多向角焊缝连接矩形钢管的抗弯特性研究_史云中.pdf

第 卷 第 期 年 月石河子大学学报（自然科学版）（）收稿日期：基金项目：四川省科技计划（）作者简介：史云中（），男，硕士研究生，专业方向为组合结构研究，：。通信作者：王志宇（），男，副教授，从事组合结构研究，：。：.文章编号：（）多向角焊缝连接矩形钢管的抗弯特性研究史云中，王志宇，何明德，祝轲（四川大学建筑与环境学院土木工程系，四川 成都；中铁二局集团装饰装修工程有限公司，四川 成都）摘要：多向角焊缝是角焊缝的重要组成部分，目前对角焊缝研究主要集中于单向角焊缝，较少涉及到均由斜向角焊缝组成的多向角焊缝，因此，本文以福州地铁 号线营前站幕墙龙骨节点为工程背景，设计制作 根多向角焊缝试件，采用有限元软件建立试件同类型模型，再考虑焊缝长度及段数等因素，基于 规范提出的多向角焊缝强度折减系数，推导出正应力和剪应力组合作用下组合应力理论计算公式。结果表明：合理加长中连接板和焊缝长度会降低延性，但对于提高承载力效果显著，约为.倍；合理的焊缝倾斜角度和焊脚尺寸等参数对此类结构跨中截面承载力有影响，相比而言后者的影响更显著；多向角焊缝与单向角焊缝形态和受力上存在差异。本文研究结果表明对多向角焊缝的研究具有重要意义，多向角焊缝的研究能为工程节点设计及安全性分析提供理论基础和指导。关键词：角焊缝；多向焊缝；受弯承载力；组合应力；延性中图分类号：.；文献标志码：，（，；，）：，.，：；曲面矩形钢管结构因不规则造型，其节点可能由多条不同角度的斜向角焊缝组成的多向角焊缝连接，例如福州地铁 号线营前站多曲面幕墙龙骨节点。多向角焊缝与普通角焊缝形态和受力上存在区别并且几何形态复杂，计算和设计方法不能直接沿用普通角焊缝计算方法，但多向角焊缝节点在实际工程应用更多，对该节点的研究具有重要理论意义和工程应用价值。多向角焊缝节点在搭接板转角处常常是连续施焊，目前，国内外对围焊类角焊缝研究较为成熟。石河子大学学报（自然科学版）第 卷 等研究表明焊接的顺序直接导致板间焊缝起始与结束附近的残余应力发生改变，横向残余应力受此影响较大，其他区域受的影响反而不大；等发现当强度不匹配时，母材强度高会使焊缝塑性区受抑制而局限在焊缝附近区；等发现采用单道焊和多道焊焊接顺序的试件横向残余应力沿表面、厚度方向有剧烈变化，应力值发生显著变化；王新峰等对轴向力下三面围焊研究发现正面焊缝应力高于侧面焊缝应力，正面焊缝应力沿焊缝长度对称分布，基板侧焊趾处应力及连接板焊根处应力大；宁磊发现三面围焊角焊缝焊趾处应力值最高，应力集中系数随板厚增加而减小，板厚增加一定程度后系数趋于稳定，应力集中系数随角钢厚度增加而增加，加大焊脚尺寸系数下降；孙红通过受拉试验分析多向角焊缝节点力学性能，考虑包括韧性不兼容影响、焊缝段长度和焊缝段间相互作用在内的若干因素对多向角焊缝节点受力性能的影响，最终导出多向角焊缝节点承载力设计表达式；曹瑞泽基于钢框架盖板加强型节点试件的单调拉伸试验研究焊缝的断裂行为，发现试件出现梁翼缘颈缩变形断裂及加强板端部角焊缝脆性断裂破坏现象；施刚从微观断裂力学角度研究 钢角焊缝搭接接头断裂行为并进行有限元分析，有限元模型中采用试验标定的断裂参量，可有效地预测正面角焊缝破坏行为，得出延性起裂荷载（极限承载力状态）；张有振等、杨璐等基于双相型 与奥氏体型 不锈钢正、侧面角焊缝连接试件拉伸试验研究角焊缝受力性能，结果表明正面角焊缝呈约 不规则撕裂破坏，侧面角焊缝断裂破坏呈 平整裂状，正面角焊缝抗拉强度是侧面角焊缝剪切强度.倍。目前，各国的钢结构设计规范主要是针对单向角焊缝，并给出了设计方法，而针对多向角焊缝的很少，如加拿大钢结构规范 采用多向角焊缝强度折减系数来考虑焊缝段之间相互作用的影响，另外，现有的规范和文献仅考虑了剪切应力或拉应力，并且只针对强度得出了计算公式，并未考虑延性等其他受力性能。