钢框架板式加强型焊接节点的断裂性能分析

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 传统钢框架梁柱焊接节点的研究
• 1.2.1 传统钢框架梁柱焊接节点在地震中脆性断裂破坏模式
• 1.2.2 传统钢框架梁柱焊接节点在地震中破坏的原因
• 1.2.3 震后钢结构设计的对策
• 1.3 钢框架新型延性节点的类型和设计方法
• 1.3.1 削弱型节点
• 1.3.2 加强型节点
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 削弱型节点的研究现状
• 1.4.2 加强型节点的研究现状
• 1.4.3 焊接温度场和应力场有限元分析的的发展状况
• 1.4.4 节点断裂性能的的研究现状
• 1.5 本文研究的目的和内容
• 第2章 有限元研究的关键部位及脆性断裂评估方法
• 2.1 有限元研究的关键部位
• 2.2 脆性断裂评估方法
• 2.2.1 VonMises 应力（等效应力 SEQV）
• 2.2.2 静水压力（平均应力 HPRE）
• 2.2.3 应力比（NLSRAT）
• 2.2.4 等效塑性应变（EPPLEQV）
• 2.2.5 累积的等效塑性应变增量（EPEQ）
• 2.2.6 等效塑性应变指数 PI
• 2.2.7 应力三轴度 Rσ
• 2.2.8 开裂指数 RI
• 2.3 本章小结
• 第3章 钢框架板式加强型节点焊接残余应力的有限元分析
• 3.1 焊接模拟的有限元分析基本理论
• 3.1.1 焊接过程有限元分析特点
• 3.1.2 焊接有限元模型的简化
• 3.1.3 焊接温度场的分析理论
• 3.1.4 非线性瞬态热传导的有限元分析理论
• 3.1.5 焊接热弹塑性理论
• 3.2 数值模拟
• 3.2.1 焊接温度场与应力场的计算方法
• 3.2.2 焊接温度场模拟
• 3.2.3 焊接残余应力应变场模拟
• 3.3 温度场计算结果分析
• 3.3.1 翼缘加强板节点
• 3.3.2 盖板加强板节点
• 3.3.3 温度路径和时间历程分析
• 3.4 焊接残余应力应变场的计算结果
• 3.4.1 残余应力应变分布云图
• 3.4.2 残余应力应变路径
• 3.5 本章小结
• 第4章 钢框架板式加强型节点试验与有限元分析
• 4.1 拟静力试验
• 4.1.1 试件设计
• 4.1.2 材性试验
• 4.1.3 试验装置和加载制度
• 4.1.4 破坏形式和试验结果
• 4.2 有限元模型的建立
• 4.2.1 单元类型
• 4.2.2 几何非线性与材料非线性
• 4.2.3 有限元模型
• 4.2.4 边界条件与加载
• 4.3 有无焊接残余应力有限元模型和试验的延性性能对比分析
• 4.3.1 应力云图
• 4.3.2 破坏形式对比
• 4.3.3 滞回曲线对比分析
• 4.3.4 骨架曲线对比分析
• 4.3.5 各种延性指标的对比分析
• 4.4 断裂性能指标的分布与发展
• 4.4.1 应力比梯度图
• 4.4.2 等效应力的分布与发展
• 4.4.3 应力三轴度（Rσ）的分布与发展
• 4.4.4 应力分量的分布与发展
• 4.4.5 开裂指数（RI）的分布与发展
• 4.5 断裂性能指标对比分析
• 4.5.1 路径 1：梁上翼缘沿加强板长度
• 4.5.2 路径 2：梁端沿焊缝长度
• 4.5.3 路径 3：加强板末端沿焊缝长度
• 4.5.4 路径 4：梁端沿腹板焊缝长度
• 4.5.5 路径 5：加强板末端沿梁腹板高度
• 4.6 焊接残余应力对断裂性能的影响
• 4.6.1 路径 2：梁端对接焊缝处
• 4.6.2 路径 3：加强板末端角焊缝处
• 4.7 关键点的断裂性能对比
• 4.8 本章小结
• 第5章 基于断裂性能分析的参数取值研究和不同节点形式的对比
• 5.1 翼缘板加强型系列节点的加强板参数取值研究
• 5.1.1 参数试件的设计和受力性能影响
• 5.1.2 断裂性能分析
• 5.2 盖板加强型系列节点的加强板参数取值研究
• 5.2.1 参数试件的设计和受力性能影响
• 5.2.2 断裂性能分析
• 5.3 不同构造形式焊接节点的断裂性能对比分析
• 5.3.1 试件设计
• 5.3.2 断裂性能对比分析
• 5.4 断裂指数参考值
• 5.5 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、参加的科研、工程实践及获奖情况
• 致谢