焊接应力与损伤对钢框架梁柱节点抗震分析

周文俊，孙婷婷,杨子涵

(武汉理工大学土木工程与建筑学院，武汉 430070)

无论是采用焊接螺栓，或者是双焊混合连接，钢结构构件之间的连接处最薄弱。研究表明大多数破坏都是发生在结构连接处。近年来全球发生过多次破坏极大的地震，如 2008年中国汶川大地震，大量钢框架梁柱焊接节点出现脆性断裂，研究表明，焊接残余应力是导致这种情况的重要因素之一。而通过考虑损伤可以更加真实地研究焊接节点的残余应力对节点抗震性能的影响，从而为钢结构设计、选材和施工等方面提供参考。

1 损伤模型的选择与分析

ABAQUS中符合延性金属损伤的损伤模型只有Jason-Cook模型与Ductile damage 模型。由于模拟的模型单元与节点数在几十万以上，而Johnson-Cook损伤模型是Explicit 动力显示算法，滞回曲线模拟时间代价太大，且体现不出其模拟冲击与爆炸等大动力载荷良好的优势，而Ductile damage 模型在模拟地震低频荷载损伤上效果良好，因此选择Ductile damage 模型。

表1 加载制度参数表

从图2中可以明显发现，从耗能上使用了Ductile damage模型的滞回曲线比不考虑损伤的差，说明考虑损伤是有意义的。

2 焊接残余应力模拟与分析

2.1 温度场模拟

梁柱均采用Q235B，焊条采用E43[4]。建模时，焊缝与钢材热物理参数见表2。

表2 材料热物理性能参数表

焊接温度场模拟采用顺序耦合法。焊接电流I=150 A，电弧电压U=24 V，焊接速率V=5 mm/s，焊接效率η=0.75。模拟焊接顺序为先焊梁下翼缘与柱翼缘对接处，再焊梁上翼缘与柱对接处。加热时间均为56 s，冷却时间为1 500 s，完成后冷却至室温20 ℃。图3为焊接冷却后温度场分布云图。图3可以清楚地表明焊接所产生的热源对梁柱节点所造成的温度分布影响。

2.2 焊接应力场模拟

由图4可知：残余应力主要集中在焊缝及焊缝附近，并且焊缝(上)及焊缝(下)的残余应力分布情况相似，距离焊缝中心越远的区域应力分布越不明显，应力越小。

3 节点抗震性能分析

3.1 材料力学数据

根据Weilian Qu[5]和西安理工大学的张成兴[1]所得到Q235B钢材的实验数据，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，梁端施加位移荷载,加载制度见表1。

3.2 滞回性能分析

1)滞回曲线[6]。荷载-位移滞回曲线是衡量抗震性能的主要依据[7]，其越饱满，耗能能力越强，抗震越好。图5表示几种情况在最大位移加载状态时的滞回曲线分别为：NFS-不考虑焊接残余应力不考虑损伤、NFS-W-考虑焊接残余应力不考虑损伤、NFS-D-不考虑焊接残余应力考虑损伤、NSS-WD-考虑焊接残余应力考虑损伤。

图5可以看出，试件的滞回曲线均呈梭形，无捏拢现象，且正负相的对称性较好，但是饱满程度有明显差异。1)NFS滞回曲线明显最饱满，面积最大，有较好耗能能力，抗震性能更好。2)从刚度退化角度考虑：NFS-D、NFS-WD及NFS-W的刚度与NFS相比都有不同程度的退化，但是可以看出来NFS-WD退化最大，NFS-W次之，NFS-D再次之。3)从损伤角度来看：无论是NFS与NFS-D相比还是NFS-W与NFS-WD相比较，都可以发现损伤在大位移加载下节点出现较为明显的承载能力下降，这说明损伤是对结构极限状态有影响的。4)NFS-WD与前三个模型相比，滞回环面积最小，进入后几个大位移荷载循环，承载力下降也最迅速，可以发现最接近实际工况下的模型是抗震性能最差的。总的来说，焊接应力的存在影响节点滞回曲线的变化规律。

2)骨架曲线。从图6可以看出：(1)NFS其骨架曲线变化比较平缓，其延性最好。(2)NFS-D其骨架曲线与NFS相比，在位移荷载较大时出现分离，其延性与承载能力都下降了。(3)NFS-W其骨架曲线与NFS相比，可以发现其承载能力有些许上升，但是骨架曲线在后半段急剧下降，延性性能差了很多。(4)NFS-WD与NFS相比，其同样是承载能力上升一点，但是骨架曲线后半段下降更迅速，延性是最差的，骨架曲线图见图6。

3.3 断裂性能分析

为分析节点局部薄弱部位的变形和应力状态，引入等效塑性应变指数和开裂指数作为评估断裂特征的依据，定义两条路径，路径为焊缝(上)边缘。

1)等效塑性应变指数。等效塑性应变指数PI为等效塑性应变与屈服应变的比值，反映钢材局部延性及断裂倾向。从图7可知NFS的等效塑性应变沿整个焊缝方向都比较小，NFS-WD最大，而NFS-D与NFS-W大小差不多，但是前者是两端大，后者是中间大，说明损伤与温度应力影响了开裂的位置，并且当二者结合起来时，温度的影响大于损伤的影响，这从NFS-WD中可以看出来。

2)开裂指数。其用来描述发生脆性破坏的可能性，指数越大，该部位发生脆性断裂的可能性就越大。研究表明，当20≤RI≤40时，易发生脆性断裂；当RI>40时，构件非常危险，脆性断裂可能极大，其分布见图8。由图可知温度与损伤都会引起脆性断裂加剧，并且二者引起的效果不一样，温度是引起开裂指数两端大，而损伤是中间大，说明损伤与温度应力影响了开裂的位置，并且当二者结合起来时，温度的影响大于损伤的影响。

4 结 论

a.通过比较各个节点考虑焊接与否可知：考虑焊接残余应力与不考虑焊接残余应力差异较大，焊接残余应力会引起滞回曲线面积变小，刚度退化加剧，承载能力稍微提升，但是延性下降迅速，对抗震不利。

b.通过比较节点考虑损伤与否可知：发现损伤对结构的刚度与延性都是有影响的，但是要在大位移加载的情况下才出现比较明显的刚度退化与承载能力下降，这与现实也是相符的。

c.通过比较综合考虑损伤与温度的模型和既不考虑损伤也不考虑温度的模型可知：前者在开裂指数和等效塑性应变指数都大很多，这意味着考虑损伤与温度模型下其更容易开裂与断裂，而现实的工程结构是有损伤与温度的，因此钢框架梁柱节点在安装过程中产生的温度与损伤在工程实际当中应该引起足够的重视。

[1] 张成兴,李 言,杨明顺,等.Q235钢薄板单点增量成形延性破损的有限元模拟[J].机械工程材料,2017,41(3):67-72.

[2] JGJ99—1998，高层民用建筑钢结构技术规程[S].

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

[4] 王 薇.钢框架板式加强型焊接节点的断裂性能分析[D].青岛:青岛理工大学，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，钢结构设计规范[S].

[7] GB50011—2010,建筑抗震设计规范[S].