焊接孔对节点延性的影响
焊接孔的外形和尺寸对梁柱焊接节点的延性具有重要影响。为了研究不同的焊接孔对节点延性的影响，本文选取了美国FEMA推荐的焊接孔、日本Nakashima推荐的焊接孔及中国建筑抗震设计规范推荐的焊接孔进行了循环荷载作用下的非线性分析。通过改变焊接孔的外形和尺寸来获得不同的有限元模型，节点的延性以焊接孔与梁翼缘相接处的几个力学参数来衡量。分析结果表明采用中国建筑抗震规范推荐的焊接孔在焊接孔根部产生相对较大的应力集中，对节点的延性不利。而美国FEMA 推荐的焊接孔具有最小的应力集中。文献资料中的试验数据证明了本文结论的正确性。
目录
一 前言 6
（一）课题研究背景及意义 6
（二）国内外相关课题研究现状 6
（三）本文的主要研究工作 9
二 和本文有关的结构钢破坏的力学参数 10
三 梁柱焊接节点非线性有限元分析 12
（一）引言 12
（二）茹继平节点试件SPA2简介 14
（三）节点试件SPA2有限元分析模型的校核 14
（四）有限元参数分析 16
四 既有试验验证 21
五 结论与展望 23
参考文献 24
致谢 26
一 前言
（一）课题研究背景及意义
抗弯钢框架结构一直被认为是抵抗地震作用最好的结构体系。然而，1994年美国北岭地震和1995年日本神户地震出现大量梁柱焊接节点破坏事故，这一破坏事故震惊了工程界。裂纹通常起始于梁翼缘对接焊缝处，然后扩展到梁或柱。美国SAC钢结构项目在FEMA的资助下，对梁柱焊接节点产生破坏的原因和提出解决问题的方法进行了两阶段的研究。SAC第一阶段的研究内容主要是找出发生破坏的原因和提出改进的设计方法，第二阶段的研究内容主要是对第一阶段提出的改进的节点设计进行试验测试和验证。
梁柱焊接节点通常需要在梁腹板进行切角，以形成连续的梁上下翼缘对接焊缝，梁腹板切角又称为焊接孔或施焊孔。然而，对1994年美国北岭地震和1995年日本神户地震震害调查结果表明，部分梁柱焊接节点破坏发生在焊接孔根部。学者们通常认为，焊接孔处的破坏是由于焊接孔相接处应力集中和焊接热影响使钢材韧性 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
降低造成的。此外，该处的应力集中还可能影响到邻近的对接焊缝，从而使邻近的焊缝金属首先发生破坏。
因此，研究焊接孔对节点延性的影响，对于进一步提高节点的延性，具有一定的意义。
（二）国内外相关课题研究现状
西安建筑科技大学宋振森、顾强（2001）等为了检验刚性钢框架梁柱连接的抗震性能，对六个大尺寸的梁柱焊接节点试件进行了循环加载试验，其中三个试件为全焊接试件，三个试件为梁翼缘对接焊缝连接、梁腹板高强螺栓连接试件，试验过程中在柱端施加了轴向压力。六个试件中延性最好的SP5的最大塑性转角为0.026rad，最差的试件SPl塑性转角仅为0.008rad。研究结果表明，栓焊连接的节点滞回性能差于全焊梁柱连接的节点；较弱节点域的梁柱连接可能会产生较大的塑性变形；翼缘对接焊缝的质量显著影响梁柱刚性连接的滞回性能。
清华大学石永久、李兆凡、陈宏等（2002）完成了8 个足尺试件在四种反复荷载历程下的破坏试验，试件采用了四种不同的焊接孔。对梁柱节点的滞回曲线和破坏模式的比较分析表明，保证焊接质量是防止节点脆性破坏的最重要措施，焊接缺陷易导致裂缝过早扩展，因此影响节点的耗能能力延性。梁柱节点的焊接孔外形和尺寸对节点应力集中和节点破坏模式有很大影响。作者推荐的扩大型焊接孔可以不同程度地降低局部应力集中。同时，由于采用较长的焊接孔，使节点破坏模式转变为梁翼缘的局部屈曲，对节点延性有较大的改善作用。因此，作者推荐采用这种扩大型焊接孔。
