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

高强度结构钢在焊接热循环作用下在热影响区域可能产生软化现象,并且高强钢焊接时将遇到焊材强度匹配的问题,本文首先整合了作者对高强钢对接焊缝的试验研究、数值分析和理论研究的结果,然后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、欧洲规范预测值和强度模型预测值三者间的对比,得出强度模型和简化公式对接头强度的预测值较为准确,而欧洲规范高估了对接接头强度的结论。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三方面的数据,对简化公式进行可靠度分析获得抗力分项系数。最后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。     

高强钢角焊缝的强度模型和设计建议

目前针对高强钢角焊缝力学性能的研究多采用试验研究的方法,缺少系统的设计理论。采用传统的针对普通钢角焊缝连接的强度模型和失效准则,对高强钢角焊缝的断裂角度和破坏荷载进行预测,通过与试验结果的对比,选择精度较高的最大剪应力准则,并确定模型中的参数C取值。基于钢板间摩擦力的影响和焊根处应力集中产生的约束效应,推导出两个优化系数,对强度模型进行修正。为了便于工程应用,结合承载力计算推导过程,提出了角焊缝在不同加载角度下的简化公式,并对公式进行了验证。通过搜集和汇总焊缝尺寸、材料性能以及试件工作性能等三方面的数据,对简化公式进行可靠度分析,得出安全系数为4.5时的抗力分项系数为0.79。对我国规范中高强钢角焊缝连接的设计方法提出修正建议,即在承载力计算公式中应考虑约束效应、摩擦效应、焊材强度和加载角度等的影响。     

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。     

420 MPa级高强钢焊接圆钢管柱屈曲的试验研究

研究由420 MPa级高强钢(HSS)制成的焊接圆钢管柱的屈曲性能。对24个直径为273 mm、厚度为6 mm的轴心受压柱试件进行试验,测量包括轴向弯曲和荷载偏心距在内的初始几何缺陷。介绍并详细讨论关于屈曲模式和承载力的试验结果,并建立非线性有限元模型,对不同截面大小、由HSS 60制成的焊接圆钢管进行进一步参数分析。将有限元和试验结果与中国、欧洲以及美国规范中已有的柱设计曲线相比较。数值结果显示,可以采用GB 50017—2003、欧洲规范EC 3和ANSI/AISC360-10中的设计公式所计算的数值。此外,为了进一步提升设计效率,提出一条可用于这种高强钢焊接圆钢管设计、基于缺陷系数为0.17的欧洲规范EC 3公式的柱设计曲线。     

焊缝金属对14MnMoNbB钢焊接性的影响

采用小铁研、对接拉伸、金相分析等试验方法，研究了不同强度焊缝金属焊接14MnMoNbB钢时接头的抗裂性和力学性能，指出强度为650MPa、焊缝金属相对厚度为0．5的低匹配焊接接头，具有良好的抗裂性和满意的综合力学性能。     

海洋腐蚀环境下Q690高强钢对接焊缝连接的力学性能研究

为研究海洋环境腐蚀对高强钢对接焊缝力学性能的影响,对不同锈蚀程度下的高强钢对接焊缝连接进行了微观形貌扫描和静力拉伸试验,分析了试件表面形貌与腐蚀时间的变化规律,建立了屈服强度、极限强度、弹性模量等力学参数的退化关系,基于二次塑流模型给出了不同腐蚀程度下高强钢对接焊缝连接的本构模型.结果 表明:随着腐蚀时间的增加,红褐色腐蚀产物逐渐增多,试件的屈服强度、极限强度和弹性模量逐渐减小,延性降低;在腐蚀100d后,蚀坑深度达到440μm,弹性模量相对降低7.8％,屈服强度降低了8.28％;二次塑流模型能准确模拟不同腐蚀程度下高强钢对接焊缝连接的应力-应变关系,具有良好适用性.     

