李成華，郭 帥，楊凱元

(西安工業(yè)大學 建筑工程學院，西安 710021)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展、時代的進步以及社會發(fā)展理念的提升，未來綠色經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展也愈來愈受到重視。鋁合金本身具有耐腐蝕性強、維護成本低、比強度高、輕質(zhì)、良好的強度以及較高的回收利用率等優(yōu)點，是作為建筑結構新型材料較好的選擇之一。除空間結構外，鋁合金框架結構的研究也符合這一發(fā)展趨勢。

節(jié)點作為框架結構的重要部位之一，對于鋁合金結構整體力學性能的優(yōu)劣至關重要。目前，焊接、機械連接、黏接3種方式作為鋁合金構件的主要連接方式，其中焊接與機械連接較為普遍。焊接節(jié)點節(jié)省人工與材料成本，例如機械連接中，連接件的質(zhì)量約為結構總質(zhì)量的10%，而通過焊接可將比例降至4%左右[1]。材料在焊接后，焊縫及熱影響區(qū)范圍內(nèi)材性不僅會出現(xiàn)一定程度的弱化，同時會出現(xiàn)對節(jié)點性能造成一定影響的高水平焊接殘余應力和變形。相比于鋼材，鋁合金受到焊接熱輸入的影響更大，然而國內(nèi)外對于鋁合金梁柱焊接節(jié)點的研究尚不完善。文獻[2]通過對箱型鋁合金梁柱焊接節(jié)點力學性能的試驗研究，得出箱型焊接節(jié)點具有良好的力學性能，提出了提高節(jié)點承載力與延性的節(jié)點加強措施。文獻[3]采用纖維復合材料來加強鋁合金梁柱焊接節(jié)點性能，通過靜力試驗研究驗證了碳纖維布的有效性。節(jié)點抗震性能涉及節(jié)點的延性、承載力、耗能能力以及破壞模式等，為此，文中分析焊接殘余應力對鋁合金梁柱焊接節(jié)點抗震性能的影響，以期提高鋁合金焊接節(jié)點框架結構整體力學性能。

1 有限元模型建立

1.1 模型參數(shù)

選取建筑領域內(nèi)應用廣泛的6061-T6鋁合金材料。在進行構件設計時，設計依據(jù)主要從構件折減面積的確定、焊縫強度以及梁柱節(jié)點強度三方面考慮，分別參考《鋁合金結構設計規(guī)范》(GB 50429—2007)[4]與《鋼結構設計標準》[5](GB 50017—2017)進行驗算。箱型柱截面參數(shù)取200 mm×200 mm×14 mm×14 mm、梁截面參數(shù)取100 mm×200 mm×6 mm×8 mm、柱高取1 650 mm、梁長取850 mm。柱橫向隔板與梁翼緣等厚。模型示意圖如圖1所示。表1為各節(jié)點的命名和分組。

圖1 有限元梁柱節(jié)點分析模型

表1 6061-T6鋁合金節(jié)點類型命名與分組

以加強型節(jié)點與普通節(jié)點為研究對象，對有無殘余應力兩組情況下的各指標進行對比分析來研究焊接殘余應力對鋁合金梁柱焊接節(jié)點的影響。通過加入后綴Y與N來分別表示考慮殘余應力模型與無殘余應力模型。

建筑結構中，焊縫通常采用角焊縫與對接焊縫。在結構不同的受力要求下，焊縫分為全熔透與半熔透焊縫。文中梁翼緣與腹板處焊縫采用全熔透對接焊縫形式，焊根開口寬度取6 mm。蓋板與梁翼緣焊接采用角焊縫形式。

1.2 梁端位移加載

低周循環(huán)有限元模擬的邊界條件參照電液伺服加載系統(tǒng)加載條件進行設置。將柱兩端固定，梁端模擬由固定端頭加載板固定并進行位移加載。邊界條件設置如圖2所示。

圖2 邊界條件

根據(jù)文獻[6]，按照一定位移變幅規(guī)律對梁端進行位移加載。低周往復循環(huán)有限元模擬通過位移控制，梁端位移加載初始位移為10 mm，然后以5 mm的增幅遞增，在40 mm后每級增幅為10 mm，每級位移往復2次；最大位移為100 mm，每級往復3次。圖3為位移加載制度。

