局部无焊孔焊接梁柱节点的抗震性能及其焊孔形式研究

摘要

钢结构凭借其良好的抗震性能和环境友好性在未来建筑的发展中具有广阔的前景。梁柱节点是多高层钢结构设计中的主要部分，其性能好坏直接决定着整体结构的安全性与可靠性。近年，国内外已针对焊接梁柱节点容易发生的破坏行为进行了一系列研究，提出了诸多新型节点形式。本文对《高层民用建筑钢结构技术规程》（征求意见稿）中依据中国实际提出的柱贯通型连接中的梁上翼缘无焊孔形式进行较为细致的数值模拟研究，主要内容和成果如下: (1)首先研究局部无焊孔节点形式。结合国外最新规范以及国内研究得到的新型焊孔形式设计了四组节点模型，每组中包括局部无焊接孔节点和腹板上下均有焊接孔节点。在热分析的相关理论基础上建立有限元模型，模拟梁上下翼缘对接焊缝和梁腹板角焊缝的施焊过程，分析焊接过程中的焊接温度场和应力应变场的分布规律。焊接温度场结果表明，本文使用的模拟方法与实际焊接过程得到的温度变化规律相符合，并且施焊过程中焊缝位置温度梯度较大;四组节点的分组对比结果显示，局部无焊孔可以有效降低梁上下翼缘对接焊缝的残余应力及应变，具有减小脆性破坏的可能性;四类局部无焊孔节点中，开FEMA孔与开扩大型孔的节点可以有效减小下翼缘对接焊缝中间位置的残余应力，而开JASS孔的节点可以减小下翼缘对接焊缝中间位置的残余应变。 (2)为了检查局部无焊孔节点对于节点断裂性能、延性性能以及极限承载力的改进作用，在焊接热分析的基础上对节点模型开展拟静力模拟分析。结果表明:局部无焊接孔节点可以避免梁上翼缘附近焊孔根部的应力集中效应，使得断裂破坏不易在该处出现;局部无焊孔节点对于梁上下翼缘对接焊缝的断裂性能也有一定的改善;局部无焊孔节点在构造上的特征，即梁上翼缘对接焊缝处没有焊孔、腹板削弱程度相对较小，使节点的极限承载力和耗能能力得到一定程度的提高。 (3)比较四类局部无焊孔节点发现:开扩大型孔的局部无焊孔节点会造成节点承载力和延性性能的降低，并且在弹塑性阶段，由于梁下翼缘板过早屈曲造成对接焊缝更容易发生断裂破坏，不作为优选对象;开FEMA孔的局部无焊孔节点可以最有效地降低梁下翼缘一侧焊孔根部的应力集中效应，对降低该处发生断裂破坏的可能性最为有效，还可以减少侧向失稳发生的可能性。建议在局部无焊孔节点中应用FEMA焊孔形式。 (4)针对无焊孔工艺的特点，讨论了三种加工细节对局部无焊孔节点性能的影响。其一是由于衬板的简化加工使衬板与梁腹板相交处存在未焊接的“人工裂缝”;其二是在两侧衬板与腹板相交形成的凹坑处放置“楔块”;其三是两侧衬板与腹板相交形成的凹坑用小电流填满然后正常施焊。第三种是标准的无焊孔工艺，本文之前的模型也都是使用这种工艺。三种有限元模型的分析结果对比表明:三类加工细节下的节点承载能力和延性性能几乎无差别;但是通过比较节点关键部位的三条路径的断裂性能，发现凹坑处放置“楔块”的办法可以缓解梁翼缘处的应变，实际应用时建议参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 钢结构的应用现状和发展趋势

1．2 钢结构节点研究的工程意义

1．3 梁柱节点的脆性破坏研究

1．3．1 梁柱节点脆性破坏模式

1．3．2 梁柱节点脆性破坏的原因

1．3．3 国外节点脆性破坏研究现状

1．3．4 国内节点脆性破坏研究现状

1．4 节点焊孔形式研究现状

1．5 本文研究的目的和内容

1．6 论文的构成

第2章 有限元软件及其分析方法的确定

2．1 ABAQUS软件的选用

2．2 有限元方法模拟焊接的基本理论

2．2．1 焊接有限元模型的简化

2．2．2 焊接热源模型的选取

2．2．3 焊接传热的基本形式

2．2．4 焊接热弹塑性理论

2．3 本文分析方法

2．4 本章小结

第3章 局部无焊孔节点焊接热分析

3．1 节点模型的建立

3．1．1 节点模型设计

3．1．2 材料属性参数

3．1．3 有限单元类型的选择

3．1．4 网格划分

3．1．5 约束条件

3．2 焊接过程温度场分析

3．3 焊接应力应变场分析理论

3．4 焊接应力应变场分组分析

3．4．1 焊接残余应力结果分析

3．4．2 焊接残余应变结果分析

3．5 局部无焊孔焊接热分析结果对比

3．5．1 残余应力场结果分析

3．5．2 残余应变场结果分析

3．6 本章小结

第4章 局部无焊孔节点拟静力模拟分析

4．1 拟静力模拟分析方法

4．1．1 加载制度

4．1．2 约束条件

4．1．3 ABAQUS求解设定

4．2 节点延性性能分组对比

4．2．1 滞回曲线

4．2．2 骨架曲线

4．2．3 主要延性指标的计算

4．2．4 分析结果对比

4．3 节点断裂性能分组对比

4．3．1 节点断裂性能分析方法

4．3．2 断裂性能评估的关键部位

4．3．3 不同应力路径断裂指标对比

4．4 局部无焊接孔节点的合理选择

4．4．1 焊接孔根部的Mises应力分析

4．4．2 节点的断裂性能比较

4．4．3 稳定性的比较

4．4．4 滞回曲线

4．4．5 骨架曲线

4．4．6 节点延性比较分析

4．5 本章小结

第5章 无焊孔加工细节对局部无焊孔节点性能影响

5．1 标准无焊孔加工

5．2 简化衬板加工的无焊孔加工

5．3 加楔块的无焊孔加工

5．4 模型建立和分析

5．5 有限元分析结果比较

5．5．1 节点滞回曲线比较

5．5．2 节点断裂性能比较

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研工作

致谢