纵向焊接铝合金构件的试验和设计研究

大多数结构用铝合金通常要经过热处理或加工硬化以得到比退火状态更高的力学性能。这种合金焊接后,焊接热会使焊缝附近局部区域(称为热影响区HAZ)强度降低。而对于钢结构,由于其热导率比铝材小得多,因此只有高强钢才可能产生强度降低的热影响区,而且其强度的降低没有铝合金显著,热影响区宽度也比铝合金小得多。这将使焊接铝合金构件的设计变得更为复杂。由于我国目前还没有关于铝合金结构的设计规范,为此本文通过试验研究及对已有试验数据的分析,并在参考国外规范的基础上,提出了纵向焊接铝合金构件的设计建议公式,并将公式计算结果与试验结果进行了比较,两者吻合较好,从而验证了建议设计公式的适用性。     

纵向焊接铝合金压杆承载力研究

大多数结构用铝合金通常要经过热处理或加工硬化以改善其力学性能。当这种合金焊接后除了产生残余应力外,在焊缝附近还将产生强度明显降低的热影响区(HAZ)。而对于钢结构,由于其热导率比铝材小得多,因此只有高强钢才可能产生强度降低的热影响区,而且其强度的降低没有铝合金显著,热影响区的宽度也比铝合金小得多。这将使得铝合金受压杆件的屈曲性能变得更为复杂。对贴角焊和剖口焊这两种焊接方式的工字型铝合金中心受压杆件进行试验研究,并将试验结果同即将颁布的国标《铝合金结构设计规范》(送审稿)及欧洲规范9(EC9)进行比较。结果表明,通常情况下,对于贴角焊构件,规范结果与试验结果吻合较好;而对于剖口焊构件,规范结果偏保守。     

焊接铝合金压杆承载力研究

铝合金作为一种新型结构材料,在现代建筑中得到了越来越广泛的应用.国内目前关于挤压型材已经进行了大量研究,但有关焊接铝合金构件的研究很少.由于铝合金焊接后受焊接热影响较大,试件中除了产生残余应力,在焊缝附近的局部区域材料强度还将大大降低,该区域被称为热影响区（HAZ）.而对于钢结构,由于其热导率比铝材小得多,因此,只有高强钢才可能产生强度降低的热影响区,而且其强度的降低没有铝合金显著,热影响区的宽度也比铝合金小得多.这将使得铝合金受压杆件的承载力研究变得更为复杂.为此,对贴脚焊工字型铝合金中心受压杆件进行了试验研究,并将试验结果同即将颁布的国家标准《铝合金结构设计规范》及《欧洲铝合金结构设计规范》（EC9）进行了比较.研究表明,通常情况下,对于贴脚焊构件,《规范》计算值和试验结果吻合较好.     

纵向焊接铝合金压杆承载力研究

大多数结构用铝合金通常要经过热处理或加工硬化以改善其力学性能.当这种合金焊接后除了产生残余应力外,在焊缝附近还将产生强度明显降低的热影响区(HAZ).而对于钢结构,由于其热导率比铝材小得多,因此只有高强钢才可能产生强度降低的热影响区,而且其强度的降低没有铝合金显著,热影响区的宽度也比铝合金小得多.这将使得铝合金受压杆件的屈曲性能变得更为复杂.对贴角焊和剖口焊这两种焊接方式的工字型铝合金中心受压杆件进行试验研究,并将试验结果同即将颁布的国标<铝合金结构设计规范>(送审稿)及欧洲规范9(EC9)进行比较.结果表明,通常情况下,对于贴角焊构件,规范结果与试验结果吻合较好;而对于剖口焊构件,规范结果偏保守.     

焊接铝合金压杆屈曲性能试验研究

铝合金焊接后除了产生残余应力外,在焊缝附近还将产生强度明显降低的热影响区。对贴角焊和剖口焊两种焊接方式的工字型铝合金中心受压杆件进行了试验研究,并将试验结果同即将颁布的国标《铝合金结构设计规范》及欧洲规范进行了比较。研究表明,通常情况下,对于贴角焊构件,规范结果和试验结果吻合较好;而对于剖口焊构件,规范结果偏保守。     

