基于橢球面屈服模型的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)斷裂分析★

蘇仁權(quán) 董偉娜

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000)

基于橢球面屈服模型的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)斷裂分析★

蘇仁權(quán) 董偉娜

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西 渭南 714000)

為研究鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)受力情況，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行基于橢球面屈服模型的數(shù)值模擬和斷裂分析，結(jié)果顯示：模擬結(jié)果吻合較好，建議的屈服模型對預(yù)測鋼框架節(jié)點(diǎn)開裂具有一定的適用性。翼緣削弱，塑性鉸外移，斷裂指數(shù)CI達(dá)到峰值，初始裂紋形成于翼緣對接焊縫中部?？捎孟禂?shù)K=1.87近似等效考慮模擬過程中焊接缺陷和殘余應(yīng)力不利影響。

鋼框架節(jié)點(diǎn)，橢球面屈服模型，對接焊縫，斷裂指數(shù)，數(shù)值模擬

0 引言

在美國北嶺和日本阪神地震中，鋼框架連接發(fā)生了大量脆斷，引出人們對鋼結(jié)構(gòu)斷裂認(rèn)識的困惑及對斷裂預(yù)防缺乏有效地防治。

震后發(fā)現(xiàn)破壞多發(fā)生在梁柱焊接連接處[1]，國內(nèi)外學(xué)者對傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了大量研究[2-6]，通過將塑性鉸外移至梁截面來改善連接焊縫處復(fù)雜受力狀態(tài)，以避免發(fā)生脆斷。塑性鉸外移即將梁翼緣和腹板進(jìn)行局部削弱(如狗骨式節(jié)點(diǎn)和腹板開孔型節(jié)點(diǎn))或適當(dāng)加大節(jié)點(diǎn)處強(qiáng)度(如在節(jié)點(diǎn)處擴(kuò)大梁翼緣截面或增設(shè)蓋板、加勁肋等)來實(shí)施。研究表明，以上方法均能在不同程度上改善節(jié)點(diǎn)抗震性能，但其只是在構(gòu)造上對其進(jìn)行改進(jìn)，未能從實(shí)質(zhì)上解決金屬宏觀脆斷這一類特殊問題。

為研究鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的受力狀態(tài)和抗斷設(shè)防，本文對文獻(xiàn)[7]中的6個(gè)全焊型梁柱節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了基于橢球面屈服模型[8-10]的數(shù)值分析。研究試件在斷裂時(shí)刻，橢球面斷裂模型的適用性和精確性；考慮到焊接缺陷和殘余應(yīng)力對梁柱節(jié)點(diǎn)數(shù)值分析的影響，研究了斷裂指數(shù)CI沿節(jié)點(diǎn)不同路徑的變化規(guī)律。

1 基于橢球面屈服模型的數(shù)值模擬分析

1.1試件描述

6個(gè)梁柱節(jié)點(diǎn)試件由翼緣削弱型梁柱全焊節(jié)點(diǎn)試件(ST-1～ST-5)和普通梁柱全焊節(jié)點(diǎn)(ST-6)組成。梁、柱截面尺寸為HN300×150×6.5×9,HW200×200×8×12，選用Q235B熱軋H型鋼加工而成，節(jié)點(diǎn)構(gòu)造見文獻(xiàn)[7]。

根據(jù)本文分析特點(diǎn)，梁柱選用八節(jié)點(diǎn)Solid45實(shí)體單元進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分，焊縫選用十節(jié)點(diǎn)Solid92實(shí)體單元進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。

梁柱材性取為：

E=2.06×105N/mm2;μ=0.3;σy=296.8 N/mm2;

εy=0.144%;σu=470 N/mm2;εu=18%。

焊縫材性取為：

E=2.06×105N/mm2;μ=0.3;σy=330 N/mm2;

εy=1.5%;σu=463.2 N/mm2;εu=12%。

1.2邊界約束及加載制度

本模擬結(jié)合試驗(yàn)在柱下端施加X,Y,Z方向的固端約束，在上端施加X,Z的側(cè)向約束；梁端截面所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行Y方向位移耦合，外力以位移的方式施加于耦合面的主節(jié)點(diǎn)上，并在梁距柱翼緣1 m位置處施加X方向約束，以等效梁平面外約束，有限元模型見圖1。

