年來全球發生過多次破壞極大的地震，如 2008年中國汶川大地震，大量鋼框架梁柱焊接節點出現脆性斷裂，研究表明，焊接殘余應力是導致這種情況的重要因素之一。而通過考慮損傷可以更加真實地研究焊接節點的殘余應力對節點抗震性能的影響，從而為鋼結構設計、選材和施工等方面提供參考。

1 損傷模型的選擇與分析

ABAQUS中符合延性金屬損傷的損傷模型只有Jason-Cook模型與Ductile damage 模型。由于模擬的模型單元與節點數在幾十萬以上，而Johnson-Cook損傷模型是Explicit 動力顯示算法，滯回曲線模擬時間代價太大，且體現不出其模擬沖擊與爆炸等大動力載荷良好的優勢，而Ductile damage 模型在模擬地震低頻荷載損傷上效果良好，因此選擇Ductile damage 模型。

表1 加載制度參數表

從圖2中可以明顯發現，從耗能上使用了Ductile damage模型的滯回曲線比不考慮損傷的差，說明考慮損傷是有意義的。

2 焊接殘余應力模擬與分析

2.1 溫度場模擬

梁柱均采用Q235B，焊條采用E43[4]。建模時，焊縫與鋼材熱物理參數見表2。

表2 材料熱物理性能參數表

焊接溫度場模擬采用順序耦合法。焊接電流I=150 A，電弧電壓U=24 V，焊接速率V=5 mm/s，焊接效率η=0.75。模擬焊接順序為先焊梁下翼緣與柱翼緣對接處，再焊梁上翼緣與柱對接處。加熱時間均為56 s，冷卻時間為1 500 s，完成后冷卻至室溫20 ℃。圖3為焊接冷卻后溫度場分布云圖。圖3可以清楚地表明焊接所產生的熱源對梁柱節點所造成的溫度分布影響。

2.2 焊接應力場模擬

由圖4可知：殘余應力主要集中在焊縫及焊縫附近，并且焊縫(上)及焊縫(下)的殘余應力分布情況相似，距離焊縫中心越遠的區域應力分布越不明顯，應力越小。

3 節點抗震性能分析

3.1 材料力學數據

根據Weilian Qu[5]和西安理工大學的張成興[1]所得到Q235B鋼材的實驗數據，得到E=2.06×105MPa，泊松比ν=0.3，σy=235.0 MPa,εy=0.018,σu=345 MPa,εu=0.139，梁端施加位移荷載,加載制度見表1。

3.2 滯回性能分析

1)滯回曲線[6]。荷載-位移滯回曲線是衡量抗震性能的主要依據[7]，其越飽滿，耗能能力越強，抗震越好。圖5表示幾種情況在最大位移加載狀態時的滯回曲線分別為：NFS-不考慮焊接殘余應力不考慮損傷、NFS-W-考慮焊接殘余應力不考慮損傷、NFS-D-不考慮焊接殘余應力考慮損傷、NSS-WD-考慮焊接殘余應力考慮損傷。

圖5可以看出，試件的滯回曲線均呈梭形，無捏攏現象，且正負相的對稱性較好，但是飽滿程度有明顯差異。1)NFS滯回曲線明顯最飽滿，面積最大，有較好耗能能力，抗震性能更好。2)從剛度退化角度考慮：NFS-D、NFS-WD及NFS-W的剛度與NFS相比都有不同程度的退化，但是可以看出來NFS-WD退化最大，NFS-W次之，NFS-D再次之。3)從損傷角度來看：無論是NFS與NFS-D相比還是NFS-W與NFS-WD相比較，都可以發現損傷在大位移加載下節點出現較為明顯的承載能力下降，這說明損傷是對結構極限狀態有影響的。4)NFS-WD與前三個模型相比，滯回環面積最小，進入后幾個大位移荷載循環，承載力下降也最迅速，可以發現最接近實際工況下的模型是抗震性能最差的?？偟膩碚f，焊接應力的存在影響節點滯回曲線的變化規律。

2)骨架曲線。從圖6可以看出：(1)NFS其骨架曲線變化比較平緩，其延性最好。(2)NFS-D其骨架曲線與NFS相比，在位移荷載較大時出現分離，其延性與承載能力都下降了。(3)NFS-W其骨架曲線與NFS相比，可以發現其承載能力有些許上升，但是骨架曲線在后半段急劇下降，延性性能差了很多。(4)NFS-WD與NFS相比，其同樣是承載能力上升一點，但是骨架曲線后半段下降更迅速，延性是最差的，骨架曲線圖見圖6。

3.3 斷裂性能分析

為分析節點局部薄弱部位的變形和應力狀態，引入等效塑性應變指數和開裂指數作為評估斷裂特征的依據，定義兩條路徑，路徑為焊縫(上)邊緣。

1)等效塑性應變指數。等效塑性應變指數PI為等效塑性應變與屈服應變的比值，反映鋼材局部延性及斷裂傾向。從圖7可知NFS的等效塑性應變沿整個焊縫方向都比較小，NFS-WD最大，而NFS-D與NFS-W大小差不多，但是前者是兩端大，后者是中間大，說明損傷與溫度應力影響了開裂的位置，并且當二者結合起來時，溫度的影響大于損傷的影響，這從NFS-WD中可以看出來。

2)開裂指數。其用來描述發生脆性破壞的可能性，指數越大，該部位發生脆性斷裂的可能性就越大。研究表明，當20≤RI≤40時，易發生脆性斷裂；當RI>40時，構件非常危險，脆性斷裂可能極大，其分布見圖8。由圖可知溫度與損傷都會引起脆性斷裂加劇，并且二者引起的效果不一樣，溫度是引起開裂指數兩端大，而損傷是中間大，說明損傷與溫度應力影響了開裂的位置，并且當二者結合起來時，溫度的影響大于損傷的影響。

4 結 論

a.通過比較各個節點考慮焊接與否可知：考慮焊接殘余應力與不考慮焊接殘余應力差異較大，焊接殘余應力會引起滯回曲線面積變小，剛度退化加劇，承載能力稍微提升，但是延性下降迅速，對抗震不利。

b.通過比較節點考慮損傷與否可知：發現損傷對結構的剛度與延性都是有影響的，但是要在大位移加載的情況下才出現比較明顯的剛度退化與承載能力下降，這與現實也是相符的。

c.通過比較綜合考慮損傷與溫度的模型和既不考慮損傷也不考慮溫度的模型可知：前者在開裂指數和等效塑性應變指數都大很多，這意味著考慮損傷與溫度模型下其更容易開裂與斷裂，而現實的工程結構是有損傷與溫度的，因此鋼框架梁柱節點在安裝過程中產生的溫度與損傷在工程實際當中應該引起足夠的重視。

[1] 張成興,李 言,楊明順,等.Q235鋼薄板單點增量成形延性破損的有限元模擬[J].機械工程材料,2017,41(3):67-72.

[2] JGJ99—1998，高層民用建筑鋼結構技術規程[S].

[3] FEMA-350，Recommended Seismic design Criteria for New Steel Moment-frame Buildings[S].

[4] 王 薇.鋼框架板式加強型焊接節點的斷裂性能分析[D].青島:青島理工大學，2011.

[5] Qu Weilian.Refined Analysis of Fatigue Crack Initiation Life of Beam-to-column[J].Computational Materials Science,2012(58):131-139.

[6] GB50017—2003，鋼結構設計規范[S].

[7] GB50011—2010,建筑抗震設計規范[S].