侧板与梁翼缘对接焊缝对侧板加强型节点受力性能的影响分析
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摘要：本文采用ANSYS“生死单元”方法模拟侧板与梁翼缘处的施焊过程，在考虑焊接残余应力的基础上，对侧板加强型节点的受力性能进行研究。文章针对有无考虑焊接残余应力的两种有限元模型，分析了残余应力对节点应力分布、滞回曲线、延性系数、塑性转角等特性的影响。结果表明，焊接残余应力对侧板加强型节点整体受力性能的影响不明显，研究内容可为工程应用和理论分析提供参考。
关键词：焊接残余应力；侧板加强型节点；应力；延性
中图分类号：P755.1 文献标识码：A
目前，国内外学者针对钢框架梁柱改进型节点的研究已取得一定进展，研究表明改进型节点可以实现塑性铰外移的目的，有效提高节点的抗震性能[1-7]。但多数成果是在忽略焊接残余应力的基础上得到的，与实际受力情况存在一定误差，为了能够更加准确地反映出改进型节点的力学特征，并就不同位置焊缝对节点影响强弱进行比较，本研究在前期考虑侧板加强型节点梁柱连接焊缝影响的基础上[8]，针对侧板与梁翼缘之间连接焊缝的残余应力对该类改进型连接的受力性能特征进行了详细的分析，研究结果对新型节点的推广应用有实际意义。
模拟焊接残余应力的节点有限元模型
为了能够充分反映出焊接残余应力对节点的影响，本文参考试验试件SPS-1（2）[9]分别建立了有限元模型SPB（考虑侧板与翼缘之间焊缝，如图1）和SPC（不考虑焊接残余应力），各模型具体尺寸、网格划分如表1、图2、图3所示。
图1SPB模型考虑的焊缝位置 表1模型尺寸
试件编号 加强板规格 试件区分
SPB-1 -9˟50 ˟220 仅考虑侧板与梁翼缘焊缝
SPB-2 -9˟40 ˟170 仅考虑侧板与梁翼缘焊缝
SPC-1 -9˟50 ˟220 不考虑焊缝影响
SPC-2 -9˟40 ˟170 不考虑焊缝影响
SPS-1 -9˟50 ˟220 试验试件
SPS-2 -9˟40 ˟170 试验试件
注：梁截面为HN300×150×6.5×9，柱截面为HW250×250×9×14
（a）SPB(C)-1 （b）SPB(C)-2
图2 节点的几何尺寸 图3 有限元分析模型及网格划分
焊接温度场模拟及焊接残余应力分布
在本研究中，采用ANSYS生死单元法模拟实际焊接过程[10]。设定每道焊缝的焊接、冷却时间为均1500秒，图4以试件SPB-1为例给出了的侧板与梁翼缘之间焊缝的焊接及冷却过程的温度场分布。
（a）10s （b）100s （c）1000s （d）1500s
（e）1510s （f）1600s （g）2500s （h）3000s
（i）3010s （j）3100s （k）4000s （l）4500s
（m）4510s （n）4600s （o）5500s （p）6000s
图4 SPB-1 焊缝及影响区随时间变化温度场
图5SPB-1梁翼缘与侧板等效残余应力
在对侧板加强型节点进行了如图4所示的焊接过程模拟的基础上，本研究以SPB-1为例给出了侧板与梁翼缘焊缝等效残余应力的模拟结果，如图5所示，从图中可以看出，焊接残余应力主要集中分布在焊缝及其影响区，随着离焊缝距离的增加，焊接残余应力迅速减小，在节点大部分位置焊接残余应力为0。
节点受力性能影响分析
在考虑侧板与梁翼缘对接焊缝影响的前提下，本研究选用文献[***]中的材料的应力-应变曲线及试验加载制度，对侧板加强型节点应力分布、滞回曲线、延性系数、塑形转角、阻尼系数等延性特征进行了分析、研究，并对SPB系列试件与SPC试件进行了对比分析，从而得出侧板与梁翼缘处焊接残余应力对节点延性特征的影响规律。
应力云图对比
