焊接缺陷對鋼結構動力特性影響的研究

(長江大學城市建設學院，湖北荊州434023）

隨著社會經濟的發展，鋼結構獲得更為廣泛的應用，特別是在機械和建筑領域應用更為廣泛。由于鋼結構在焊接過程中由于高度集中的瞬時熱輸入，焊后將產生大量焊接缺陷[1]，即焊接損傷，其中焊縫中的缺陷包括殘余應力、氣孔、夾雜、咬邊和裂紋等。焊接缺陷將直接影響構件的受力性能，對動力特性、疲勞強度和穩定性有不利影響，特別是在簡諧荷載、沖擊荷載等動力荷載作用下的響應較明顯。因此，研究焊接缺陷對鋼結構構件動力特性的影響具有很重要的現實意義。為此，筆者對焊接缺陷對鋼結構動力特性的影響進行了研究。

1 理論分析

模態分析是確定結構振動特性的一種技術，可以確定結構的自然頻率、振型、振型的參與系數，在實踐工程中廣泛應用于評價結構系統的動態特性[2]。

進行模態分析時，動力有限元的基本方程如下[3]：

式中，[M]為質量矩陣；[C]為阻尼矩陣；[K]為剛度矩陣；｛x｝為位移向量；｛F（t）｝為作用力向量；t為時間。

假定結構作自由振動，｛F（t）｝＝0時，忽略阻尼的影響，方程簡化為：

設方程的解在簡諧運動下，即：

式中，｛u｝代表各節點的振幅；ω代表圓頻率。

將式（3）代入式（2）可得：

簡化后：

對于式（5），要滿足其具有非零解的唯一條件，即：

當[M]和[K]都為正定矩陣時，可由式（6）得出其N個結構自由度的特征值ω2i（i＝1，2，…，N），即可由此求得結構模型的自振頻率。

2 試驗材料及方法

2．1 試驗材料

試驗采用2塊10號槽鋼(對其進行背靠背堆焊）。該槽鋼腹板高度H＝100mm，槽鋼材料為A3鋼，彈性模量為E＝2．1×1010N／m2，泊松比ν＝0．3，密度ρp＝7．8×103kg／m3。

2．2 試驗設備

采用模態分析技術對焊接缺陷進行檢測時一般需要激勵設備、傳感系統和分析系統3類儀器[2]。試驗采用北京東方振動和噪聲技術研究所研發的DASP-V10多通道信號采集處理分析軟件和與該軟件配套的INV3018C型動態信號采集處理分析儀器，并將采集到的響應端信號進行處理和分析。

2．3 試驗方法

試驗鋼梁長度為3000mm，支座間中心距離2600mm，沿長度方向每200mm劃分1個單元，共分為14結點13個單元，焊接試樣動力參數(固有頻率和阻尼）的試驗模態分析測試裝置如圖1所示。

圖1 試驗模態分析測試裝置

為了減少安裝多個傳感器時對整個結構附加質量的影響，試驗時采用錘擊法對焊接鋼梁進行多點激振、單點輸出的方法。將加速度計固定在試驗鋼梁的第7個節點上，之后用力錘依次敲擊各節點，每節點敲擊3次，獲取頻響函數。

3 試驗數據處理和分析

3．1 試驗測得的頻響函數

試驗模態分析主要分2步，第1步是通過模態試驗得到頻率響應函數；第2步是通過頻率響應函數進行曲線擬合以獲取模態參數[4]，輸入激勵和輸出響應后，即可得到頻響函數。

通過模態試驗得到能夠準確反映試件振動特性的頻響函數曲線，并對這些頻響函數曲線進行擬合，確定固有頻率和振型等模態參數。頻響函數顯示圖如圖2所示。由圖2可知，各階頻響函數位置較穩定(見圖2（a）），不同激振點各階固有頻率有所差異(見圖2（b）），各階固有頻率相對較穩定(見圖2（c）），同一頻響函數在不同激振位置處的頻率有所變化(見圖2（d））。總體而言，產生共振的頻率是基本固定的，即在不同激勵輸入點，所測得共振頻率是沒有變化的，而且非常明顯。試驗結果合乎理論假設，可以認定試驗方案基本可行。在得出頻響函數后，為了得出試件的模態結果，還必須進行定階，即通過軟件對頻響函數進行平均或疊加。

在結構動力特性分析中，由于通常情況下對結構動力特性起控制作用的是前幾階固有頻率和振型，因而取其前8階固有頻率進行動力特性的研究。測試時采用人工激振法，按不同焊接比例將試件分為6組(每組3根試件），焊接試件組的焊接率如表1所示。

為此，測得的每個試樣的前8階固有頻率數值，分別求出同組（相同焊接率）前8階固有頻率的平均值、標準差和變異系數。對每組試樣的各階固有頻率取平均值，以100%焊接率試樣的各階固有頻率的均值為基準進行比較，并將試驗相關數據繪圖(見圖3）。

表1 焊接試件組的焊接率

圖2 頻響函數顯示圖

從圖3可以看出，焊接缺陷對構件的前3階頻率影響幅度很小，從第4階開始，焊接率不同的各組構件固有頻率開始出現較大差異，構件的固有頻率隨著焊接率的增加而增大。由于在工程實踐中一般只考慮焊接缺陷對構件前2階頻率的影響情況，對后幾階頻率不作考慮。由于焊接缺陷對構件前2階的固有頻率影響很小，因此可以將焊接缺陷作為連續焊縫處理來計算其固有頻率。

圖3 不同焊接率鋼梁固有頻率分布圖

[1]陳紹蕃，顧強．鋼結構基礎 [M]．北京：中國建筑出版社，2007．

[2]王國強．實用工程數值模擬技術及其在Ansys上的實踐 [M]．西安：西北工業大學出版社，1999．

[3]傅志方，華宏星．模態分析理論與應用 [M]．上海：上海交通大學出版社，2000．

[4]李德葆，陸秋海．實驗模態分析及其應用 [M]．北京：科學出版社，2001．