高层建筑钢结构梁柱焊接节点断裂分析

陈家亮

摘 要：由于钢结构具有较好的延性及抗震性，近年来广泛用钢与混凝土结构相结合的方式建造高层建筑。但出现地震等破壞性较强的灾害时，高层建筑依然无法有效抵抗。且高层建筑钢结构梁柱焊接节点的脆性断裂是导致此种现象发生的主要原因。要改变此种现状，分析与研究高层建筑钢结构梁柱节点的抗脆断性能尤为必要。因此，狗骨型梁柱焊接节点的力学性能更好，可更好满足高层建筑需要。

关键词：钢结构;高层建筑;梁柱节点

引言

在城市化进程的推进作用下，城市固定人口与流动人口的数量猛增，在城市面积不变的条件下，人口密度逐渐增高。在此条件下，高层建筑成为解决该问题的核心措施。从该角度分析，加强对高层建筑施工技术的研究对于未来建筑领域的发展具有十分重要的现实意义。现阶段我国在高层建筑钢结构施工技术方面的研究虽然已经取得了显著的成果，但仍存在一定不足，相关问题尚未得到全面解决，因此需要进一步深化对该类施工技术要点的研究，其不仅与建筑施工效率和质量直接相关，也对未来高层建筑的发展起关键作用。

1钢结构工程施工特点

1.1节约资源

钢结构工程与可持续发展相结合，能够缓解工程中的资源浪费问题。钢结构建筑物施工显著减少了砂、石、灰的用量，所用的材料主要是绿色、可回收或降解的材料，在拆除建筑物时，大部分材料可二次利用或降解，为建筑环境保护和发展提供保障。另外，钢结构在建筑工程中的应用具有一定的环保特性，有效减少了传统工程建筑垃圾的产生，进而提高了建筑资源的利用率。

1.2应用高效

钢结构宜采用工业化生产，工业化程度高，并且集节能、防水、隔热等先进成品于一体，成套应用，将设计、生产、施工一体化，且工期比传统住宅体系至少缩短1/3，从而加快了建设速度，提升了生产水平。

1.3抗灾能力强

钢结构体系在建筑中可充分发挥钢结构延性好、塑性变形能力强的优势，具有优良的抗震抗风性能，显著提高了住宅的安全可靠性。尤其在遭遇地震、台风灾害的情况下，采用钢结构能够避免建筑物的倒塌性破坏。

2试验准备与方法

2.1试件及加载准备标准型节点梁柱试件1个、不同裂纹深度的狗骨型节点梁柱试件4个，4个狗骨型节点梁柱试件的裂纹深度分别为1、3、5、7mm。梁柱参数见表1。

2.2构建有限元模型

用有限元模型对高层建筑钢结构梁柱焊接节点进行半结构分析。通过网格划分构建有限元模型。对钢结构梁柱焊接节点应力分布较密集部位进行网格加密，对裂纹尖端进行有限元三维模型单独建模。

2.3计算梁柱节点J积分值

J积分是赖斯提出的一种有效分析高层建筑钢结构梁柱焊接节点脆性断裂的方法。可描述钢结构梁柱节点裂纹尖端应力、应变的一种围线积分变量。J积分回路如图1所示。

式中：s为裂纹回路上的弧元;W为单位体积的应变能;σx、σy分别为水平与竖直方向的应力分量;ux、uy为水平x与竖直y方向的位移分量;σ′为总应力分量;mj为围绕裂尖的反应时针回路;σij与εij分别为裂纹回路上的应力、应变分量;si、sj为回路点位移。弹塑性条件下，J积分的应力、应变渐变表达式：

式中：A为与材料有关的常数;In为关于n的函数;σˉij（θ，n）与εˉij（θ，n）为角因子;r与θ分别为弹塑性变化后的半径和角度;n为围绕裂尖的反应时针回路上的弧元。弹塑性条件下通过J积分建立的断裂准则：