为了反映侧板与梁翼缘处焊接残余应力对加强型节点延性特征的影响，同时节省文章篇幅，图6给出了SPB-1、SPC-1有限元模型每隔两级加载后的应力云图，图中显示，SPB与SPC试件的应力云图特征较为相似，尤其在弹性阶段，节点的应力从大小、范围、分布规律均无显著差别；当节点进入弹塑性阶段和破坏阶段后， SPB系列节点从应力分布范围来说分布较为广阔，且分布规律较为复杂，在焊缝附近应力增大，但对节点应力整体分布以及节点最终的破坏形态影响不明显，这说明焊接残余应力仅在一定范围内，即焊缝附近对节点产生影响，其余位置应力分布规律与未考虑焊接残应力的SPC模型基本一致，因而从应力云图角度分析，焊接残余应力仅会对节点的局部破坏产生一定的影响，对整体受力影响不明显。
SPB-1 SPC-1 SPB-1 SPC-1
(a) 荷载等级一 (b) 荷载等级三
SPB-1 SPC-1 SPB-1 SPC-1
(c) 荷载等级五 (d) 荷载等级七
SPB-1 SPC-1 SPB-1 SPC-1
(e) 荷载等级九 (f) 荷载等级十一
图6 SPB(C)-1应力云图对比分析
应力路径对比分析
图7 路径示意图
本研究根据美国及日本的震后资料以及本团队的前期的试验现象，找到侧板加强型节点易发生破坏的位置，一般在梁柱连接焊缝、侧板端部截面变化处，为了能够更加清楚地反映节点危险位置的应力变化规律，本文针对如图7所示的三条关键路径对侧板加强型节点的应力分布规律进行分析研究，来讨论焊接残余应力对节点不同位置应力分布的影响。
(a)路径一 (b)路径二 (c)路径三
图8SPB(C)-1试件应力对比
(a)路径一 (b)路径二 (c)路径三
图9SPB(C)-2试件应力对比
由图8（a）、图9（a）可以看出，节点应力沿路径一分布较为复杂， SPB系列试件的应力范围略广于SPC系列，在图10（a）中SPB-2的曲线在侧板与翼缘连接处，即焊缝附近出现了应力峰值，但总体来说，侧板与梁翼缘间的焊接残余应力对于路径一而言影响不大，曲线无明显规律可循，仅在侧板、梁翼缘、柱翼缘相交处出现突变。
由图8（b）、图9（b）可见，节点应力沿路径二呈规律的“几”字形分布，考虑残余应力影响的SPB系列构件的应力数值在侧板与梁翼缘连接处明显大于SPC构件，在梁翼缘中部区域二者的应力曲线几乎完全重合，这一现象与图6的应力云图分布规律相吻合，即焊接残余应力仅在焊缝附近对节点产生影响。从数值来说，节点沿路径二的应力明显大于沿路径一的应力。
由图8（c）、图9（c）可见，SPB和SPC系列试件的应力曲线基本重合，出现这一现象的原因在于路径三位于远离侧板与梁翼缘焊缝的区域，受到残余应力的影响较微弱。应力曲线在梁柱翼缘根部较小，随后出现一个明显的增幅，在侧板端部应力出现逐步递减的趋势，这一规律充分说明，无论是否考虑焊接残余应力，侧板加强型节点都可顺利实现塑性铰外移的目的。
（1）滞回曲线
SPB、SPC和SPS系列模型的滞回曲线及对比曲线如下图10所示。
（a）SPB-1 （b）SPC-1 （c）SPS-1 （d）SP-1滞回曲线对比
（e）SPB-2 （f）SPC-2 （g）SPS-2 （h）SP-2滞回曲线对比
图10 各构件滞回曲线及对比
通过图10（a）、（b）、（e）、（f）对比分析可以看出，SPB和SPC系列试件的滞回曲线较为饱满，曲线走势基本一致，表明节点具有良好的塑性变形能力，相比之下试验试件SPS的滞回曲线不够饱满，这与试验受到很多不确定性因素的影响有关。图10（d）、（h）为各试件的滞回曲线对比图，由图可见，SPB和SPC系列试件的曲线几乎完全重合，该现象表明侧板与梁翼缘连接处焊接残余应力对节点滞回性能的影响不明显。
（2）承载力及延性系数
