焊接缺陷对钢结构动力特性影响的研究

2011-04-10长江大学城市建设学院湖北荆州434023

长江大学学报(自科版) 2011年34期

(长江大学城市建设学院，湖北荆州434023）

随着社会经济的发展，钢结构获得更为广泛的应用，特别是在机械和建筑领域应用更为广泛。由于钢结构在焊接过程中由于高度集中的瞬时热输入，焊后将产生大量焊接缺陷[1]，即焊接损伤，其中焊缝中的缺陷包括残余应力、气孔、夹杂、咬边和裂纹等。焊接缺陷将直接影响构件的受力性能，对动力特性、疲劳强度和稳定性有不利影响，特别是在简谐荷载、冲击荷载等动力荷载作用下的响应较明显。因此，研究焊接缺陷对钢结构构件动力特性的影响具有很重要的现实意义。为此，笔者对焊接缺陷对钢结构动力特性的影响进行了研究。

1 理论分析

模态分析是确定结构振动特性的一种技术，可以确定结构的自然频率、振型、振型的参与系数，在实践工程中广泛应用于评价结构系统的动态特性[2]。

进行模态分析时，动力有限元的基本方程如下[3]：

式中，[M]为质量矩阵；[C]为阻尼矩阵；[K]为刚度矩阵；｛x｝为位移向量；｛F（t）｝为作用力向量；t为时间。

假定结构作自由振动，｛F（t）｝＝0时，忽略阻尼的影响，方程简化为：

设方程的解在简谐运动下，即：

式中，｛u｝代表各节点的振幅；ω代表圆频率。

将式（3）代入式（2）可得：

简化后：

对于式（5），要满足其具有非零解的唯一条件，即：

当[M]和[K]都为正定矩阵时，可由式（6）得出其N个结构自由度的特征值ω2i（i＝1，2，…，N），即可由此求得结构模型的自振频率。

2 试验材料及方法

2．1 试验材料

试验采用2块10号槽钢(对其进行背靠背堆焊）。该槽钢腹板高度H＝100mm，槽钢材料为A3钢，弹性模量为E＝2．1×1010N／m2，泊松比ν＝0．3，密度ρp＝7．8×103kg／m3。

2．2 试验设备

采用模态分析技术对焊接缺陷进行检测时一般需要激励设备、传感系统和分析系统3类仪器[2]。试验采用北京东方振动和噪声技术研究所研发的DASP-V10多通道信号采集处理分析软件和与该软件配套的INV3018C型动态信号采集处理分析仪器，并将采集到的响应端信号进行处理和分析。

2．3 试验方法

试验钢梁长度为3000mm，支座间中心距离2600mm，沿长度方向每200mm划分1个单元，共分为14结点13个单元，焊接试样动力参数(固有频率和阻尼）的试验模态分析测试装置如图1所示。

图1 试验模态分析测试装置

为了减少安装多个传感器时对整个结构附加质量的影响，试验时采用锤击法对焊接钢梁进行多点激振、单点输出的方法。将加速度计固定在试验钢梁的第7个节点上，之后用力锤依次敲击各节点，每节点敲击3次，获取频响函数。

3 试验数据处理和分析

3．1 试验测得的频响函数

试验模态分析主要分2步，第1步是通过模态试验得到频率响应函数；第2步是通过频率响应函数进行曲线拟合以获取模态参数[4]，输入激励和输出响应后，即可得到频响函数。

通过模态试验得到能够准确反映试件振动特性的频响函数曲线，并对这些频响函数曲线进行拟合，确定固有频率和振型等模态参数。频响函数显示图如图2所示。由图2可知，各阶频响函数位置较稳定(见图2（a）），不同激振点各阶固有频率有所差异(见图2（b）），各阶固有频率相对较稳定(见图2（c）），同一频响函数在不同激振位置处的频率有所变化(见图2（d））。总体而言，产生共振的频率是基本固定的，即在不同激励输入点，所测得共振频率是没有变化的，而且非常明显。试验结果合乎理论假设，可以认定试验方案基本可行。在得出频响函数后，为了得出试件的模态结果，还必须进行定阶，即通过软件对频响函数进行平均或叠加。

在结构动力特性分析中，由于通常情况下对结构动力特性起控制作用的是前几阶固有频率和振型，因而取其前8阶固有频率进行动力特性的研究。测试时采用人工激振法，按不同焊接比例将试件分为6组(每组3根试件），焊接试件组的焊接率如表1所示。

为此，测得的每个试样的前8阶固有频率数值，分别求出同组（相同焊接率）前8阶固有频率的平均值、标准差和变异系数。对每组试样的各阶固有频率取平均值，以100%焊接率试样的各阶固有频率的均值为基准进行比较，并将试验相关数据绘图(见图3）。

表1 焊接试件组的焊接率

图2 频响函数显示图

从图3可以看出，焊接缺陷对构件的前3阶频率影响幅度很小，从第4阶开始，焊接率不同的各组构件固有频率开始出现较大差异，构件的固有频率随着焊接率的增加而增大。由于在工程实践中一般只考虑焊接缺陷对构件前2阶频率的影响情况，对后几阶频率不作考虑。由于焊接缺陷对构件前2阶的固有频率影响很小，因此可以将焊接缺陷作为连续焊缝处理来计算其固有频率。