Study on damage behavior of weld of beam-to-column connection in steel frame 11 ： theoretical analysis and finite element simulation

采用断裂力学理论,依据9个钢框架全焊接梁柱节点局部试件的单向拉伸试验结果,对节点试件的焊缝损伤进行了理论分析和有限元模拟。理论计算表明,简化计算式能够简洁地反映节点开裂情况,但对约束条件、裂纹尺寸的简化会影响计算精度。有限元分析结果表明,焊接孔附近的应力集中和热影响区材料的退化导致节点焊缝断裂易发生在梁腹板焊缝位置和梁翼缘焊缝热影响区,两处开裂概率接近,与试验结果吻合;试件开裂位置由初始缺陷的尺寸、位置和材料断裂韧性共同决定;弹塑性有限元分析能够较准确分析试件开裂位置和启裂荷载,精度较高,为研究梁柱节点焊缝损伤性能提供了一种损伤判断方法和准则。     

基于细观损伤力学的梁柱焊接节点断裂破坏预测分析

应用细观损伤力学模型预测分析单调荷载作用下梁柱焊接节点的裂纹萌生与扩展。分别依据节点部位的母材、热影响区和焊缝金属缺口试样的单轴拉伸试验，标定材料细观损伤力学模型的参数；通过有限元分析模拟，预测焊接节点的开裂位置以及断裂破坏的过程，与已有试验结果以及基于微孔扩展模型和应力修正临界应变模型的有限元分析结果相比，建议的细观损伤力学模型的有限元分析结果具有更好的预测精度；针对不同焊接孔几何形状对节点断裂性能的影响进行有限元分析，结果表明，孔的几何形状对节点的断裂破坏模式的影响显著，长圆孔比圆孔具有更好的节点延性，开裂延缓，但是两种孔形的节点承载力差别很小。     

钢框架梁柱节点焊缝损伤性能研究Ⅰ：试验研究

选取20个钢框架全焊接梁柱节点局部试件进行单向拉伸和拉压循环试验,记录了试件的破坏模态和应力 应变曲线,分析了材料强度、加载方式、板件厚度、宽度等参数对节点局部焊缝性能的影响,研究了焊缝开裂对节点损伤的影响。试验表明,循环加载会显著削弱焊接试件承载能力和变形能力,导致焊缝的开裂和破坏;焊缝在循环荷载作用下,受压的塑性发展会削弱焊缝延性;焊缝开裂和板件屈曲是节点损伤的两大主要因素,焊缝中裂纹发展导致节点承载力下降和刚度损伤;板件屈服后的局部屈曲对节点的损伤有待进一步研究。     

Study on damage connection behavior of weld in steel frame I of beam-to-column ： experiment

选取20个钢框架全焊接梁柱节点局部试件进行单向拉伸和拉压循环试验,记录了试件的破坏模态和应力-应变曲线,分析了材料强度、加载方式、板件厚度、宽度等参数对节点局部焊缝性能的影响,研究了焊缝开裂对节点损伤的影响。试验表明,循环加载会显著削弱焊接试件承载能力和变形能力,导致焊缝的开裂和破坏;焊缝在循环荷载作用下,受压的塑性发展会削弱焊缝延性;焊缝开裂和板件屈曲是节点损伤的两大主要因素,焊缝中裂纹发展导致节点承载力下降和刚度损伤;板件屈服后的局部屈曲对节点的损伤有待进一步研究。     

对接焊缝构造形式对梁柱节点低周疲劳断裂性能影响研究

为开展梁柱对接焊缝在地震作用下的损伤断裂研究,针对对接焊缝处衬板的厚度以及衬板焊接构造形式设计了4个梁柱节点试件,采用ANSYS有限元分析软件对4个试件进行了低周往复荷载作用下的数值模拟,对比分析了各试件在指定路径下的应力三轴度、等效塑性应变指数和开裂指数以判断其各自的断裂性能。结果表明:采用衬板四边围焊的构造方式对于对接焊缝区域的开裂可以起到减缓作用,并可缓解衬板厚度变化对于对接焊缝区断裂性能的影响;建议梁柱对接焊缝的衬板采用四边围焊连接的构造形式。     

