擊荷載下角焊縫動態(tài)強度試驗研究

陳英　劉瑞娟　霍靜思

摘要：對焊喉處受拉和受剪兩種受力狀態(tài)的角焊縫連接件進行動態(tài)拉伸試驗，研究沖擊荷載作用下受力狀態(tài)對角焊縫破壞形態(tài)、斷面角度、極限強度的影響規(guī)律.并通過與靜態(tài)力學(xué)性能比較發(fā)現(xiàn)，動態(tài)沖擊荷載作用下，角焊縫受拉和受剪極限強度均明顯提高，即動態(tài)應(yīng)變率效應(yīng)顯著；受拉角焊縫的破壞面角度均為45°，與靜力試驗結(jié)果（90°左右）有顯著差異.角焊縫受拉下的應(yīng)變率效應(yīng)比受剪時明顯，且角焊縫動態(tài)極限強度增大系數(shù)隨應(yīng)變率的影響規(guī)律與以往文獻試驗結(jié)果一致.

關(guān)鍵詞：沖擊荷載；動態(tài)拉伸；極限強度；應(yīng)變率

中圖分類號：TU392.4 文獻標(biāo)識碼：A

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑結(jié)構(gòu)向大跨、高層以及超高層發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的使用不斷增加，對于復(fù)雜的節(jié)點，焊接成為了主要的連接方式.自20世紀(jì)以來，焊接技術(shù)發(fā)展十分迅速.過去的半個多世紀(jì)里關(guān)于焊縫的靜力性能已有大量研究工作，尤其是角焊縫的強度＼[1-7＼]和斷裂角度的研究＼[1-4＼]，以及外加荷載與焊縫軸線呈一定夾角時焊縫的力學(xué)性能研究＼[7-10＼]；此外，對角焊縫的焊腳尺寸＼[3-5，7-11＼]和焊接方法＼[3-4＼]、焊條類型＼[3，5，7，9-11＼]以及溫度＼[3，7，10-12＼]等參數(shù)的研究也較多.在實際結(jié)構(gòu)中，大部分焊縫不是軸心受力，因此有學(xué)者對偏心荷載作用下角焊縫的力學(xué)性能進行了研究＼[13-16＼].

在制作加工過程中焊縫不可避免地存在一定缺陷，王元清等＼[17＼]對鋼厚板母材焊接影響區(qū)的力學(xué)性能進行了試驗研究.動力荷載作用下焊縫缺陷對結(jié)構(gòu)安全帶來隱患，建筑結(jié)構(gòu)在遭受爆炸、地震和沖擊作用時，鋼材表現(xiàn)出不同的力學(xué)行為，其中應(yīng)變率效應(yīng)的影響較為顯著＼[18＼].劉瑞娟＼[19＼]對角焊縫和對接焊縫分別進行動態(tài)沖擊試驗，研究焊縫的極限強度隨應(yīng)變率的變化規(guī)律.于安林等＼[20＼]采用快速加載的試驗方法研究了角焊縫的動力性能，建議不降低中級工作制吊車梁的正面角焊縫強度，與承受靜載時取相同值.

本文針對角焊縫焊喉處受拉和受剪兩種受力狀態(tài)，利用一種可實現(xiàn)落錘拉伸沖擊試驗的轉(zhuǎn)換裝置和高性能落錘沖擊試驗機進行角焊縫的動態(tài)沖擊力學(xué)性能試驗研究，對比分析角焊縫在靜力荷載和動態(tài)沖擊荷載作用下的力學(xué)性能.

1試驗概況

1.1試件設(shè)計與制作

對于抗拉角焊縫和抗剪角焊縫分別設(shè)計了3個靜力加載試件和9個動力沖擊加載試件，動力試驗通過調(diào)整落錘沖擊高度（H=4 m， 5 m， 6 m）分為3組（a， b， c），考察應(yīng)變率對其動態(tài)力學(xué)性能的影響，每組試件的沖擊速度v見表1.試件制作采用目前工程中常用的Q235鋼，焊接工作在工廠中進行，焊接電壓為24～30 V，電流為220～280 A，采用直徑為φ1.2的ER506 （AWS ER70S6） 焊絲進行氣體保護焊.制作抗拉角焊縫時將兩塊長為780 mm的鋼板按圖1（b）所示整體焊接，焊接完成后去掉兩端起滅弧位置，并采用著色滲透探傷法檢測焊縫質(zhì)量，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，最后按照設(shè)計寬度50 mm切取試驗試件，受剪角焊縫也以同樣的制作方法（如圖1（a）），以保證每條焊縫的質(zhì)量是相同的.受拉角焊縫試件正、反兩面均開90°“V”形坡口焊，受剪角焊縫試件兩側(cè)“V”形坡口亦為90°，使得坡口尺寸與焊腳尺寸相同.在保證角焊縫的破壞先于母材的屈服的前提下，兩種試件焊腳尺寸hf設(shè)計值均為8 mm，實測角焊縫有效厚度he（焊喉部位）見表1.