因此，本文针对包括焊缝长度、段数等两类构造的多向角焊缝试件开展静载受弯试验，研究由斜向角焊缝段组成的多向角焊缝受力特性，并通过试验对有限元分析结果进行验证，研究焊缝倾斜角度和焊脚尺寸等参数对其正截面强度的影响，验证正截面强度计算理论的准确性，旨在为保证适应于钢管组合梁及其它组合结构的焊接连接可靠性提供理论基础，以及进一步确定连接等部位损伤发展、疲劳应力特性和破坏模式分析提供数据支持。试验概况.试件设计 本文参照 钢结构设计规范及 欧洲规范 设计 根试件，试件材料均采用 钢材，焊缝焊条采用 型，采用 作保护气体。根试件分为 种构造类型 和，类型试件包含 根尺寸构造相同的试件、，试件参数见表。表 试验构件参数单位：类型 试件编号空心矩形钢管支座支座上钢片中连接板中连接板垫片焊缝.注：、和 分别表示空心矩形钢管的长度、宽度和壁厚；、和 分别表示支座的长度、宽度和厚度；、和 分别表示支座上钢片的长度、宽度和厚度；、和 分别表示中连接板的长度、宽度和厚度；、和 分别表示中连接板垫片的长度、宽度和厚度；为焊缝总长度；为试件焊脚尺寸。.测点布置 在水平矩形钢管距离支座、布置量程、分辨率.的位移传感器（以下简称位移计）、，测定钢管位移值，测点见图、图；在倾斜的矩形钢管上布置应变片，测定受力过程中钢管的应变值，由静态应变采集箱采集，和 在焊缝长度接近钢管边长面上的 个三等分点布置 个应变片，同一水平线的 个应变片距离焊趾分别为.和.，为空心矩形钢管壁厚；较短焊缝面上焊缝长度的 个三等分点错位布置 个应变片，个应变片距离焊趾分别为.和.，为空心矩形钢管壁厚，测点布置见图。第 期史云中，等：多向角焊缝连接矩形钢管的抗弯特性研究 图 试件尺寸图图 焊缝模型图图 试件尺寸图图 焊缝模型图图 应变片测点布置（单位：）.加载方案 采用电液伺服试验机对试验试件施加跨中集中荷载（图）。正式加载前先完成预加载，以消除各部位安装连接间隙，并测试装置工作是否正常；试验中采用分级递增加载，采用位移控制加载过程，直至试件破坏或荷载降到.倍极限荷载时结束试验。图 试验加载装置 试验结果及分析.试件破坏及裂纹开展模式 和 试件的试验现象类似，主要过程如下：随着荷载的增大，试件逐渐进入弹塑性工作阶段，表现为跨中焊缝附近钢梁表面的锈皮脱落；随后位于焊缝截面最底部的最不利焊点先被拉裂，焊缝逐渐被拉裂，中连接板与正放钢管底部焊缝也出现裂缝，受压区焊缝少量裂纹产生，中连接板底部裂缝和受拉区裂缝持续开裂；当加载至极限荷载时，在正应力和剪应力的组合作用下，焊缝裂缝迅速向上发展，最终导致试件破坏。不同的是，类型试件由于中连接板和焊缝长度更长，扭转效应更明显。个试件焊缝破坏形状见图。图 试件焊缝破坏形状.荷载位移曲线分析加载过程中试件跨中截面荷载位移曲线（图）显示：试件的荷载位移曲线呈现四折线特 石河子大学学报（自然科学版）第 卷征，加载初期曲线靠近纵轴，近似呈线性关系。当加载至约.时，图形由近似直线变为曲线，出现第 个转折点，这是由于焊缝弹性阶段结束，焊缝开始小部分出现不可逆破坏造成的。继续加载至 附近，曲线出现第 个转折点，在这一阶段，由于焊缝下部受拉区焊缝已经屈服，塑性应变和跨中加载位移增大而焊缝应力基本维持不变，在荷载位移图上大致是一条水平线，形成类似于“塑性铰”之类的结构，即试件在达到极限荷载后，荷载的变化虽小，但跨中截面位移增量却很大，这意味着在截面承载力没有明显变化的情况下，具有较大的变形能力，即具有较好的延性。此阶段过后，部分焊缝达到极限应变，开始退出工作，中性轴向上移动，试件跨中发生相同位移，所需要的力越来越小，荷载位移曲线开始下降。和 的最大承载力分别为.、.，由于焊缝质量不同，试件的“塑性铰”阶段位移增加较小就结束了，即 试件延性好于 试件。图 跨中截面荷载位移曲线对 进行相同的静力加载试验，测得 的最大荷载为.，与没有中连接板而只是在空心矩形钢管接触点采用对接焊缝的 最大承载力比值约为.，但“塑性铰”时期更短，延性小于 类型试件，与 试件的最大承载力比值约为.。