对接焊缝构造形式对Q460高强钢梁柱节点断裂性能的影响研究

为深入研究对接焊缝构造形式对Q460高强钢梁柱节点断裂性能的影响,对比分析了4种不同构造形式对接焊缝节点试件的断裂特性,采用ANSYS有限元分析软件对4种节点试件进行了单调荷载作用下的数值模拟:采用等效塑性应变指数和开裂指数作为断裂性能的评估指标,分析沿指定路径节点试件的断裂特性;研究焊接残余应力对节点试件断裂性能的影响。结果表明:单边V形坡口衬板单边焊试件、I形坡口衬板单边焊试件、单边V形坡口去除衬板3种节点试件在沿对接焊缝两端及翼缘中部区域出现应力峰值;推荐采用的单边V形坡口双边焊缝衬板的试件沿焊缝区域应力分布较为平缓,能够将高峰应力值外移至焊缝区域以外,避免焊缝及热影响区域发生断裂破坏;与其他3种焊缝构造形式相比,其抗脆断能力较强。基于以上分析,建议高强钢梁柱对接焊缝的衬板宜采用带双边焊缝连接的构造形式,以提高其抗断裂能力。     

焊接工艺孔对梁柱节点滞回性能的影响研究

为了研究焊接工艺孔的细部尺寸对钢框架梁柱节点滞回性能的影响,运用有限元软件ABAQUS对10个不同焊缝通过孔细部尺寸的节点试件进行模拟分析。首先,根据已有梁柱节点循环加载试验对有限元建模方法进行有效性验证。然后,分别根据我国GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》和美国FEMA-350推荐的焊缝通过孔形式建立有限元模型,研究焊缝通过孔的细部尺寸对节点滞回性能的影响。研究结果表明:采用FEMA-350推荐的焊接工艺孔形式的梁柱节点的初始刚度与我国标准节点相近,但其承载能力较标准节点有所降低,梁下翼缘焊缝处的应力水平明显降低,可以减小焊缝脆断的风险;随着开孔的末端梁腹板距柱翼缘表面的距离a及开孔斜线段的水平长度b的增大,承载能力逐渐降低。综合考虑梁柱节点的滞回性能及梁下翼缘焊缝处应力分布,建议开孔的末端梁腹板距柱翼缘表面的距离a及开孔斜线的水平长度b分别取60 mm和30 mm。     

加劲相贯焊K型节点承载力试验研究及设计计算方法

加劲相贯焊K型节点在传统相贯焊K型节点的基础上添加了加劲板,可以有效提高承载力。为得到加劲相贯焊K型节点的设计计算方法,开展了试验和理论研究。设计了具有不同节点尺寸参数的9个试件进行试验研究,同时进行相应的有限元计算分析。研究表明:加劲相贯焊节点承载力增加的部分随加劲板宽度与直径之比的提高而提高。加劲相贯焊节点的破坏模式除表现出传统相贯焊节点破坏特征外,还出现加劲板焊缝开裂和支管拉裂等破坏模式。结合69个试件的有限元计算分析结果和试验结果,回归得到了承载力简化计算方法,该方法兼具经济性和安全性。     

焊接空间结构节点焊缝拉裂损伤识别

针对焊接空间结构节点易发生损伤和破坏的问题,为了识别焊接空间结构节点焊缝拉裂损伤,建立了节点焊缝拉裂损伤等效模型,考虑到焊接空间结构具有杆件和节点众多的特点,提出了损伤识别两步法。首先建立有焊缝拉裂损伤焊接球节点三维实体有限元模型,划分焊缝裂缝宽度,然后分析不同焊缝裂缝宽度与节点刚度系数之间的关系,最后将所获得的不同裂缝尺寸焊接球节点刚度系数等效为弹簧刚度,施加于结构杆件两端,成为杆端弹簧约束模型,即考虑节点焊缝拉裂损伤的等效有限元模型; 建立等效模型后,采用两步法识别节点焊缝拉裂损伤位置,先对结构分区,用小波分析方法识别结构杆件有节点焊缝拉裂损伤发生的区域,然后基于等效模型提取应变模态作为损伤标示量,在损伤区域内具体定位有节点焊缝拉裂损伤发生的杆件。结果表明:焊缝拉裂损伤等效模型能够模拟实际结构节点焊缝拉裂损伤,所建立的节点焊缝损伤等效模型易于提取损伤标示量,采用两步法能够识别出焊接空间结构节点焊缝拉裂损伤位置。     

基于循环微孔扩张模型的预应力预制框架节点抗震性能分析

使用ABAQUS有限元软件分析装配式预应力框架梁柱节点抗震承载力，以研究不同影响因素对节点抗弯性能的影响。确定网格与单元划分建立装配式预应力框架梁柱节点有限元模型，运用包含累积损伤作用的循环微孔扩张模型对开裂情况实行模拟，通过用户子程序把循环微孔扩张模型嵌入有限元模型中分析节点承载力；设计实际试件受力试验以验证实际环境中节点抗震承载力情况；分析箍筋与配筋率对节点抗弯性能影响。试验表明：有限元计算结果与实际试验结果接近，有限元计算节点抗震承载力研究具有实用性；在低周反复荷载作用下初始预应力越高承载力越大；在一定范围内，箍筋配筋率越高节点强度越大，装配式预应力框架梁柱的抗弯性能越好。     

