有焊接缺陷梁柱节点累积损伤行为的研究

戚 蓝，赵芳兴，戚超龙,2(.天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；2.临沂大学建筑学院，山东 临沂 276005)

0 引 言

钢结构被认为是具有优良抗震性能的建筑结构，其在地震作用下可以产生较大的塑性变形，吸收地震能量，保持自身的结构稳定性。虽然钢结构有如此优越的抗震性能，但在强震作用下也会遭到破坏，如在1994年美国的北岭地震和1995年日本的阪神地震中，钢结构受到严重破坏[1]，破坏位置多位于梁柱焊接节点处，并且焊接节点的破坏原因主要与焊接因素相关。近年来国内外学者对焊接节点的抗震性能进行了一些研究：李国强等[2]对梁柱焊接节点的断裂行为进行了探讨，认为优化焊接质量及结构设计方案可提高梁柱焊接节点的承载力；焦燏烽等[3]通过梁柱的全焊节点和栓焊节点在地震作用下的非线性时程对比分析，认为栓焊节点的抗震力学性能更为突出；李杰等[4]探讨了狗骨式节点及典型梁柱焊接节点在地震作用下的损伤行为，计算表明狗骨式节点对地震能量有较好的吸收，损伤要小于普通焊接节点的损伤；吴艾辉等[5]结合有限元分析和物理试验，对比分析有无缺陷的角接T型节点，认为缺陷的分布和形态对焊接节点的强度有很大的影响；T. D. Righiniotis等[6]建立了简化二维裂纹模型来评估梁柱焊接节点的下翼缘焊缝稳定性；Kawabata Y等[7]分析了翼缘不同位置焊接缺陷对工厂焊接节点和现场焊接节点的影响。

焊接缺陷导致局部应力集中更为严重，使部分区域提前进入塑性阶段，对节点的抗震性能造成不利的影响。如前文所述，国内外学者对梁柱焊接节点进行了一定的研究，但仍有一定的局限性，文献[2]～[4]均是把节点作为匀质材料，并忽略焊接缺陷的影响；文献[5]对于焊接缺陷的研究只是局限于受拉状态，并不完全适用于梁柱节点的压拉混合状态；文献[6]对在腹板和上翼缘处的缺陷研究不足；文献[7]研究的焊接缺陷位于上下翼缘的两端，没有考虑翼缘中部及腹板处缺陷的影响。按照现有规范[8]对一级的焊缝要进行100%的检查，二级焊缝进行不小于20%的抽检，但是由于客观因素的存在，仍不能完全确保焊缝的无损性，因此研究焊接缺陷对节点抗震性能的影响显得非常重要。本文采用通用有限元软件ANSYS，建立梁柱节点的非线性有限元分析模型，结合国内外梁柱节点的典型试验，对比分析不同位置和尺寸的焊接残渣和裂纹在循环荷载作用下对节点损伤的影响。

1 损伤模型

对于承受循环荷载作用的结构，通常会发生疲劳破坏特征，根据循环次数，可分为高周疲劳破坏、低周疲劳破坏和超低周疲劳破坏3种主要形式[9]。①高周疲劳破坏：循环次数N>104次，应力和应变一般都在弹性范围内；②低周疲劳破坏：循环次数104>N>102，应力和应变会部分进入塑性阶段[10]；③超低周疲劳破坏：循环次数N<102次，应力和应变会进入深度塑性阶段。地震作用下结构的破坏一般属于超低周疲劳破坏的范畴，结构进入材料非线性区，累积损伤对结构的影响不容忽略。对于累积损伤问题的研究通常是引入损伤指数DM，表达式一般为[11]。

DM=f(Δ1,Δ2,…,Δn)

(1)

式中：Δ1,Δ2,…,Δn是反映结构力学性能变化的参数，称为损伤参数。

损伤指数DM应具有如下性质：

(1)损伤指数DM的范围应在[0,1]之间。当DM=0 时，对应无损状态；当DM=1时，表示结构或构件完全破坏；当0

(2)损伤指数DM应为单调递增函数，即结构损伤向着增大的方向发展，且损伤不可逆。

损伤指数DM一般主要包含以下3个方面[6]：以能量耗散为自变量，包括刚度、承载力及循环滞回能的退化；以变形为自变量，从构件塑性累积变形方面考虑损伤程度；综合考虑变形和能量双变量为自变量[12]。

为了符合损伤指数的定义、模型的通用性以及便于有限元中的应用，本文引入以应变为自变量的加权线性组合损伤模型[13,14]，本模型增大了最大变形对损伤影响的权重：

(2)

