钢框架板式加强型焊接节点的断裂性能分析

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国内外重大震害调查结果表明,钢框架梁柱连接焊缝在地震荷载作用下易发生脆性开裂,属于节点设计的薄弱环节。由于经典断裂强度理论是针对构件或焊缝存在的初始缺陷为研究对象,分析过程中需预先假定裂纹几何尺寸,因此不适用于梁柱节点断裂机理的弹塑性分析。为深入研究钢框架梁柱节点在地震荷载作用下的破坏机理,本文结合已有的加强型节点拟静力试验,采用各种断裂性能指标,对考虑焊接残余应力的板式加强型节点的断裂性能开展一系列研究,主要内容包括:1.针对钢框架焊接节点进行了各断裂性能指标--VonMises应力(等效应力)、静水压力(平均应力)、应力比N、等效塑性应变、累积塑性应变增量、等效塑性应变指数PI、应力三轴度Rσ和开裂指数RI--的断裂特性的理论研究。2.运用有限元软件ANSYS采用热-结构间接耦合法和“生死”单元功能对加强型节点试件-翼缘板加强型节点(矩形板和楔形板)和盖板加强型节点(矩形板和楔形板)-的瞬态焊接过程进行了分析,得到了焊接温度场、残余应力应变的分布及发展规律:焊缝及近焊缝区形成内凹的收缩残余变形;焊缝方向的纵向收缩受到限制是焊接残余应力产生的主要原因;盖板加强型节点在焊缝高度不一致处的等效残余应力发生突变,超过材料屈服强度,发生脆性断裂的可能性很大。3.对试验中的普通节点和加强型节点进行了循环荷载作用下三维结构非线性有限元延性和断裂性能分析,并与试验结果和不考虑焊接残余应力的模型进行对比。盖板加强型节点和普通节点在梁端对接焊缝的中间和边缘最易发生脆性断裂,与试验现象相符。并根据试验破坏现象,给予评估断裂性能的参考值:当开裂指数20<RI≤40,易发生脆性断裂;RI>40,发生脆性破坏。焊接残余应力对开裂指数(RI)影响很大,即对节点断裂性能的影响很大,但对结构整体受力影响不大。应采取有效措施降低最大残余拉应力,减小应力集中,降低节点发生脆性断裂的可能性,保证节点的延性和抗震性能。4.研究了节点加强板的参数对节点受力性能和断裂性能的的影响规律,给出了板式加强型节点的参数取值范围:建议翼缘板和盖板长度取0.5-0.8倍的梁高,翼缘板和盖板厚度分别取1.2-1.4倍和0.7-1.2倍的梁翼缘厚度。5.综合对比分析了六种不同构造形式的焊接节点,有直接扩翼型节点(WFS)、侧板加强型节点(SPS)、翼缘板加强型节点(FPS)、盖板加强型节点(CPS)、狗骨削弱型节点(RBS)和普通节点(NFS),塑性铰分别在距柱翼缘200mm、260mm、280mm、260mm、200mm、30mm处出现,断裂性能的优劣次序为:FPS>CPS>WFS>SPS>RBS>NFS。翼缘板加强型节点(FPS)的断裂性能最好,推荐广泛使用。研究成果可为钢框架节点的断裂性能分析和设计以及焊接残余应力应变的分析提供理论分析和工程应用参考依据。
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