梁柱栓焊连接发生断裂的影响因素

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钢结构比起其他的结构形式具有重量轻、抗震性能好等优点,因此广泛的应用于工业生产领域和高层建筑中。2011年日本大地震表明了钢结构建筑抗震性能优于其他体系,然而美国Northridge地震和日本Kobe地震中栓焊梁柱节点发生了大量的脆性断裂现象。焊接钢结构的脆性断裂往往发生在焊接缺陷和应力集中共同作用的区域,尤其是梁柱栓焊节点处。由于梁翼缘的平坡口焊缝垫板结构存在,梁翼缘焊缝根部融合不良而形成“人工裂纹”。根据国内外学者对连接的断裂理论的研究可知,加载速率和初始裂纹长度对梁柱栓焊节点断裂韧度有很大的影响。本文用ABAQUS软件建立梁柱栓焊三维有限元模型,计算梁翼缘焊缝根部“人工裂纹”尖端的应力强度因子以及J积分来研究梁柱栓焊节点梁翼缘焊缝根部“人工裂纹”处的断裂性能。1.计算梁翼缘焊缝根部“人工裂纹”处的应力强度因子值,研究应力强度因子在梁翼缘截面宽度方向上的分布规律,结果表明了应力强度因子沿着梁翼缘宽度成曲线变化,并在中间位置达到最大值。说明了梁柱栓焊节点梁翼缘焊缝根部发生的脆性断裂并不是均匀发生的,首先发生在梁翼缘宽度方向的中间位置处。2.计算梁截面上、下翼缘处的应力强度因子值,从数值模拟的角度出发,比较上、下翼缘发生脆性断裂的可能性,在相同初始裂纹长度时梁底翼缘焊缝根部的应力强度因子值明显大于梁顶翼缘焊缝根部的应力强度因子,说明下翼缘比上翼缘更容易发生脆性断裂。3.研究梁翼缘焊缝根部“人工裂纹”处的应力强度因子随初始裂纹长度a的变化规律,得出K_Ⅰ值随着初始裂纹长度a增长成近似线性增加。4.当采用不同的加载速率(0.1mm/s、50mm/s、150mm/s)时,比较不同加载速率对梁柱栓焊节点焊缝根部发生断裂的影响,结果证明了加载速率越大,材料向脆性发展,更容易发生断裂破坏。5.计算梁翼缘焊缝根部处沿梁翼缘宽度方向上的应力分布,结果表明了梁翼缘焊缝根部沿梁翼缘长度方向的σ_y值最大,而σ_x、σ_z值最小,加载速率越大时,梁翼缘焊缝根部“人工裂纹”尖端的应力三维度越大,说明了梁柱栓焊节点梁翼缘焊缝根部处的应力状态偏于受拉,焊缝为Ⅰ型裂纹。
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