圖3 位移加載制度

2 結果分析

2.1 滯回分析

2.1.1 GND滯回曲線對比分析

采用熱力耦合方式對梁柱節(jié)點焊縫進行數(shù)值模擬，以節(jié)點焊接模擬結果為基礎，進行低周往復循環(huán)荷載數(shù)值模擬。

圖4為GND有無殘余應力滯回曲線及對比圖，由圖4可知無隔板普通節(jié)點的滯回曲線不夠飽滿，表明其抗震性能一般。梁節(jié)點在進入屈服階段后，隨著位移的增加，荷載又出現(xiàn)增長。結合等效應力分析，這是由于節(jié)點沒有設置柱橫向隔板，導致節(jié)點剛度較差，梁翼緣屈曲后，箱型柱逐漸開始分擔節(jié)點處更多的荷載與塑性變形，最終造成滯回曲線進入彈塑性階段后又出現(xiàn)上升的狀況。通過兩節(jié)點滯回曲線的對比發(fā)現(xiàn)，兩節(jié)點曲線幾乎完全重合，表明焊接殘余應力對無隔板普通節(jié)點的滯回性能影響極小，可忽略不計。

2.1.2 GZD滯回曲線對比分析

圖5為GZD有無殘余應力滯回曲線及對比圖，由圖5可知兩節(jié)點滯回曲線均呈較飽滿的梭型，在每一級加載下，未考慮焊接殘余應力節(jié)點的滯回曲線相較于考慮殘余應力節(jié)點略微飽滿，但差別不夠顯著。兩節(jié)點在位移加載至60 mm左右時，均出現(xiàn)剛度退化，同時塑性變形能力降低，此時構件進入破壞階段。相較于無隔板普通節(jié)點，其承載力提升較大，滯回性能較好，然而受到焊接殘余應力的影響略大。

圖4 GND滯回曲線

圖5 GZD滯回曲線

2.1.3 GJD滯回曲線對比分析

圖6為GJD有無殘余應力情況下的滯回曲線以及對比圖。由圖6可知，加強型節(jié)點滯回曲線呈非常飽滿的梭型，承載力較GND提高，較GZD提高，其具有很好的承載力與抗震性能，表明蓋板對節(jié)點抗震性能的改善十分顯著。對比發(fā)現(xiàn)，未考慮焊接殘余應力的滯回曲線比考慮殘余應力的滯回曲線略微飽滿，兩節(jié)點滯回曲線的發(fā)展趨勢都非常相近，表明焊接產(chǎn)生的殘余應力對蓋板加強型節(jié)點的影響不夠顯著。與普通節(jié)點比較可知，加強型節(jié)點受到焊接殘余應力的影響較明顯。

通過各節(jié)點滯回曲線的對比分析表明，焊接殘余應力對節(jié)點的滯回性能均造成了不利影響，承載力略微下降，滯回曲線沒有無焊接殘余應力情況下飽滿；對于無隔板普通節(jié)點的滯回性能，節(jié)點形式占據(jù)主導地位，使焊接殘余應力的影響并不十分明顯，曲線也幾乎完全重合；對于有隔板普通節(jié)點與蓋板加強型節(jié)點，焊接殘余應力的影響逐漸體現(xiàn)出來，其中加強型節(jié)點受到的影響略大于普通節(jié)點，然而，整體上焊接殘余應力對節(jié)點滯回性能的影響不大。從節(jié)點類型分析可知，節(jié)點形式的改善使其滯回性能增強，承載力得到顯著提升，即有更好的抗震性能。

圖6 GJD滯回曲線

2.2 各節(jié)點骨架曲線分析

骨架曲線[7]反映了構件的強度值、剛度值、延性以及耗能能力等力學性能，同時得到節(jié)點不同階段荷載與位移之間關系。圖7為各節(jié)點在有無殘余應力情況下的骨架曲線對比圖。由圖7可知，構件經(jīng)歷了彈性階段，彈塑性變形階段、以及破壞階段。有無焊接殘余應力兩種情況下，節(jié)點骨架曲線幾乎重合。無隔板普通節(jié)點的彈性及彈塑性階段較長，表明其彈塑性變形能力較強。加強型節(jié)點與有隔板普通節(jié)點在彈性階段的曲線發(fā)展趨勢較為一致，然而進入彈塑性階段后，加強型節(jié)點很快便進入破壞階段(約65 mm處)，有隔板普通節(jié)點于位移加載至80 mm左右時進入破壞階段。顯然，有隔板普通節(jié)點的塑性變形能力優(yōu)于蓋板加強型節(jié)點。