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。     

考虑焊接热影响区软化的高强钢对接接头强度

为研究焊接热输入对调质态高强钢对接焊缝接头强度的影响,设计了对接焊缝接头的静力拉伸试验,进行了对接接头熔敷金属及热影响区(HAZ)硬度分布测试,并对影响接头强度的关键因素进行了参数分析。试验材料选取Q550和Q690两种调质态高强钢,采取气体保护焊分别以1.0、1.5kJ/mm和2.0kJ/mm三个等级焊接热输入,以涵盖常用焊接工艺参数。静力拉伸试验结果表明：对接焊缝接头的强度随焊接热输入的增大而下降;在焊接热输入1.0kJ/mm下,接头的破坏模式为母材处断裂,而在热输入1.5kJ/mm和2.0kJ/mm下,接头断裂均发生在热影响区处。通过硬度分布测试发现,接头的热影响区存在硬化区和软化区。随着热输入的增加,接头软化区范围增大、最小硬度下降,导致接头强度降低。静力拉伸试验的强度测试结果与硬度分布测试结果在宏观上相互印证。参数分析结果表明,热影响区中软化区与母材强度之比、相对软化宽度是决定接头强度的主要因素,且其与接头强度呈近似线性相关关系。     

不同焊丝对6082铝合金焊接接头组织性能的影响

采用ER5356和ER5087铝合金焊丝对6082-T6铝合金板材进行焊接,研究了不同焊丝对6082-T6铝合金力学性能和显微组织影响。结果表明,ER5087焊丝焊接的焊缝硬度高于ER5356焊丝的焊缝硬度,这是由于ER5087焊丝中的Zr细化焊缝晶粒的结果。拉伸试验时焊接接头均断裂于热影响区,ER5087焊丝焊接的接头比ER5356焊丝焊接的接头平均屈服强度和抗拉强度高,断后伸长率稍好。     

《铝合金结构设计规范》的若干重要概念和研究依据

对新颁布的国家标准GB 50429-2007《铝合金结构设计规范》中若干重要概念、理论和试验研究成果进行了综述。介绍了结构铝合金材料的物理力学性能、本构关系、焊接热影响区等基本特性,给出了铝合金焊接及紧固件连接的计算假定和依据,解释了考虑铝合金截面屈曲后强度和焊接热影响效应的有效厚度法计算理论和相应的有效截面计算方法,叙述了铝合金构件设计计算公式形式选定和相关参数取值的依据,阐述了铝合金面板中面板与支托的计算方法。将对新规范的推广和使用起到促进作用。     

核芯区混凝土强度低于柱的框架节点受力性能试验研究

针对核芯区混凝土强度低于柱混凝土强度的框架节点进行了试验研究。通过五个试件在较高轴压比下的低周反复加载试验和弹性有限元分析,研究了此类节点的破坏形态、受力性能,探讨核芯区混凝土强度低于柱的混凝土强度的可行性。提出了核芯区混凝土强度比柱的混凝土强度低时的设计建议。     

Effects of transverse welds on aluminum alloy columns

This paper investigates the effects of transverse welds on aluminum alloy columns. The materials of the specimens were 6063-T5 and 6061-T6 heat-treated aluminum alloys. Various coupon tests were performed to obtain the non-welded and welded material properties of aluminum alloys. An accurate and reliable finite element model (FEM) was used for the simulation of aluminum alloy stub columns of square and circular hollow sections (SHS, CHS) in this study. The stress–strain relationships obtained from the coupon tests were incorporated in the FEM. A parametric study was conducted that included 48 columns of different section shapes with and without transverse welds at the ends of the columns. This study focused on the effects of transverse welds on column strengths with respect to the section slenderness. Hence, the parametric study was performed on stub columns of SHS and CHS in constant column length. The European Code for aluminum structures uses the heat-affected zone (HAZ) softening factor to consider the weakening effects of transverse welds on column strength. The HAZ softening factors obtained from the parametric study were compared with the corresponding values specified in the European Code. HAZ softening factors were proposed in this study.     

Design proposal of butt welded joints of high strength steel considering mismatch ratio and softened zone

针对高强度结构钢在焊接热循环作用下热影响区域可能产生软化现象，且高强钢焊接时将遇到焊材强度匹配的问题，基于高强钢对接焊缝的试验研究、数值分析和理论研究的结果，对考虑焊接软化和焊材强度匹配的强度模型进行简化，进而提出便于设计的简化公式。通过对试验数据、欧洲规范EC3预测值、强度模型预测值和简化公式预测值的对比，得出强度模型和简化公式对接头强度的预测值较为准确，而欧洲规范EC3高估了对接接头强度。为了进一步地将简化公式应用于工程设计，通过搜集和汇总焊缝加工尺寸、高强钢力学性能以及试件实际的工作性能等三方面的数据，对简化公式进行可靠度分析，当安全系数为4.5时，抗力分项系数取为0.84。对我国规范中高强钢对接焊缝连接的设计方法提出设计建议，即在对接焊缝受拉承载力计算式中考虑接头的综合强度，该综合强度取决于钢材强度、焊材强度、软化区情况和约束情况。     

