钢结构焊接节点焊材的损伤累积模型及分析

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焊接节点由于具有连接效率高、刚度大、密封性好、构件加工时间短、费用低等优点被广泛应用于各种钢结构,尽管规范对焊工技能、焊接工艺等都有规定,但由于焊接过程本身的复杂性,微孔洞、微裂缝等的存在几乎是不可避免的。焊接节点因此更易损伤累积,其损伤历史无疑会对结构在后续服役期中的抗力和剩余寿命产生重大的影响。以往的实践表明大量的钢结构破坏都是从焊接节点开始的。然而,由于问题的复杂性和人类认识的局限性,迄今为止,人们对结构性能和反应的分析基本不考虑已有损伤累积的影响,这样的分析势必影响分析结果的精度。尤其是目前对钢结构的安全性有着重要影响的焊接节点的损伤累积研究还并不多见,因此,研究焊接节点的损伤累积具有重要的理论和现实意义。 本文对钢结构中广泛应用的Q235和Q345钢材焊接T-型节点中的焊缝材料进行了全焊材拉伸试验及低周疲劳试验,根据试验现象及结果,并基于Shen的模型,提出了焊材的损伤累积模型,通过对试验数据进行拟和确定了模型的材料常数。同时,通过设计各种对比试验,较深入地研究了包括材料型号、应变幅度、加载机制、试件尺寸、焊接顺序、钢材轧制方向等因素对材料滞回性能的影响。研究结果发现,相同应变幅值钢材的循环寿命比焊材高50%以上,可见焊材中因有不可避免的焊接微缺陷的存在而大为降低了其循环寿命,因此在结构分析中应更关注焊接节点的表现。同种材料损伤累积演变基本相同,而不同材料型号损伤模型中的材料参数应分别确定;变幅循环下先进行的低应变幅循环反而提高了后继高应变幅时的寿命,此时Miner的线性叠加理论不再适合,而先进行的高应变幅则明显降低了后继低应变幅循环的周数;钢材轧制方向对循环特性有一定影响,沿纵向的试件疲劳寿命高于垂直方向的,纵向试件的应变硬化速度及裂纹稳定增长时间略高于横向的。焊接过程对近缝区钢材的性能有明显影响,焊接顺序对焊材的滞回性能也有一定的影响。本试验中焊材均为循环软化,钢材均为循环硬化结构,钢材和焊材循环硬化或软化的强屈比分界线大致为1.5,强屈比大于1.5的材料表现为循环硬化,而小于1.5的材料表现为循环软化。 本课题根据建立的焊材的损伤累积模型,以大型有限元程序ANSYS为平台进行二次开发,编制了有限元子程序,对循环荷载下焊材试件进行循环载荷下的损伤累积分析。此方法从材料层面着手,不受节点和构件或结构本身尺寸及受力情况的限制,可结合钢材的损伤累积模型对焊接节点进行损伤累积分析,求得各类节点和构件在循环荷载下的滞回关系曲线,并可进一步推广到其他钢结构构件或结构。
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