焊接残余应力对铝合金梁柱节点抗震性能的影响

李成华，郭 帅，杨凯元

(西安工业大学 建筑工程学院，西安 710021)

随着经济的发展、时代的进步以及社会发展理念的提升，未来绿色经济的可持续发展也愈来愈受到重视。铝合金本身具有耐腐蚀性强、维护成本低、比强度高、轻质、良好的强度以及较高的回收利用率等优点，是作为建筑结构新型材料较好的选择之一。除空间结构外，铝合金框架结构的研究也符合这一发展趋势。

节点作为框架结构的重要部位之一，对于铝合金结构整体力学性能的优劣至关重要。目前，焊接、机械连接、黏接3种方式作为铝合金构件的主要连接方式，其中焊接与机械连接较为普遍。焊接节点节省人工与材料成本，例如机械连接中，连接件的质量约为结构总质量的10%，而通过焊接可将比例降至4%左右[1]。材料在焊接后，焊缝及热影响区范围内材性不仅会出现一定程度的弱化，同时会出现对节点性能造成一定影响的高水平焊接残余应力和变形。相比于钢材，铝合金受到焊接热输入的影响更大，然而国内外对于铝合金梁柱焊接节点的研究尚不完善。文献[2]通过对箱型铝合金梁柱焊接节点力学性能的试验研究，得出箱型焊接节点具有良好的力学性能，提出了提高节点承载力与延性的节点加强措施。文献[3]采用纤维复合材料来加强铝合金梁柱焊接节点性能，通过静力试验研究验证了碳纤维布的有效性。节点抗震性能涉及节点的延性、承载力、耗能能力以及破坏模式等，为此，文中分析焊接残余应力对铝合金梁柱焊接节点抗震性能的影响，以期提高铝合金焊接节点框架结构整体力学性能。

1 有限元模型建立

1.1 模型参数

选取建筑领域内应用广泛的6061-T6铝合金材料。在进行构件设计时，设计依据主要从构件折减面积的确定、焊缝强度以及梁柱节点强度三方面考虑，分别参考《铝合金结构设计规范》(GB 50429—2007)[4]与《钢结构设计标准》[5](GB 50017—2017)进行验算。箱型柱截面参数取200 mm×200 mm×14 mm×14 mm、梁截面参数取100 mm×200 mm×6 mm×8 mm、柱高取1 650 mm、梁长取850 mm。柱横向隔板与梁翼缘等厚。模型示意图如图1所示。表1为各节点的命名和分组。

图1 有限元梁柱节点分析模型

表1 6061-T6铝合金节点类型命名与分组

以加强型节点与普通节点为研究对象，对有无残余应力两组情况下的各指标进行对比分析来研究焊接残余应力对铝合金梁柱焊接节点的影响。通过加入后缀Y与N来分别表示考虑残余应力模型与无残余应力模型。

建筑结构中，焊缝通常采用角焊缝与对接焊缝。在结构不同的受力要求下，焊缝分为全熔透与半熔透焊缝。文中梁翼缘与腹板处焊缝采用全熔透对接焊缝形式，焊根开口宽度取6 mm。盖板与梁翼缘焊接采用角焊缝形式。

1.2 梁端位移加载

低周循环有限元模拟的边界条件参照电液伺服加载系统加载条件进行设置。将柱两端固定，梁端模拟由固定端头加载板固定并进行位移加载。边界条件设置如图2所示。

图2 边界条件

根据文献[6]，按照一定位移变幅规律对梁端进行位移加载。低周往复循环有限元模拟通过位移控制，梁端位移加载初始位移为10 mm，然后以5 mm的增幅递增，在40 mm后每级增幅为10 mm，每级位移往复2次；最大位移为100 mm，每级往复3次。图3为位移加载制度。

图3 位移加载制度

2 结果分析

2.1 滞回分析

2.1.1 GND滞回曲线对比分析

采用热力耦合方式对梁柱节点焊缝进行数值模拟，以节点焊接模拟结果为基础，进行低周往复循环荷载数值模拟。

图4为GND有无残余应力滞回曲线及对比图，由图4可知无隔板普通节点的滞回曲线不够饱满，表明其抗震性能一般。梁节点在进入屈服阶段后，随着位移的增加，荷载又出现增长。结合等效应力分析，这是由于节点没有设置柱横向隔板，导致节点刚度较差，梁翼缘屈曲后，箱型柱逐渐开始分担节点处更多的荷载与塑性变形，最终造成滞回曲线进入弹塑性阶段后又出现上升的状况。通过两节点滞回曲线的对比发现，两节点曲线几乎完全重合，表明焊接残余应力对无隔板普通节点的滞回性能影响极小，可忽略不计。

2.1.2 GZD滞回曲线对比分析

图5为GZD有无残余应力滞回曲线及对比图，由图5可知两节点滞回曲线均呈较饱满的梭型，在每一级加载下，未考虑焊接残余应力节点的滞回曲线相较于考虑残余应力节点略微饱满，但差别不够显著。两节点在位移加载至60 mm左右时，均出现刚度退化，同时塑性变形能力降低，此时构件进入破坏阶段。相较于无隔板普通节点，其承载力提升较大，滞回性能较好，然而受到焊接残余应力的影响略大。