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。     

高强度钢材疲劳性能研究进展

疲劳破坏是钢结构失效的主要形式,也是工程界与学术界关注的重点。在总结了国内外高强钢母材、焊缝连接和螺栓连接的疲劳性能研究现状基础上,介绍了疲劳寿命理论计算方法,结合大量试验数据分析统计了高强度钢材疲劳寿命发展规律,并基于国内外不同的疲劳设计规范对高强钢母材及连接接头的抗疲劳能力进行了评估。结果表明：随着钢材强度等级的提高,高强钢母材表现出较好的疲劳性能,规范设计曲线偏于保守,明显低估了高强钢母材的抗疲劳性能;受焊接工艺和焊接质量影响,高强钢焊缝连接的疲劳强度提高幅度较小,ANSI/AISC 360-10和EN 1993-1-9规范曲线能够较好地评估Q460D与Q690D焊缝连接的疲劳特性,并具有足够的安全储备;螺栓连接的疲劳强度受预紧力、摩擦面处理、成孔方式等众多因素影响,已有研究表明随着钢材强度的提高,疲劳强度亦有改善,ANSI/AISC 360-10和BS 7608-2014设计曲线适用于Q460螺栓连接疲劳寿命计算,具有足够安全保障,对于Q690钢螺栓连接疲劳性能评估,规范方法偏于保守。随着高强度钢材在实际工程中的应用增多,需开展大量不同等级高强钢母材和连接形式的疲劳试验,补充Q460及以上强度钢材的疲劳设计方法和细部连接构造。     

高强钢管高强混凝土短柱力学性能智能模型研究

为研究超出规范范围材料强度的高强钢管高强混凝土短柱承载力在规范范围外拓展应用的相关问题,搜集61组试验及有限元数据,利用神经网络智能技术研究了在不同的截面尺寸、高强材料、含钢率、偏心率和长细比等影响因素下的高强钢管高强混凝土短柱的极限承载力及荷载-位移曲线,将承载力预测结果与规范EC4、规范ACI及规范GJB 4142—2000的计算结果进行了对比分析,并预测了试件的荷载-位移曲线,对各阶段各模型的切线刚度进行了分析研究。研究结果表明：所述规范可以在一定程度上继续延伸使用,而神经网络智能模型不仅与试验数据吻合度较高、精确度高,还考虑了规范没有考虑的约束效应减弱及两种材料强度匹配程度对承载力的影响,承载力会随着混凝土强度和钢材强度的提高而减缓增强速度;神经网络智能模型非常适合用于预测高强钢管高强混凝土短柱承载力,可以为实际工程和规范延伸拓展提供设计参考;神经网络智能模型相比于现有组合构件应力-应变理论公式会更加简便准确,以切线刚度的对比结果可知,其可以更加准确地反映和再现轴压作用下高强钢管高强混凝土短柱荷载-位移曲线的特征,对构件的力学性能研究有一定的参考作用。     

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。     

Q690D高强钢焊缝连接疲劳性能试验研究

文中对Q690D高强度钢材及其焊缝连接的疲劳性能进行试验研究,讨论Q690D母材、对接接头、十字接头三种连接形式的疲劳极限;拟合了S-N设计曲线,并与现行规范进行比较,对其疲劳特性及疲劳寿命给予评价。试验结果表明：Q690D母材与普通钢材相比表现出较高的疲劳抗力;GB50017设计曲线能较好评估循环次数大于30万对接接头的疲劳寿命,且具有足够安全储备;十字接头S-N设计曲线与AISC360规定的疲劳设计曲线吻合较好。采用电镜扫描分析不同阶段断口的微观形貌特征,并基于零塑性累积应变率假设得到疲劳损伤公式,讨论焊接缺陷对试件疲劳损伤的影响。断口形貌可以反映试件的疲劳损伤发展过程,损伤曲线又很好地解释了断口的形成机理。     

