焊接对栓焊混用节点螺栓承载力影响

查春光 齐荣庆

(1.北京新京润房地产有限公司，北京 100022;2.西南林业大学土木工程学院，云南昆明 650224)

作为三种主要的连接方式之一，栓焊连接在实际工程中的应用十分广泛。这种构造安装方便，避免了腹板焊接，减少现场焊接工作量，但栓焊混用连接的施工顺序对节点承载能力有一定的影响。我国JGJ 82-2011钢结构高强度螺栓连接技术规程规定:施工顺序宜在高强度螺栓初拧后进行翼缘的焊接，然后再进行高强度螺栓的终拧;当采用先终拧再进行翼缘焊接的施工工序时，腹板拼接高强度螺栓宜采用补拧或增加螺栓数量的10%。由于焊接工艺的不同，梁翼缘焊缝处的热量输入相差大，不同梁高导致热量扩散速度不同，规程要求的处理方式没有根据节点的不同进行相应的考虑。本文利用MSC.Marc有限元程序，考虑了几何非线性、接触非线性、材料非线性，建立了单板连接和双板连接工况下三组六个栓焊连接模型，分析板件中热应力分布及其随时间变化对螺栓预拉力影响，对比不同梁高与螺栓数量时，螺栓群承载力变化，并对螺栓群补拧区域提出建议。

1 模型建立

1.1 几个假定

1)忽略连接板与柱翼缘焊接过程并不计算其残余应力。因为连接板与翼缘的焊接往往都是在工厂中焊接完成，可以通过热处理减小焊接残余应力。这样的处理还可以减少有限元计算时间;2)焊接过程中不可避免的会产生各种如气孔、夹渣等焊接缺陷，模型忽略了这些缺陷;3)对螺栓连接副进行简化处理，不考虑螺栓头、垫圈与螺栓杆的材料属性差异，我们感兴趣的是螺栓杆的应力变化情况;4)连接顺序为先拧后焊、先焊上翼缘，后焊下翼缘。

1.2 梁柱节点模型

建立了单板连接和双板连接两种工况下三组共六个栓焊连接节点模型，分别命名为 DJ3，SJ3，DJ4，SJ4，DJ5 和 SJ5，梁、柱、连接板尺寸见表1。连接板厚度根据01SG519多、高层民用建筑钢结构节点构造详图［1］取值。梁、柱及连接板材质为Q235B。螺栓采用M20，10.9级摩擦型高强螺栓，材质为40Cr。焊缝采用E43焊条焊接。典型节点SJ4的有限元模型及节点域构造见图1，图2。

表1 模型尺寸

图1 SJ4节点有限元模型

图2 SJ4节点域构造

1.3 参数设置

1)弹塑性本构模型:钢材是一种典型的弹塑性材料，本文采用的屈服准则为Von Mises模型，该模型能很好的模拟材料的弹塑性行为。钢材应力—应变曲线选用二折线模型;2)单元选取:本模型采用三维实体单元构建，单元类型采用全积分HEX7号单元;3)接触设置:将螺栓、连接板及梁设为接触体，它们之间接触关系选为“touching”，摩擦系数为0.3;4)焊接模型［2］:焊接过程采用的是双椭球焊接热源模型，该模型能够灵活地模拟焊接全过程。该模型考虑了材料的热物理参数如弹性模量、线性膨胀系数、比热容等，而且还考虑了电弧力对熔池的影响，因此在球状热源模型中它被应用得最广泛;5)预紧力施加［3］:通过MPC法施加预紧力，预拉力142.7 kN。MPC法的基本思想是将螺栓杆有限元网格分成两个部分，在两部分之间形成一个裂口，在裂口之间两部分可以产生间隙或重叠。两部分只能在轴向运动，重叠会使两部分产生预拉应力，间隙引起压应力;6)焊接参数:根据焊接手册选取电压 24 V，电流 150 A，焊接效率取 0.9，焊接速度取4 mm/s［4］。

2 结果分析

本文的螺栓编号顺序为从上至下，从左至右，节点DJ3螺栓节点编号如图3所示，其余节点螺栓编号以此类推。螺栓增量步—应力关系曲线分布如图4～图9所示。

图3 节点模型DJ3螺栓编号

图4 DJ3节点螺栓荷载步—应力曲线

图5 SJ3节点螺栓荷载步—应力曲线

图6 DJ4节点螺栓荷载步—应力曲线

图7 SJ4节点螺栓荷载步—应力曲线

在模拟结果中，热量传递的路径为焊缝—梁翼缘—梁腹板—连接板—螺栓。因此，在焊接过程中，单板连接与双板连接的最大区别是，单板连接中的梁腹板受热膨胀未受连接板约束，而双板连接中梁腹板的膨胀则受两块连接板约束，不能自由膨胀。

图8 DJ5节点螺栓荷载步—应力曲线

图9 SJ5节点螺栓荷载步—应力曲线

图4，图6，图8是单板连接中螺栓应力变化曲线。从中可以看出，在单板连接中，部分螺栓应力会减小，其余螺栓应力略增大。在图4中，DJ3-B3，DJ3-B4号螺栓预拉力减小，这是因为该螺栓距离焊缝最远，该区域梁腹板应变最小，在总约束力不变情况下，当其他螺栓预拉力增大，它的预拉力减小。因此距离焊缝一定距离，预拉力减小，在图6、图8中亦可观察到该现象。

图5，图7，图9是双板连接中螺栓应力变化曲线。从中可以看出，双板连接情况下螺栓应力在焊接完成后都会有一定的增大，相应的预拉力会增大。由于腹板膨胀，两块连接板与螺栓构成对腹板的约束，应力增大，预拉力增大。

3 结语

1)单板连接的栓焊混合连接节点在焊接过程中部分螺栓预拉力会减小。2)焊接过程对螺栓预拉力的影响，随着螺栓与焊缝距离的增大而影响逐渐减小。建议在实际工程中栓焊混合连接节点应在焊接过后对高强螺栓进行补拧。3)双板连接的栓焊混合连接节点在焊接过程中所有螺栓预拉力会增大，在焊接冷却过程中表现的更明显。4)双板连接螺栓群的承载力整体提高，可以不考虑施工过程对节点连接承载力影响。

［1］01SG519，多、高层民用建筑钢结构节点构造详图［S］.

［2］刘劲松.MSC.Marc在材料加工工程中的应用［M］.北京:中国水利水电出版社，2010.

［3］吴道辉.巨型模锻压机结构载荷均匀传递及控制［D］.长沙:中南大学，2011.

［4］胡传炘.实用焊接手册［M］.北京:北京工业大学出版社，2006.