1.2試驗方法

動態(tài)試驗加載及測量裝置如圖2所示，動力試驗采用一種可實現(xiàn)落錘拉伸沖擊試驗的轉(zhuǎn)換裝置＼[21＼]和高性能落錘沖擊試驗機共同完成：落錘試驗機的錘頭通過自由落體沖擊上梁，上梁通過傳力框?qū)_擊力傳給下梁，以帶動試件受拉，即實現(xiàn)了將落錘沖擊力轉(zhuǎn)化為試件的軸向拉伸動態(tài)力.為使試件與裝置形成統(tǒng)一整體，在試件兩端各焊一塊端板，并用高強螺栓與裝置連接.試件變形采用LTM200S型位移計測量，動態(tài)沖擊荷載通過與試件相連的力傳感器測得，動態(tài)試驗數(shù)據(jù)通過NIPXIe1006Q動態(tài)采集儀進行采集，數(shù)據(jù)采集時的頻率為1 MHz.

1.36注：“SF”和“TF”分別表示受剪角焊縫和受拉角焊縫；字母“S”和“D”分別表示靜力試驗和動力試驗；字母“a”“b”“c”分別表示落錘沖擊高度為4 m，5 m，6 m，數(shù)字“1”“2”“3”代表重復(fù)試驗次數(shù).

2試驗結(jié)果及分析

2.1試件破壞形態(tài)對比

圖3給出了受拉角焊縫和受剪角焊縫在靜載和動態(tài)沖擊荷載作用下的破壞形態(tài).試驗表明，兩種加載方式下受剪角焊縫以及靜載下受拉角焊縫的破壞截面均為平整截面，動態(tài)沖擊拉伸作用下部分受拉角焊縫試件破壞截面出現(xiàn)凹凸現(xiàn)象.兩種角焊縫的破壞截面角度 （斷裂面與力作用方向的夾角）見表1，可知，受剪角焊縫在靜力和動力作用下的破壞截面角度均在10°以內(nèi)，與理論破壞角度0°較接近；受拉角焊縫在靜載下的破壞截面角度與理論值90°接近，而動態(tài)沖擊荷載下的破壞截面角度均為45°，可能是由于施焊位置的影響使得受拉角焊縫兩個焊腳尺寸存在差異，文獻＼[3＼]的試驗也得出兩個焊腳尺寸之比對焊縫破壞截面角度有顯著影響的結(jié)論；此外，角焊縫根部存在嚴(yán)重的應(yīng)力集中＼[22＼]，在動力荷載作用下應(yīng)力集中的不利影響將十分突出，往往是引起脆性破壞的根源.

2.2角焊縫動態(tài)強度

受拉和受剪角焊縫試件的極限荷載Fud，焊縫的極限強度fud，極限強度平均值fa，位移Δ，單位尺寸變形Δ/hf測量值列于表1，動態(tài)沖擊拉伸作用下兩種受力狀態(tài)角焊縫極限強度均明顯增大，且隨著沖擊速度的增加，焊縫強度有增大的趨勢.將相同沖擊速度下角焊縫受拉和受剪極限強度平均值進行對比，可知，角焊縫受剪與受拉強度比在0.62～0.67之間，與鋼材抗剪設(shè)計強度為抗拉設(shè)計強度的0.58倍接近，可用相同的理論確定角焊縫動態(tài)強度設(shè)計值.由焊縫變形可知，受剪角焊縫的變形性能更好，其單位尺寸變形約為受拉角焊縫的3倍左右.

通常用動力荷載下的極限強度與靜力下的極限強度之比來衡量強度的增大程度，稱之為動力增大系數(shù)DIF（Dynamic Increase Factor）.DIF隨著應(yīng)變率的增大有增大的趨勢＼[18＼]，Soroushian＼[23＼]，林峰＼[24＼]和Symonds＼[25＼]分別根據(jù)試驗結(jié)果提出了鋼材強度增大系數(shù)隨應(yīng)變率發(fā)展規(guī)律的經(jīng)驗公式.圖4將本文的試驗結(jié)果分別用這3種經(jīng)驗公式計算結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)動態(tài)沖擊試驗離散性較大，由于試件外形及尺寸不同，兩種受力狀態(tài)的角焊縫在相同沖擊速度下的應(yīng)變率也有明顯差別；但角焊縫受拉和受剪極限強度增大系數(shù)均大于1且小于1.5.

/s-1

3結(jié)論

通過對焊喉處受拉和受剪的正面角焊縫動態(tài)沖擊力學(xué)性能的試驗研究，在本文試驗范圍內(nèi)，可得到如下結(jié)論：

受拉角焊縫在動態(tài)沖擊荷載下的破壞截面角度與理論值有顯著差異，靜力荷載作用下受拉角焊縫破壞截面角度約為90°，與理論值接近，而動態(tài)沖擊荷載作用下的破壞截面角度約為45°，即破壞面為“V”型坡口與焊縫接觸面；動態(tài)沖擊拉伸作用下角焊縫受拉和受剪極限強度均有顯著提高，即動態(tài)應(yīng)變率效應(yīng)顯著，且角焊縫受拉時的應(yīng)變率效應(yīng)比受剪時更明顯，但兩者的極限強度增大系數(shù)均在1～1.5之間；角焊縫動態(tài)應(yīng)變率效應(yīng)隨應(yīng)變率的影響規(guī)律與以往文獻中鋼材的動態(tài)試驗結(jié)果一致.

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