式中JIC为材料的断裂韧度。线弹性状况下，J积分与应力强度因子的关系：

3结果与分析

3.1有限元分析

用Abaqus有限元软件仿真模拟的狗骨型节点梁柱试件的应力云图，白框内深色位置为狗骨型节点梁柱试件的危险应力区，用本文方法得到的狗骨型节点梁柱试件应力云图中，可清晰看到极限承载条件下狗骨型节点梁柱试件各部分的应力大小、应力分布及危险应力区域。在加载作用下，应力首先出现在梁上翼缘与柱连接处，随载荷增加，梁薄弱处中间部位的应力急剧增大，并和梁上翼缘与柱连接处的应力同时达到最大。加载后期，薄弱位置应力可超过梁上翼缘与柱连接处的应力，并由薄弱位置的中间部位向两边及梁腹板延伸，并最终在薄弱部位形成塑性铰。但由于对接焊缝被撕裂时的弯矩承载力未达到梁全截面塑性弯矩承载力，因此狗骨型节点出现了较早的屈服，且屈服位移较大，当其高于屈服极限时，该部位断裂。

3.2弹塑性分析

标准型梁柱节点与狗骨型梁柱节点在不同位移的J积分计算结果。可以看出，位移为24mm时，狗骨型和标准型钢结构梁柱节点的J积分分别为80.6507和136.9876，位移增至32mm时，狗骨型J积分增至88.0429，而标准型的J积分为191.0098，由此可知，随位移增加，标准型梁柱节点与狗骨型梁柱节点的J积分也随之增加，但是与标准型梁柱节点相比，狗骨型梁柱节点的J积分增加趋势较缓慢。究其原因主要是狗骨型节点梁柱梁根部承受的弯矩比标准型节点梁柱试件小得多，同时其截面也较厚，且狗骨型节点在位移为24mm时逐渐进入塑性，当位移不断增加时，狗骨型节点薄弱处先达到屈服状态，梁根部应力增加较平缓，塑性铰外移，有效控制了梁柱试件梁根部焊缝的J积分，从而提高了梁柱试件的抗脆性断裂。

3.3刚度分析

刚度是反映钢结构梁柱抗脆性断裂的一个重要指标。绘制标准型节点与不同裂纹深度狗骨型节点梁柱在不同位移时的刚度对比效果图。可知，随着裂纹深度增加，狗骨型节点梁柱的刚度变化较小，由J积分可知，当位移为24mm时，狗骨型节点进入塑性状态，因此以该值为参考进行分析。随位移不断增加，标准型节点与不同裂纹深度狗骨型节点梁柱的刚度也相应地增加，不同裂纹深度的狗骨型节点梁柱的刚度曲线始终低于标准型节点梁柱的刚度曲线，位移为24mm，裂纹深度为7mm的狗骨型钢结构梁柱节点的刚度最高，为6MN/m;且不同裂纹深度的狗骨型节点梁柱的刚度曲线基本一致。说明即使在裂纹深度增加的情况下，狗骨型节点梁柱与标准型节点梁柱相比，仍然具有较低的刚度，抗脆性断裂性能更强，可更好满足实际需要。

结束语

1）用本文方法得到的狗骨型节点梁柱应力云图可清晰看到极限承载条件下狗骨型节点梁柱各部分的应力大小、应力分布及危险应力区域，为分析高层建筑钢结构梁柱的脆性断裂性能，保证其安全提供依据。2）与标准型节点梁柱相比，狗骨型节点梁柱随位移增加，J积分增加缓慢，薄弱处先达到屈服状态，梁根部应力增加较平缓，塑性铰外移，梁柱根部焊缝的J积分较低，抗脆性断裂性能更好。3）即使在裂纹深度增加的情况下，狗骨型节点梁柱与标准型节点梁柱相比，仍然具有较低的刚度及较高极限载荷，抗脆性断裂性能更强，可更好满足实际需要。

参考文献：

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