北京交通大学茹继平、沈世钊（2005）进行了梁腹板开圆孔的T形节点拟静力试验研究，并进行了采用梁腹板开圆孔的的六层平面钢框架拟动力和拟静力试验研究。通过腹板开圆孔节点域标准节点之间、不同削弱程度的削弱节点之间试验数据的对比，以及试验结果与数值分析结果的对比，讨论了腹板开圆孔节点的破坏特征、承载能力、刚度、延性、滞回曲线等性能指标。试验结果表明，在梁腹板适当位置上开设一定大小的圆孔，梁塑性铰首先出现在削弱部位，有效地避免节点在梁翼缘对接焊缝处发生破坏。
同济大学潘伶俐、陈以一（2012）针对我国现行钢结构设计规范对H形梁柱节点域厚度的要求未考虑竖向加劲肋作用,根据研究结果提出了设置竖向加劲肋节点的等效宽厚比计算方法,建议将现行规范中节点域等效宽厚比不小于90的限值放宽到加劲节点域等效宽厚比不小于90。
清华大学熊俊（2011）对20个钢框架焊接节点焊缝区域和9个整体节点进行了试验研究，提出了考虑损伤过程的焊接节点简化计算模型。其节点试件所采用的钢材材质为Q345，节点试件的焊接孔采用中国《建筑抗震设计规范》推荐的焊接孔详图A和详图B，9个节点试件破坏均首先发生在焊接孔附近的应力集中区。
目前国内关于梁柱焊接节点研究存在的主要问题有：所采用的节点试件普遍是小尺寸的试件或缩尺模型试件，和实际工程中的节点有一定差异；节点试件所采用的钢材等级主要是屈服强度较低的Q235，对节点延性相对有利，不能够准确反映工程中应用较为广泛的Q345钢材梁柱连接的延性；不同作者的试件所采用的加载等级均不相同，试验得到的节点延性数据没有可比性。
美国北岭地震发生后，对梁柱焊接节点进行了大量理论分析和试验研究。SAC第一阶段的研究内容主要是针对北岭地震前的节点，分析产生破坏的原因。
Yong和Popov(1995) 采用ABAQUS软件，首先采用壳单元对北岭地震前的节点试件进行了三维弹性有限元分析，分析结果表明，梁翼缘与柱界面处处于复杂的三轴应力状态。并采用8节点实体单元，Von Mises屈服准则，忽略残余应力和几何缺陷的影响，进行了非线性分析。通过假定衬板与柱翼缘未熔化的界面处形成一道人工的裂纹，应用断裂力学来解释试验中观察到的破坏现象。他们还发现梁下翼缘衬板处的应力强度因子大于梁上翼缘衬板处的应力强度因子，这很好地解释了北岭地震中为什么大多梁柱焊接节点破坏发生在梁下翼缘对接焊缝处。
目录
一 前言 6
（一）课题研究背景及意义 6
（二）国内外相关课题研究现状 6
（三）本文的主要研究工作 9
二 和本文有关的结构钢破坏的力学参数 10
三 梁柱焊接节点非线性有限元分析 12
（一）引言 12
（二）茹继平节点试件SPA2简介 14
（三）节点试件SPA2有限元分析模型的校核 14
（四）有限元参数分析 16
四 既有试验验证 21
五 结论与展望 23
参考文献 24
致谢 26
一 前言
（一）课题研究背景及意义
抗弯钢框架结构一直被认为是抵抗地震作用最好的结构体系。然而，1994年美国北岭地震和1995年日本神户地震出现大量梁柱焊接节点破坏事故，这一破坏事故震惊了工程界。裂纹通常起始于梁翼缘对接焊缝处，然后扩展到梁或柱。美国SAC钢结构项目在FEMA的资助下，对梁柱焊接节点产生破坏的原因和提出解决问题的方法进行了两阶段的研究。SAC第一阶段的研究内容主要是找出发生破坏的原因和提出改进的设计方法，第二阶段的研究内容主要是对第一阶段提出的改进的节点设计进行试验测试和验证。
梁柱焊接节点通常需要在梁腹板进行切角，以形成连续的梁上下翼缘对接焊缝，梁腹板切角又称为焊接孔或施焊孔。然而，对1994年美国北岭地震和1995年日本神户地震震害调查结果表明，部分梁柱焊接节点破坏发生在焊接孔根部。学者们通常认为，焊接孔处的破坏是由于焊接孔相接处应力集中和焊接热影响使钢材韧性 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
降低造成的。此外，该处的应力集中还可能影响到邻近的对接焊缝，从而使邻近的焊缝金属首先发生破坏。