高性能桥梁钢典型焊接接头疲劳性能试验研究

针对Q500qE高性能钢两种典型焊接接头,包括对接焊缝和横向角接焊缝,设计疲劳试件。其中对接焊试件包括两种形式,分别为板厚56mm和8mm的对 接焊试件;横向角接焊缝试件的主板厚56mm、附连件厚20mm。对三组试件进行了有限元分析,掌握了试件的应力分布状况及薄弱环节,验证了试件设计的合 理性。随后针对三组试件展开了疲劳试验,掌握了不同类型焊接接头的破坏位置及破坏形式。根据试验结果拟合出了三组试件的S-N曲线,并与普通钢的疲 劳性能进行比较,表明Q500qE高性能钢的这两种典型焊接接头的疲劳强度略高于普通钢。采用目前规范规定的疲劳强度容许值进行抗疲劳设计是合理可行的,并且具有足够的安全余量。     

纵向焊接铝合金柱设计方法研究

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。这将使焊接铝合金柱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,并参考国外规范,提出了纵向焊接铝合金柱设计方法的建议,并将计算结果与试验结果进行比较,两者吻合较好,从而验证了建议设计公式的适用性。     

Prediction of fracture behavior of beam-to-column welded joints using micromechanics damage model

Moment-resisting steel frames often fail by fracture failure of beam-to-column welded joints during a strong earthquake. This paper provides a numerical methodology based on micromechanics damage model instead of traditional fracture analytical methods to investigate the crack initiation and propagation of welded beam-to-column joints subjected to monotonic loading and ultra low cycle loading conditions. Firstly, parameters used in the micromechanics damage model for steel base metal, heat affected zone and weld metal were calibrated, respectively, against uniaxial tension test results and cycle test results of notched specimens. The evolution of void growth in the notched specimens under different loading conditions was compared. Secondly, fracture process of the welded joints subjected to tensile loading was simulated based on the micromechanics damage model. The predicted load displacement response agrees well with the other researcher's test results. Finally, the micromechanics damage model was applied numerically to investigate the ultra low cycle fatigue fracture behavior of the welded joints under constant amplitude as well as variable amplitude inelastic cyclic loading. According to the distribution and evolution of void in the welded joints obtained from finite element analysis, crack initiation and propagation were presented and the number of cycles to fracture was predicted. It is shown that the fatigue life predicted from finite element analysis based on micromechanics damage model agrees well with the other's test results.     

X形方圆汇交钢管节点的焊缝轴拉性能试验研究与承载力计算

为了研究X形方圆交汇钢管节点（主管为方形截面钢管、支管为圆形截面钢管）的焊缝轴拉承载力,对5个非刚性连接和3个刚性连接试件进行静力加载试验。采用硅橡胶印模技术对焊缝几何特性进行精细化测量,考察焊缝全周的应变分布、破坏模式和承载力。试验结果表明：刚性连接试件在轴拉荷载作用下的焊缝全周应变分布均匀,而非刚性连接试件的焊缝全周应变分布则呈现明显的不均匀性;非刚性连接的焊缝承载力相对于刚性连接的焊缝承载力有较大程度的降低,主要原因是焊缝应力的不均匀分布以及热影响区材料的脆性破坏无法与非刚性连接主管管壁的塑性变形协调,从而先于熔敷金属发生断裂。采用有限元分析方法对焊缝的受力性能进行分析,得到不同节点参数下的焊缝有效长度,通过试验和有限元参数分析,提出了基于焊缝有效长度,且满足规范可靠度要求的非刚性连接焊缝轴拉承载力计算式。     

Q690D钢材十字形焊接接头高温后的断裂破坏试验研究

为研究Q690D高强度钢材及焊缝连接件在常温和高温后的断裂性能,选取代表实际梁柱节点局部焊接构造的十字形焊接节点试样,完成了常温和一系列高温后Q690D钢材和ER80-G焊缝金属的单轴拉伸试验,得到了钢材和焊缝金属在不同高温后的弹性模量、屈服强度、极限强度和延伸率.开展了常温和高温后十字形焊接接头的单调拉伸试验和超低周...