图4 GND滞回曲线

图5 GZD滞回曲线

2.1.3 GJD滞回曲线对比分析

图6为GJD有无残余应力情况下的滞回曲线以及对比图。由图6可知，加强型节点滞回曲线呈非常饱满的梭型，承载力较GND提高，较GZD提高，其具有很好的承载力与抗震性能，表明盖板对节点抗震性能的改善十分显著。对比发现，未考虑焊接残余应力的滞回曲线比考虑残余应力的滞回曲线略微饱满，两节点滞回曲线的发展趋势都非常相近，表明焊接产生的残余应力对盖板加强型节点的影响不够显著。与普通节点比较可知，加强型节点受到焊接残余应力的影响较明显。

通过各节点滞回曲线的对比分析表明，焊接残余应力对节点的滞回性能均造成了不利影响，承载力略微下降，滞回曲线没有无焊接残余应力情况下饱满；对于无隔板普通节点的滞回性能，节点形式占据主导地位，使焊接残余应力的影响并不十分明显，曲线也几乎完全重合；对于有隔板普通节点与盖板加强型节点，焊接残余应力的影响逐渐体现出来，其中加强型节点受到的影响略大于普通节点，然而，整体上焊接残余应力对节点滞回性能的影响不大。从节点类型分析可知，节点形式的改善使其滞回性能增强，承载力得到显著提升，即有更好的抗震性能。

图6 GJD滞回曲线

2.2 各节点骨架曲线分析

骨架曲线[7]反映了构件的强度值、刚度值、延性以及耗能能力等力学性能，同时得到节点不同阶段荷载与位移之间关系。图7为各节点在有无残余应力情况下的骨架曲线对比图。由图7可知，构件经历了弹性阶段，弹塑性变形阶段、以及破坏阶段。有无焊接残余应力两种情况下，节点骨架曲线几乎重合。无隔板普通节点的弹性及弹塑性阶段较长，表明其弹塑性变形能力较强。加强型节点与有隔板普通节点在弹性阶段的曲线发展趋势较为一致，然而进入弹塑性阶段后，加强型节点很快便进入破坏阶段(约65 mm处)，有隔板普通节点于位移加载至80 mm左右时进入破坏阶段。显然，有隔板普通节点的塑性变形能力优于盖板加强型节点。

图7 三节点骨架曲线对比

2.3 各节点延性分析

构件的延性[8]体现了构件弹塑性阶段的变形能力，一般通过延性系数这一指标来判断构件的塑性变形能力，延性系数有位移延性系数、转角延性系数和曲率延性系数。相比较而言，位移延性系数可以较好的反应构件延性的宏观延性特征，因此选取位移延性系数进行定量计算，衡量构件的弹塑性变形能力。节点位移延性系数见表2。

表2 节点位移延性系数

由表2分析可知，盖板加强型节点与有横隔板普通节点的延性系数均大于3.0，满足抗震延性要求。焊接残余应力对承载力、屈服荷载以及屈服位移的影响很小。

在有无焊接残余应力两种情况下，无柱横向隔板节点、有柱横向隔板节点以及盖板加强型节点的延性系数在残余应力的影响下减小，焊接残余应力对其节点延性的影响大小排序为GND>GJD>GZD。可见焊接残余应力会使节点的延性系数有所降低，由于无隔板普通节点的塑性铰离焊缝较近，加强型节点的焊缝数量较多，受力情况较为复杂，因此焊接残余应力对其延性的影响稍大。焊接残余应力虽然对各节点延性系数造成了不同程度的影响，然而从整体来看影响不大。

2.4 等效黏滞阻尼系数分析

滞回环的包络面积能够很好的反应结构的耗能能力。对于结构或构件耗能能力的定量计算，有两种常用指标，分别为能量耗散系数E与等效黏滞阻尼系数he。系数越大证明构件在地震中耗能越大，抗震性能越好。通过等效黏滞阻尼系数的定量计算来比较各节点耗能能力的优劣。

各节点有无残余应力情况下的等效黏滞阻尼系数见表3。

表3 等效黏滞阻尼系数

相比较而言，盖板加强型节点的耗能能力最好，无横隔板节点耗能能力较差。柱横向隔板使节点的耗能能力提升较大。而盖板加强型节点相较于有柱横向隔板普通节点耗能性能提升较小。各节点考虑有无残余应力两种情况的耗能能力排序为GJD-N>GJD-Y>GZD-N>GZD-Y>GND-N>GND-Y。无隔板普通节点，有隔板普通节点和盖板加强型节点的等效黏滞阻尼系数在焊接残余应力影响下均减小，加强型节点受到焊接残余应力的影响较大，普通节点受到的影响略小。然而，整体上焊接残余应力对节点耗能能力的影响不大。

3 结 论

1) 梁翼缘盖板使塑性铰有效外移，盖板加强型节点的承载力优于无隔板普通节点和有隔板普通节点。此外，加强型节点滞回曲线也更加饱满，其延性与耗能能力较好。说明加盖板加强型节点在受到地震作用时，具有更好的吸收能量的能力，相较于普通节点，盖板加强型节点具有较好的抗震性能。

2) 在焊接残余应力的影响下，盖板加强型节点、有隔板普通节点和无隔板普通节点的延性、耗能能力均降低。结果表明，由于盖板加强型节点焊缝数量多，焊缝残余应力分布复杂，其受到的焊接残余应力影响相对较大。普通节点受到焊接残余应力的影响程度极小，可见其滞回性能是由节点形式主导。整体上，焊接残余应力对节点承载力、延性以及耗能能力等影响较小，即对节点抗震性能影响不大。

3) 通过研究发现焊接残余应力对节点滞回性能的影响并不大，然而由于节点低周循环荷载模拟结果较为理想，实际上，构件在地震作用下，节点未达到理想变形时就已经发生断裂，因此焊接残余应力对各节点抗震性能的影响需进行进一步的分析和讨论。