刚性钢框架焊接梁柱连接的损伤累积破坏机理

采用考虑损伤累积的有限元本构模型,分析了焊接刚性钢框架梁柱连接在循环荷载作用下的受力性能和破坏机理,研究了梁柱连接中的损伤发展和分布,以及材料损伤对梁柱连接受力性能的影响。计算结果表明,在地震荷载作用下,遗留在结构上的焊接衬板造成了比较严重的应力集中和三向拉应力状态,使梁翼缘对接焊缝的损伤发展很快,影响了节点的变形能力。移去焊接衬板,可以有效地改善梁柱连接的受力性能,提高其延性和耗能能力。     

钢框架梁柱焊接连接的半刚性及其对结构自振频率影响的研究

先从梁柱节点受弯变形的机理入手,推导出钢框架梁柱焊接连接节点的初始刚度计算公式.通过对5组共25个梁柱焊接节点的初始刚度公式计算结果与有限元计算结果的比较,发现该计算公式与有限元结果吻合较好.然后通过通用有限元软件ABAQUS分析随结构层数、跨数变化时节点半刚性对框架结构自振频率的影响规律,由此建立焊接连接简化为刚性连接的条件.     

不同焊接孔形式梁柱节点的抗震性能分析

梁柱节点局部构造对钢框架结构抗震性能影响显著,为了全面地对比分析不同焊接孔形式及尺寸对焊接节点抗震性能的影响,采用通用有限元软件ANSYS建立节点的非线性有限元模型。通过建立的5种不同焊接孔形式及尺寸的梁柱节点模型,与标准焊接孔节点模型对承载力、滞回性能和塑性损伤指数进行分析对比,探讨焊接孔形式及尺寸对节点抗震性能的影响。分析结果表明:焊接孔的形式及尺寸对节点滞回性能有较大影响,焊接孔的局部形式会造成节点不同的累计损伤效果。结论对于工程应用有重要的参考意义。     

对接焊缝构造形式对高强钢梁柱节点断裂性能的影响

为研究对接焊缝构造形式对Q460高强钢梁柱节点断裂性能的影响,设计了4种不同构造形式的对接焊缝节点试件进行加载试验,采用拉卸循环加载方式,研究其承载能力、变形能力、破坏形态等性能,对比分析不同焊缝构造形式节点试件的断裂性能,对衬板双边焊缝构造形式节点试件进行了深入研究,分析了衬板双边焊缝间距对节点断裂性能的影响。结果表明:梁柱翼缘对接焊缝不同构造形式对试件断裂性能有一定影响,衬板采用双边焊缝构造形式可加强焊缝区域的强度,避免焊缝及热影响区发生断裂破坏,使试件破坏区域外移至母材区,试件的抗断裂能力较强;衬板采用双边焊缝的构造形式对试件的承载能力影响较小,对试件的变形能力影响较大,承载力及变形较衬板采用单边焊缝分别提高了3.3%,31.9%;增大衬板双边焊缝间距有利于加强焊缝区域强度,建议在构造允许的前提下,适当增大衬板宽度,降低焊缝发生开裂破坏的可能性。     

过焊孔衬板对梁柱节点断裂性能影响的试验研究和力学性能分析

为研究过焊孔衬板连接焊缝对梁柱连接节点断裂性能的影响,设计了3个栓焊混合连接边柱节点试件进行低周往复加载试验,研究试件的断裂特性及极限承载能力,建立三维有限元计算模型,以Ⅰ型裂纹尖端应力强度因子K_Ⅰ和J积分作为评价指标,对比分析了过焊孔衬板连接焊缝对节点断裂性能的影响。研究结果表明:过焊孔衬板带双边焊缝节点试件的延性系数、等效粘滞阻尼系数和极限承载力与带单边焊缝节点试件的对应值相比,分别提高了29%、31%和23%;过焊孔衬板带四边围焊缝节点试件的延性系数、等效粘滞阻尼系数和极限承载力与带单边焊缝节点试件的对应值相比,分别提高了70%、47%和33%。过焊孔衬板采用双边焊和四边围焊可以改善对接焊缝处的应力状态,将应力峰值外移至梁翼缘母材处,减缓对接焊缝的开裂;采用四边围焊对防止对接焊缝端部发生脆性开裂的效果更为明显,可显著降低缺陷尖端处的I型应力强度因子K_Ⅰ值及J_Ⅰ值。     