表2中给出了侧板加强型节点有限元及试验试件的位移、承载力及延性系数的具体数据。
表2 承载力及延性系数对比
项目 SP-1 SP-2
数模结果 试验数据 数模结果 试验数据
SPB-1 SPC-1 差别 SPS-1 SPB-2 SPC-2 差别 SPS-2
极限位移u/mm 56.88 61.5 -8.1% 80.9 56.4 70.4 -24.8% 79.4
极限承载力Pu/kN 147.64 146.41 0.82% 157.2 136.9 151.24 -10.47% 153.72
屈服位移y/mm 16.26 16.43 -1.04% 23 15.53 16.87 -8.6% 21.34
屈服荷载Py/kN 121.68 118.6 2.6% 123.7 115.87 125.5 -8.3% 116.4
延性系数/μ 3.498 3.74 -6.9% 3.52 3.63 4.2 -5.8% 3.72
由表中可见，对于极限承载力来说SPB-1和SPC-1相差0.82%，SPB-2和SPC-2相差10.47%，而对于屈服荷载来说以上两组试件分别相差2.6%和8.3%，究其原因在于有限元模拟结果的离散性，以及加强侧板的几何尺寸差异。有限元模型和试验试件的延性系数均达到大于3的抗震要求，说明改进型侧板加强型节点具有良好的延性性能。SPB系列试件的延性系数小于SPC系列，即焊接残余应力对于节点的延性有一定的影响，但影响较小，最大差别仅达到6.9%。
（3）延性转角
通过对表3中模型转角的对比可知，各试件均满足塑形转角大于3% rad,总转角大于5% rad的抗震要求，且试验试件的数据小于有限元模型，而对于有限元模型来说，无论是否考虑焊接残余应力，两组侧板加强型节点的总转角均未发生任何变化，塑形转角最大差距也仅有1.34%，因此，焊接残余应力对于侧板加强型节点的延性转角的影响较小。
表3 各构件延性转角对比
项目 SP-1 SP-2
数模结果 试验数据 数模结果 试验数据
SPB-1 SPC-1 差别 SPS-1 SPB-2 SPC-2 差别 SPS-2
塑性转角θ/%rad 5.238 5.24 -0.38% 3.94 5.29 5.22 1.34% 3.92
总转角θ总%rad 6.0 6.0 0% 5.29 6.0 6.0 0% 5.32
（4）等效粘滞阻尼系数
表4中给出了各构件的等效粘滞阻尼系数的对比，SP-1系列构件考虑焊接残余应力的有限元模型差别达到10.9%,而SP-2仅为1.8%，这与数值模拟结果的离散性以及侧板的几何形状有关。
表4 等效粘滞阻尼系数对比
项目 SP-1 SP-2
数模结果 试验数据 数模结果 试验数据
SPB-1 SPC-1 差别 SPS-1 SPB-2 SPC-2 差别 SPS-2
等效粘滞阻尼系数he 0.52 0.469 10.9% 0.51 0.522 0.513 1.8% 0.411
通过对考虑焊接残余应力的SPB模型与未考虑焊接残余应力的SPC模型在应力云图、应力路径分布、滞回曲线、承载能力、延性系数、塑性转角和等效粘滞阻尼系数等多方面的对比分析可知，侧板与梁翼缘连接焊缝处产生的焊接残余应力对于节点的延性力学特征影响不明显。
结论
（1）有无考虑残余应力均实现了塑性铰外移，适当地保护了梁端对接焊缝。
（2）侧板与梁翼缘对接焊缝对于侧板加强型改进节点的延性力学特征影响不大。
综上所述，结合本研究团队已经取得的研究成果[8]可知，侧板与梁翼缘连接处的焊接残余应力对侧板加强型节点强度及延性性能影响不大，但对节点发生脆断可能性的影响较为显著。
参考文献
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