圖7 三節(jié)點骨架曲線對比

2.3 各節(jié)點延性分析

構件的延性[8]體現(xiàn)了構件彈塑性階段的變形能力，一般通過延性系數(shù)這一指標來判斷構件的塑性變形能力，延性系數(shù)有位移延性系數(shù)、轉角延性系數(shù)和曲率延性系數(shù)。相比較而言，位移延性系數(shù)可以較好的反應構件延性的宏觀延性特征，因此選取位移延性系數(shù)進行定量計算，衡量構件的彈塑性變形能力。節(jié)點位移延性系數(shù)見表2。

表2 節(jié)點位移延性系數(shù)

由表2分析可知，蓋板加強型節(jié)點與有橫隔板普通節(jié)點的延性系數(shù)均大于3.0，滿足抗震延性要求。焊接殘余應力對承載力、屈服荷載以及屈服位移的影響很小。

在有無焊接殘余應力兩種情況下，無柱橫向隔板節(jié)點、有柱橫向隔板節(jié)點以及蓋板加強型節(jié)點的延性系數(shù)在殘余應力的影響下減小，焊接殘余應力對其節(jié)點延性的影響大小排序為GND>GJD>GZD?？梢姾附託堄鄳构?jié)點的延性系數(shù)有所降低，由于無隔板普通節(jié)點的塑性鉸離焊縫較近，加強型節(jié)點的焊縫數(shù)量較多，受力情況較為復雜，因此焊接殘余應力對其延性的影響稍大。焊接殘余應力雖然對各節(jié)點延性系數(shù)造成了不同程度的影響，然而從整體來看影響不大。

2.4 等效黏滯阻尼系數(shù)分析

滯回環(huán)的包絡面積能夠很好的反應結構的耗能能力。對于結構或構件耗能能力的定量計算，有兩種常用指標，分別為能量耗散系數(shù)E與等效黏滯阻尼系數(shù)he。系數(shù)越大證明構件在地震中耗能越大，抗震性能越好。通過等效黏滯阻尼系數(shù)的定量計算來比較各節(jié)點耗能能力的優(yōu)劣。

各節(jié)點有無殘余應力情況下的等效黏滯阻尼系數(shù)見表3。

表3 等效黏滯阻尼系數(shù)

相比較而言，蓋板加強型節(jié)點的耗能能力最好，無橫隔板節(jié)點耗能能力較差。柱橫向隔板使節(jié)點的耗能能力提升較大。而蓋板加強型節(jié)點相較于有柱橫向隔板普通節(jié)點耗能性能提升較小。各節(jié)點考慮有無殘余應力兩種情況的耗能能力排序為GJD-N>GJD-Y>GZD-N>GZD-Y>GND-N>GND-Y。無隔板普通節(jié)點，有隔板普通節(jié)點和蓋板加強型節(jié)點的等效黏滯阻尼系數(shù)在焊接殘余應力影響下均減小，加強型節(jié)點受到焊接殘余應力的影響較大，普通節(jié)點受到的影響略小。然而，整體上焊接殘余應力對節(jié)點耗能能力的影響不大。

3 結 論

1) 梁翼緣蓋板使塑性鉸有效外移，蓋板加強型節(jié)點的承載力優(yōu)于無隔板普通節(jié)點和有隔板普通節(jié)點。此外，加強型節(jié)點滯回曲線也更加飽滿，其延性與耗能能力較好。說明加蓋板加強型節(jié)點在受到地震作用時，具有更好的吸收能量的能力，相較于普通節(jié)點，蓋板加強型節(jié)點具有較好的抗震性能。

2) 在焊接殘余應力的影響下，蓋板加強型節(jié)點、有隔板普通節(jié)點和無隔板普通節(jié)點的延性、耗能能力均降低。結果表明，由于蓋板加強型節(jié)點焊縫數(shù)量多，焊縫殘余應力分布復雜，其受到的焊接殘余應力影響相對較大。普通節(jié)點受到焊接殘余應力的影響程度極小，可見其滯回性能是由節(jié)點形式主導。整體上，焊接殘余應力對節(jié)點承載力、延性以及耗能能力等影響較小，即對節(jié)點抗震性能影響不大。

3) 通過研究發(fā)現(xiàn)焊接殘余應力對節(jié)點滯回性能的影響并不大，然而由于節(jié)點低周循環(huán)荷載模擬結果較為理想，實際上，構件在地震作用下，節(jié)點未達到理想變形時就已經(jīng)發(fā)生斷裂，因此焊接殘余應力對各節(jié)點抗震性能的影響需進行進一步的分析和討論。