因此，研究焊接孔对节点延性的影响，对于进一步提高节点的延性，具有一定的意义。
（二）国内外相关课题研究现状
西安建筑科技大学宋振森、顾强（2001）等为了检验刚性钢框架梁柱连接的抗震性能，对六个大尺寸的梁柱焊接节点试件进行了循环加载试验，其中三个试件为全焊接试件，三个试件为梁翼缘对接焊缝连接、梁腹板高强螺栓连接试件，试验过程中在柱端施加了轴向压力。六个试件中延性最好的SP5的最大塑性转角为0.026rad，最差的试件SPl塑性转角仅为0.008rad。研究结果表明，栓焊连接的节点滞回性能差于全焊梁柱连接的节点；较弱节点域的梁柱连接可能会产生较大的塑性变形；翼缘对接焊缝的质量显著影响梁柱刚性连接的滞回性能。
清华大学石永久、李兆凡、陈宏等（2002）完成了8 个足尺试件在四种反复荷载历程下的破坏试验，试件采用了四种不同的焊接孔。对梁柱节点的滞回曲线和破坏模式的比较分析表明，保证焊接质量是防止节点脆性破坏的最重要措施，焊接缺陷易导致裂缝过早扩展，因此影响节点的耗能能力延性。梁柱节点的焊接孔外形和尺寸对节点应力集中和节点破坏模式有很大影响。作者推荐的扩大型焊接孔可以不同程度地降低局部应力集中。同时，由于采用较长的焊接孔，使节点破坏模式转变为梁翼缘的局部屈曲，对节点延性有较大的改善作用。因此，作者推荐采用这种扩大型焊接孔。
北京交通大学茹继平、沈世钊（2005）进行了梁腹板开圆孔的T形节点拟静力试验研究，并进行了采用梁腹板开圆孔的的六层平面钢框架拟动力和拟静力试验研究。通过腹板开圆孔节点域标准节点之间、不同削弱程度的削弱节点之间试验数据的对比，以及试验结果与数值分析结果的对比，讨论了腹板开圆孔节点的破坏特征、承载能力、刚度、延性、滞回曲线等性能指标。试验结果表明，在梁腹板适当位置上开设一定大小的圆孔，梁塑性铰首先出现在削弱部位，有效地避免节点在梁翼缘对接焊缝处发生破坏。
同济大学潘伶俐、陈以一（2012）针对我国现行钢结构设计规范对H形梁柱节点域厚度的要求未考虑竖向加劲肋作用,根据研究结果提出了设置竖向加劲肋节点的等效宽厚比计算方法,建议将现行规范中节点域等效宽厚比不小于90的限值放宽到加劲节点域等效宽厚比不小于90。
清华大学熊俊（2011）对20个钢框架焊接节点焊缝区域和9个整体节点进行了试验研究，提出了考虑损伤过程的焊接节点简化计算模型。其节点试件所采用的钢材材质为Q345，节点试件的焊接孔采用中国《建筑抗震设计规范》推荐的焊接孔详图A和详图B，9个节点试件破坏均首先发生在焊接孔附近的应力集中区。
目前国内关于梁柱焊接节点研究存在的主要问题有：所采用的节点试件普遍是小尺寸的试件或缩尺模型试件，和实际工程中的节点有一定差异；节点试件所采用的钢材等级主要是屈服强度较低的Q235，对节点延性相对有利，不能够准确反映工程中应用较为广泛的Q345钢材梁柱连接的延性；不同作者的试件所采用的加载等级均不相同，试验得到的节点延性数据没有可比性。
美国北岭地震发生后，对梁柱焊接节点进行了大量理论分析和试验研究。SAC第一阶段的研究内容主要是针对北岭地震前的节点，分析产生破坏的原因。
Yong和Popov(1995) 采用ABAQUS软件，首先采用壳单元对北岭地震前的节点试件进行了三维弹性有限元分析，分析结果表明，梁翼缘与柱界面处处于复杂的三轴应力状态。并采用8节点实体单元，Von Mises屈服准则，忽略残余应力和几何缺陷的影响，进行了非线性分析。通过假定衬板与柱翼缘未熔化的界面处形成一道人工的裂纹，应用断裂力学来解释试验中观察到的破坏现象。他们还发现梁下翼缘衬板处的应力强度因子大于梁上翼缘衬板处的应力强度因子，这很好地解释了北岭地震中为什么大多梁柱焊接节点破坏发生在梁下翼缘对接焊缝处。
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