原因分析如下：试件焊缝总长度 约为 试件的 倍，在加载方式和焊缝质量无明显差异情况下，由于 中连接板较长，扭转效应虽然更明显，但扭转应力是出现在矩形中连接板的长边和短边中点，只对个别焊点影响较大，但对整体承载力无较大影响。试件受弯承载力理论分析.计算假定 （）在集中荷载下，焊缝截面受力满足平截面假定；钢材和焊缝本构关系参照理想弹塑性应力应变关系。（）类型试件将焊缝分解成 段，段焊缝长度与空心矩形钢管边长 的关系为：，并令 （.）、.、.、，.、.、.、.（.），参数见图。（）类型试件将焊缝分解成 段，段焊缝长度与空心矩形钢管边长 的关系为：，（.），（.），并令 （.）（.）、（.）、（.）（.）（.）、.、（.）、.、.、.、.（.），参数见图。（）不考虑人为施焊等因素对焊脚尺寸及焊缝质量的影响，焊脚尺寸 两种构造试件都相同且为定值；剪应力由焊缝均匀承担且不考虑构件整体扭转效应。.组合应力 在求解焊缝截面组合应力之前需求得焊缝截面对于其形心的惯性矩，由于焊缝较复杂，不能直接计算，根据惯性矩的定义可知，组合截面对于某坐标轴的惯性矩等于其各个组成部分对于同一坐标轴的惯性矩之和，如前文假设，将焊缝分段分别求惯性矩，再求和。多向角焊缝需要考虑韧性不兼容影响和焊缝段之间相互作用的影响，不能把各焊缝段的极限承载力直接相加。故本文剪应力的计算根据提出多向角焊缝强度折减系数的 规范中的公式进行计算：.（.），（）式（）中 为焊缝段轴线与荷载作用线夹角；为焊喉面积；为安全系数，针对焊接金属取.；为焊缝金属屈服强度；为多向角焊缝强度折减系数，表达式为（.）（.），为目标焊缝角度，为两段焊缝在连接处最接近 的角度。使用 修正每段焊缝的面积，然后在求和得出焊缝焊喉总受剪面积，利用截面剪力与剪应力之间的线性关系求出焊缝所受剪应力。以下为 试件受压区最不利点 应力，由图 可知，段焊缝的 均为，基于假设其正应力和剪应力如下：压|，（）第 期史云中，等：多向角焊缝连接矩形钢管的抗弯特性研究|，（）式（）、（）中 为用 修正过的焊喉总受剪面积；为跨中截面剪力值，为跨中截面集中荷载。组合应力公式如下：组合（正），（）把式（）、（）代入式（），其中 为正面角焊缝的强度设计值增大系数，取.，整理得 试件受压区最不利点 在跨中荷载下所能承受的最大组合应力：|，（）与 类型试件计算方法相同，试件受拉区最不利点 组合应力的正应力、剪应力计算用式（）、（），所能承受的最大组合应力计算用式（）。拉（），（）（）|，（）（）（）|。（）有限元分析.有限元软件及参数设置 为验证本文所提出的正截面强度计算理论，采用 .软件建立 组不同构造模型。计算跨度为.，梁端为铰接支承，网格划分采用自动实体网络。参照文献，焊缝远离区网格最大尺寸设为 ，仅进行粗略划分；中间部分网格尺寸设为 ；因焊缝附近应力改变较为明显，网格最小尺寸设为 ，如图 所示。应力云图如图 所示，可见，种构件应力最大位置与之前分析的理论最不利点一致；最不利点的最大应力约为相邻截面同一部位平均应力的.倍，即焊缝最不利点处存在显著的应力集中现象；两种构造试件 的中性轴位置不同，试件的受压区高度小于 试件。不同模型参数（跨中荷载）下应力模拟值与试验值结果见表 和表。图 有限元分析模型图 有限元模型应力云图表 试件不同荷载下不同位置应变片测点应力值单位：荷载.测点受拉区中性轴受压区受拉区中性轴受压区受拉区中性轴受压区受拉区中性轴受压区试验值.模拟值.理论值.表 试件不同荷载下不同位置应变片测点应力值单位：荷载.测点受拉区中性轴受压区受拉区中性轴受压区受拉区中性轴受压区受拉区中性轴受压区试验值.模拟值.理论值.由表、表 可以看出试验、模拟、理论几者吻合较好，这验证了试验研究、理论分析和模型参数分析三个部分的正确性。.模型验证 为研究焊缝倾斜角度和焊脚尺寸对多向角焊缝正截面强度的影响，不同倾斜角度（）和不 石河子大学学报（自然科学版）第 卷同焊脚尺寸（）在 集中荷载下理论值与模拟值结果（拉正压负）见表 至表，理论值与模拟值对比如图 所示。表 试件不同角度在 荷载下应力 单位：角