式中：εpm为荷载对结构造成的最大塑性应变；εpi为第i次加载时的塑性应变；εpu为材料的极限塑性应变；β为权重。

对于本算例中的型钢材料性能[11]，弹性模量E=2.1×105MPa，屈服强度σs=310 MPa，强度极限σb=445 MPa，屈服应变εs=0.001 62，极限应变εu=0.241 85，权重β=0.008 1。

2 有限元模型

2.1 梁柱节点

根据现行建筑抗震设计规范[15]，选用“强柱弱梁”设计，采用工字型钢柱和梁的型号分别为HM500×300、HM300×200，梁的长度为2 m。梁柱材料均为Q235级钢，所有节点焊缝均为全溶透焊缝，焊条为与母材相匹配的E43型焊材，考虑工艺孔的细部构造。节点结构如图1所示。

图1 梁柱焊接节点构造图Fig.1 Welded beam-to-column connection

2.2 焊接缺陷的考虑

焊接过程中会产生气孔、夹渣、裂纹及外观缺陷等焊接缺陷，这些缺陷减小了焊缝有效截面积，降低承载能力，产生应力集中，引起裂纹，降低疲劳强度[16]。在模型计算中，对于气孔缺陷，其形状似空心球体，可采用将空心球体加入到焊缝位置进行替换；对于内含夹杂物的焊接缺陷，由于夹杂物的强度和质量一般都小于周围金属的强度和质量，同时参照其他行业对焊接缺陷的模拟，也可采用空心球体来模拟残渣缺陷[17]；对于裂纹缺陷，可用厚度很小的空心长方体来模拟；由于外观缺陷容易发现排查，故本文不考虑焊缝的外观缺陷。

2.3 荷载条件及材料参数

在对地震作用的模拟中，一般以位移作为控制值，或以屈服位移的倍数作为控制值，或以荷载作为控制值。为便于有限元分析，本文在分析过程中借鉴文献[4]的加载模式，以荷载作为控制值，以振幅递增的循环荷载模拟地震，每次增幅为100 kPa。由于在试算过程中，竖向荷载为400 kPa时部分单元进入材料塑性区，故取500 kPa为第一次施加的荷载，分析中考虑梁的自重对结构的影响。加载历程如图2所示。对比其他文献的试验研究，本文以竖直方向的循环荷载来模拟地震作用。

图2 循环荷载加载历程曲线Fig. 2 Cyclic load scheme curves

2.4 计算模型

根据节点实际构造，为方便对节点的有限元分析，计算过程中节点按匀质材料处理，不考虑栓接对节点的影响。有限元分析以图3所示的节点构造为分析原型。采用20节点Solid95单元，共有56 839个节点，28 259个单元，有限元模型如图3所示。

图3 梁柱节点有限元模型Fig.3 FEA model of welded connection

3 有限元分析

梁所受荷载一般由楼板均布作用在梁的上翼缘，为了反应真实结构的荷载传递情况，在梁上翼缘施加均布竖向循环荷载。计算中材料非线性按照Von Mises 屈服准则及相关流动法则处理，采用多线性随动强化分析方法。材料泊松比为0.3，在循环荷载作用下的应力-应变关系参照文献[18]中所述的循环应力-应变关系。加载历程如前文所述见图2所示。

为得到节点中不同位置的焊接缺陷对节点损伤的影响，本文在节点不同位置采用近似替代法模拟焊接缺陷。考虑到结构的对称性，在节点上下翼缘及腹板的不同位置模拟焊接缺陷，缺陷位置如图4所示。

图4 梁柱节点焊接缺陷位置图Fig.4 The locations of weld defects

3.1 残渣对节点损伤的影响

[17]对焊接残渣的处理方法，本文分别用直径为2和5 mm的空心球体在前文所述位置模拟焊接残渣。模拟得到的塑性应变如图5所示，根据损伤模型计算得到损伤指数如图6所示。在循环荷载结束时，不同位置焊接残渣的节点损伤指数与无缺陷状态下节点损伤指数的比值如表1所示。分析计算结果得到：随着循环次数的增加，残渣位置的不同对节点造成的损伤差异逐渐增大。残渣位于翼缘外侧位置对节点损伤造成的影响较小，A处、G处有残渣的节点损伤指数均明显小于其他位置有残渣的节点损伤指数；位于腹板不同位置的残渣对节点损伤的影响也有一定的差异，腹板中部的焊接残渣对节点损伤的影响相对较小，而下部的焊接残渣对节点损伤的影响相对较大；F处有残渣的节点损伤指数最大，该处直径5 mm残渣和直径2 mm残渣的节点损伤指数分别为无缺陷节点损伤指数的2.24倍和1.89倍。残渣大小对节点损伤指数也有一定的影响，并且随残渣位置的不同而变化，残渣大小引起损伤指数的最大差异位于F处，F处直径5 mm残渣的节点损伤指数比直径2 mm残渣的节点损伤指数大19%。