1.3數(shù)值模擬

基于橢球面屈服模型的鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)數(shù)值模擬滯回曲線見圖2。由圖2可見：模擬結(jié)果吻合較好，試件ST-1～ST-5滯回曲線均呈現(xiàn)飽滿狀，沒有明顯捏攏現(xiàn)象，顯示了良好的耗能性能，其中ST-1,ST-3,ST-4滯回環(huán)面積較大，說明試件具有較強(qiáng)的耗能能力。而普通節(jié)點(diǎn)連接試件ST-6的荷載—位移滯回曲線顯得扁長、不豐滿，滯回環(huán)面積相對較小，耗能能力偏弱。

基于橢球面屈服模型下翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)同普通節(jié)點(diǎn)承載能力對比如表1所示。由圖2和表1可見：翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)屈服荷載和極限荷載均有不同程度的降低，下降幅度很小，塑性性能在很大程度得到了提高。因此，梁翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)應(yīng)考慮翼緣削弱對框架承載能力的降低影響。

基于橢球面屈服模型下的屈服載荷較基于Mises屈服模型下[7]的降低約在8%～14%范圍內(nèi)，而極限載荷降低約在4%～9%之間，說明橢球面屈服模型略偏于保守。研究表明文獻(xiàn)[9]建議的金屬靜水應(yīng)力型橢球面屈服模型具有一定的實(shí)用性和可行性。

表1 基于橢球面屈服模型下RBS試件與普通試件承載能力對比

2 基于橢球面屈服模型的斷裂分析

(1)

由式(1)定義焊縫的斷裂指數(shù)CI為：

(2)

焊接缺陷和焊接殘余應(yīng)力是梁柱節(jié)點(diǎn)數(shù)值分析應(yīng)考慮的因素，模擬過程因未考慮此缺陷不利影響，致使參數(shù)CI偏低，故對式(2)進(jìn)行修正，將斷裂指數(shù)CI乘以文獻(xiàn)[10]中建議的修正系數(shù)K=1.87，以近似等效試驗(yàn)中缺陷影響，修正后橢球面斷裂準(zhǔn)則為：

(3)

2.1斷裂指數(shù)沿梁翼緣對接焊縫寬度分布

當(dāng)各節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)裂縫時(shí)，斷裂指數(shù)CI沿梁翼緣焊縫寬度方向分布見圖3。對于未削弱節(jié)點(diǎn)，初始裂縫首先出現(xiàn)在梁翼緣對接焊縫兩側(cè)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)有局部削弱，初始裂縫有向焊縫中部傾向的趨勢。原因可能是：1)未削弱節(jié)點(diǎn)梁柱自身具有較大抗扭剛度，約束了焊接處翹曲變形，焊縫寬度兩側(cè)處于集中應(yīng)力的復(fù)雜受力狀態(tài)。2)根據(jù)圣維南效應(yīng)，局部削弱節(jié)點(diǎn)在外力作用下，對接焊縫沿梁翼緣寬度中部的受力相對得到加強(qiáng)，致使初始裂縫形成于此。3)梁柱節(jié)點(diǎn)焊接處應(yīng)力高度集中，等效應(yīng)力和平均應(yīng)力幅值均較高，當(dāng)應(yīng)力場達(dá)到建議的斷裂臨界值時(shí)，試件開裂。削弱翼緣顯著改善焊接處受力狀態(tài)，降低焊縫脆斷危險(xiǎn)性。

2.2斷裂指數(shù)沿梁腹板對接焊縫分布

當(dāng)各節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)裂縫時(shí)，修正后的斷裂指數(shù)CI沿梁腹板焊縫處分布見圖4。由圖4可見：斷裂參數(shù)CI最大值均出現(xiàn)于焊縫兩側(cè)，說明初始裂縫首先形成于此。原因在于，在梁翼緣和腹板處均進(jìn)行切割，致使在此處形成高度的應(yīng)力集中，其在高度應(yīng)力集中作用下，節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)初始裂紋。對比圖3,圖4，可以發(fā)現(xiàn)，圖3中斷裂參數(shù)CI整體高于圖4中對應(yīng)節(jié)點(diǎn)參數(shù)CI,進(jìn)一步說明，節(jié)點(diǎn)處初始裂縫首先在翼緣處出現(xiàn)。