钢筋混凝土框架梁柱节点灌浆套筒连接抗震性能研究

设计并制作了4个钢筋混凝土框架梁柱节点试件,其中两个现浇整体节点试件,两个预制装配梁柱节点试件（采用灌浆套筒连接钢筋）,轴压比分别为0.3和0.4。对试件进行低周往复加载试验,研究了梁柱节点试件的破坏形态、滞回特性、刚度退化、耗能性能以及灌浆套筒接头受力状态等。结果表明：预制装配梁柱节点试件的耗能能力略低于现浇整体梁柱节点试件的耗能能力,两者破坏形态明显不同,预制装配节点试件的裂缝分布比较集中,主要分布在梁柱交界面、灌浆套筒端部区域以及梁跨中截面区域,而现浇节点试件的裂缝分布比较均匀密集;加载前期,轴压比对滞回性能影响不明显,而加载后期,轴压比对预制装配整体式节点试件节点核心区的钢筋滑移和剪切变形影响较为明显;基于试验结果,对灌浆套筒材料进行简化等效处理,并对节点不同区域采用不同的截面属性,采用OpenSees有限元软件对节点试件进行了模拟,其模拟结果与试验结果吻合较好。     

铝合金焊接节点力学性能的试验研究

为满足国家标准“铝合金结构设计规范”编制的需要,对铝合金焊接节点的力学性能进行系统的试验研究。试验内容包括铝合金对接焊缝节点和角焊缝节点。通过试验得出对接焊缝临界失效面距焊缝中心及焊缝边缘的距离、焊接热影响区及折算强度区的范围;确定临界失效面强度折减系数的取值大小;分析焊件厚度、焊丝型号、焊接工艺对焊缝强度、临界失效面强度折减系数、焊接热影响区范围及折算强度区范围的影响;验证角焊缝强度计算β公式。部分试验结果同欧洲及英国铝合金结构规范值进行对比分析。研究成果为我国首部铝合金结构规范相应章节的制定提供必要依据,是国内首次对铝合金焊接节点力学性能完成的基础性试验研究。     

安装管束腹板削弱型梁柱刚性连接节点抗震性能分析

介绍了一种安装管束腹板削弱新型梁柱刚性连接节点。利用有限元软件ANSYS 14.0对试验进行模拟,结果表明,数值模拟结果与试验结果吻合良好;分析了管束腹板中心至梁翼缘表面的距离、管束腹板管径和管束腹板管壁厚度对节点抗震性能的影响。分析表明:各系列安装管束腹板削弱型节点试件与普通节点试件的滞回曲线均饱满无捏拢,具有较好的滞回性能。安装管束腹板削弱型试件的承载力和初始刚度均小于普通节点试件,但是安装管束腹板削弱型试件都能够迫使塑性铰远离梁柱连接焊缝处。管束腹板中心至柱翼缘的距离、管束腹板管径和管束腹板管壁厚度均影响新型节点试件的承载力、延性和耗能能力。     

带裂纹翼缘板加强型节点局部试件力学性能试验研究

为研究带裂纹钢框架梁柱节点在地震过程中的抗震性能,设计制造了5个梁柱节点局部试件进行拉卸循环加载试验,研究初始裂纹缺陷位置对局部试件力学性能的影响.试验结果表明:带初始裂纹缺陷的加强型节点局部试件的承载力和延性性能均有所降低;初始裂纹缺陷位置不同会对试件产生不同程度的影响,缺陷位于加强板端部角焊缝中间时所造成的影响更为突出.     

应变率对全焊节点影响的试验和数值分析

对2个梁柱焊接节点的足尺试件进行动力试验。为了模拟试件的非线性动力性能,用纤维梁单元模拟梁、柱,用非线性旋转弹簧模拟焊接节点。对每一纤维,均采用Perzyna准则考虑应变率对梁、柱性能的影响。通过改进Richard静力模型模拟动力性能,考虑应变率对焊接节点的影响。Krawin-kler-Zoheri模型是标准累积塑性应变的函数,可根据应变率影响量化损伤和退化性能。将有限元分析软件DRAIN-2DX升级,建立模型并进行数值分析。与试验结果比较可知,考虑应变率影响和损伤累积的数值模拟能很好预测结构动力性能,甚至能预测焊接节点的破坏模式。