表1 有焊接残渣节点与无缺陷节点损伤指数的比值Tab.1 The ratio of the damage index of joints with welds residue to that of joints without weld defect

图5 有焊接残渣梁柱节点在循环荷载下的塑性应变Fig.5 Plastic strain of welds with the residue

图6 有焊接残渣梁柱节点在循环荷载下的累积损伤指数Fig.6 Damage index of welds with the residue in different cycles

3.2 裂纹对节点损伤的影响

参考文献[6]对焊接裂缝的处理方法，本文分别采用0.1 mm×2 mm×5 mm及0.1 mm×2 mm×10 mm的长方体在前文所述位置模拟焊接裂纹。模拟得到的塑性应变如图7所示，根据损伤模型计算得到损伤指数如图8所示。在循环荷载结束时，焊接裂缝位于不同位置的节点损伤指数与无缺陷状态下节点损伤指数的比值如表2所示。分析计算结果得到：随着循环次数的增加，不同位置的焊接裂纹对节点损伤的影响不同，其中位于翼缘外侧位置A处、G处的裂纹对节点损伤造成的影响相对较小，这两处的节点损伤指数均明显小于其他位置有裂纹的节点损伤指数；腹板不同位置的裂纹对节点损伤指数的影响也有一定的差异，下部裂纹对节点损伤指数的影响较大，中上部裂纹对节点的损伤指数影响较小；F处有裂纹的节点损伤指数最大，该处长度10 mm裂纹和长度5 mm裂纹的节点损伤指数分别为无缺陷节点损伤指数的2.11倍和1.99倍。裂纹的长短对节点损伤指数也有一定的影响，并且随裂纹位置的不同而变化，裂纹长短引起损伤指数的最大差异位于G处，G处长度10 mm裂纹的节点损伤指数比长度5 mm裂纹的节点损伤指数大20%。

表2 有焊接裂纹的节点与无缺陷节点损伤指数的比值Tab.2 The ratio of the damage index of joints with welds crack to that of joints without weld defect

图7 有焊接裂纹梁柱节点在循环荷载下的塑性应变Fig.7 Plastic strain of welds with the crack

图8 有焊接裂纹梁柱节点在循环荷载下的累积损伤Fig.8 Damage index of welds with the crack in different cycles

通过前文的有限元模拟分析，在循环荷载作用下，焊接缺陷的类型、大小及所处位置对结构累积损伤均造成不同程度的影响，分析中不能简单地通过名义承载面积减去缺陷面积来计算。通过上述4组数据可以看出，F处的焊接缺陷对节点造成的影响最大，这与实际地震中下翼缘焊缝更容易发生脆断[19]相吻合。由计算结果可知工艺孔附近区域的焊接缺陷对结构的损伤造成的影响较大，这是由于工艺孔的存在造成了几何形状的突变，易形成应力集中，而附近的焊接缺陷导致局部应力集中更为严重。相较于同类型的缺陷，对大部分位置，缺陷体越大，对结构的损伤造成的影响越大。不同的荷载条件，焊缝对节点的损伤不同，在荷载幅较小的条件下，有缺陷节点的塑性变形与无缺陷节点的塑性变形相差不大，随着应力幅值的增大，有缺陷节点的塑性变形与无缺陷节点的塑性变形差值逐渐增大，导致节点损伤指数急剧上升。虽然荷载每步增量是固定值，但节点的塑性应变及损伤指数不呈线性增长，而是接近指数型增长，说明节点在部分单元进入塑性区后其承载能力显著下降。

4 结 论

根据对不同位置的焊接缺陷在模拟地震作用下的累积损伤的研究，得出以下结论。

(1)焊接缺陷不仅削弱节点的有效承载截面，对结构的累积损伤也会造成较大的影响，有焊接缺陷节点的损伤指数可达无缺陷节点的2.24倍，其与焊接缺陷的位置和尺寸存在较大的关系。在节点抗震分析过程中，应综合考虑焊接缺陷的分布和形态大小。

(2)梁柱焊接节点焊接缺陷位置和尺寸的不同对节点损伤的影响不同。其中两翼缘外侧位置的影响比内侧小，梁腹板下部位置缺陷的影响大于腹板上部和腹板中部的影响，对全截面损伤指数影响最大的焊接缺陷位于在腹板与下翼缘的交接处。因此在对梁柱节点的焊缝进行无损检测时，应重点对工艺孔附近的焊缝进行检测。

(3)焊缝缺陷对节点累积损伤指数的影响与荷载大小呈非线性关系，近似于指数型关系，说明节点在部分单元进入塑性区后其承载能力显著下降。

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