考虑匹配比和软化效应的高强钢对接焊缝的设计建议

针对高强度结构钢在焊接热循环作用下热影响区域可能产生软化现象,且高强钢焊接时将遇到焊材强度匹配的问题,基于高强钢对接焊缝的试验研究、数值分析和理论研究的结果,对考虑焊接软化和焊材强度匹配的强度模型进行简化,进而提出便于设计的简化公式。通过对试验数据、欧洲规范EC3预测值、强度模型预测值和简化公式预测值的对比,得出强度模型和简化公式对接头强度的预测值较为准确,而欧洲规范EC3高估了对接接头强度。为了进一步地将简化公式应用于工程设计,通过搜集和汇总焊缝加工尺寸、高强钢力学性能以及试件实际的工作性能等三方面的数据,对简化公式进行可靠度分析,当安全系数为4.5时,抗力分项系数取为0.84。对我国规范中高强钢对接焊缝连接的设计方法提出设计建议,即在对接焊缝受拉承载力计算式中考虑接头的综合强度,该综合强度取决于钢材强度、焊材强度、软化区情况和约束情况。     

Aluminum alloy tubular columns—Part II: Parametric study and design using direct strength method

A parametric study of aluminum alloy columns of square and rectangular hollow sections was performed using finite element analysis (FEA). The columns were compressed between fixed ends. The parametric study included 120 columns with and without transverse welds at the ends of the columns. An accurate and reliable finite element model was used for the parametric study. Design approaches for aluminum alloy tubular columns with and without transverse welds were proposed. Column strengths predicted by the FEA were compared with the design strengths calculated using the current American, Australian/New Zealand and European specifications for aluminum structures. In addition, the direct strength method (DSM), which was developed for cold-formed carbon steel members, was used in this study for aluminum alloy columns. The design strengths calculated using the DSM were compared with the numerical results. Furthermore, design rules modified from the DSM were proposed. It is shown that the proposed design rules accurately predicted the ultimate strengths of aluminum welded and non-welded columns. The reliability of the current and proposed design rules was evaluated using reliability analysis.     

Q460高强度钢材焊接H形截面弱轴压弯柱承载力试验研究

为了研究高强度钢材中厚板焊接H形截面压弯柱的承载力,采用国产Q460高强度钢材11 mm、21 mm中厚板制作了6个焊接H形截面压弯柱,试件截面自由外伸翼缘板宽厚比分别为7、5、3,长细比分别为40、55、80。通过对Q460低合金高强度钢材的材性测试、3种焊接截面残余应力测试、各试件初始几何缺陷测量及承载力试验,进行了H形截面弱轴压弯构件整体失稳承载力的试验研究,并与采用GB 50017-2003《钢结构设计规范》进行计算的承载力对比;同时以理想弹塑性模型,综合考虑试件初始缺陷建立有限元模型,分析计算其承载力。试验及分析结果表明：Q460低合金高强度钢材具有强度高、塑性性能较好等特点;由实测截面残余应力值得到其分布形式与普通钢材焊接H形截面残余应力分布基本相同;高强度钢材焊接H形截面压弯构件承载力试验值明显高于GB 50017-2003设计公式计算值;文中采用的有限元分析方法可以较准确地计算试件的承载力。研究成果为高强度钢材在实际工程中的应用提供试验参考。     

Aluminum alloy tubular columns—Part I: Finite element modeling and test verification

A numerical investigation on fixed-ended aluminum alloy tubular columns of square and rectangular hollow sections is described in this paper. The fixed-ended column tests were conducted that included columns with both ends transversely welded to aluminum end plates using the tungsten inert gas welding method, and columns without welding of end plates. The specimens were extruded from aluminum alloy of 6061-T6 and 6063-T5. The failure modes included local buckling, flexural buckling, interaction of local and flexural buckling, as well as failure in the heat-affected zone (HAZ). An accurate finite element model (FEM) was developed. The initial local and overall geometric imperfections were incorporated in the model. The non-welded and welded material nonlinearities were considered in the analysis. The welded columns were modeled having different HAZ extension at the ends of the column of 25 and 30 mm. The nonlinear FEM was verified against experimental results. It is shown that the calibrated model provides accurate predictions of the experimental loads and failure modes of the tested columns. The load-shortening curves predicted by the finite element analysis are also compared with the test results.