2.3斷裂指數(shù)沿梁長分布

斷裂指數(shù)CI沿梁翼緣中部長度方向分布見圖5。由圖5可見，塑性鉸明顯外移，出現(xiàn)在梁翼緣削弱最大處，斷裂參數(shù)CI達(dá)到峰值。梁翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)將塑性鉸遷移，降低焊縫處應(yīng)力幅值，提高節(jié)點(diǎn)延性。

3 結(jié)語

為研究鋼框架梁柱節(jié)點(diǎn)的受力分析和抗斷設(shè)計(jì)，對文獻(xiàn)[7]中的6個(gè)梁柱節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行了基于橢球面屈服模型的數(shù)值分析。結(jié)果表明：

1)金屬靜水應(yīng)力型橢球面屈服模型具有一定的實(shí)用性和可行性，其對預(yù)測鋼框架節(jié)點(diǎn)開裂具有較高精度。

2)鋼框架全焊節(jié)點(diǎn)，可用系數(shù)K=1.87近似等效考慮焊接缺陷和殘余應(yīng)力的不利影響。

3)梁翼緣削弱，塑性鉸明顯外移，鋼材斷裂指數(shù)CI達(dá)到峰值，初始裂紋形成于翼緣對接焊縫中部。

[1] 周炳章.日本阪神地震的震害及教訓(xùn)[J].工程抗震,1996(3):37.

[2] 邱宏剛.高層鋼框架削弱型節(jié)點(diǎn)的抗震性能分析[D].北京:北京交通大學(xué),2003.

[3] 謝曉棟,楊 娜,楊慶山.鋼結(jié)構(gòu)翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)的參數(shù)分析[J].鋼結(jié)構(gòu),2004(4):37.

[4] 王萬禎.鋼框架梁柱栓焊剛性連接的滯回性能、破壞機(jī)理及抗震設(shè)計(jì)建議[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2003.

[5] CHEN CC, LIN CC, LIN CH. Ductile moment connections used in steel column-tree moment-resisting frames[J]. Journal of Constructional Steel Research,2006,62(8):7932801.

[6] 王 燕.鋼框架塑性鉸外移新型延性節(jié)點(diǎn)的研究與進(jìn)展[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào),2006,27(3):126.

[7] 郁有升.鋼框架梁翼緣削弱型節(jié)點(diǎn)的試驗(yàn)研究及理論分析[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2008.

[8] 蘇仁權(quán).常溫和低溫下高強(qiáng)鋼斷裂模式的試驗(yàn)研究及數(shù)值分析[D].蘭州:蘭州理工大學(xué),2010.

[9] 王萬禎.高強(qiáng)鋼廣義屈服和破壞理論[J].固體力學(xué)學(xué)報(bào),2007,28(4):389-392.

[10] 蘇仁權(quán).基于橢球面屈服模型的鋼框架梁柱全焊節(jié)點(diǎn)斷裂分析[J].價(jià)值工程,2010(7):32.

Fractureanalysisofthereducedbeamsectionconnectionofsteelframesbasedonyieldellipsoidalmodel★

SuRenquanDongWeina

(ShaanxiRailwayInstitute,Weinan714000,China)

To study rupture mechanism and fracture design of steel frame joints, the numerical simulations and fracture analysis were tested on the reduced beam section connection of steel frames based on yield ellipsoidal model. The destruction of the joints were in conformity with the actual earthquake damage and the results of numerical analysis. The weakened flange of beams lead to the the formation of plastic hinges and moved out from the joints, the fracture indexCIreach peak, and the initial crack formed in the middle of the butt weld. Generally, the data of this experiment was stability and qualitatively revealed fracture rules, the metal ellipsoidal fracture model had higher accuracy and slightly more conservative to predict steel frame joints fractured, because of not considering the negative impact of the weld defects and welding residual stress in the process of numerical simulation.

steel frame joints, yield ellipsoidal model, butt weld, fracture index, numerical simulation

1009-6825(2017)28-0041-03

2017-07-24★:陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院常規(guī)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：2014-18)

蘇仁權(quán)(1982- )，男，碩士，講師

TU391

A