焊接對栓焊混用節點螺栓承載力影響

查春光 齊榮慶

(1.北京新京潤房地產有限公司，北京 100022;2.西南林業大學土木工程學院，云南昆明 650224)

作為三種主要的連接方式之一，栓焊連接在實際工程中的應用十分廣泛。這種構造安裝方便，避免了腹板焊接，減少現場焊接工作量，但栓焊混用連接的施工順序對節點承載能力有一定的影響。我國JGJ 82-2011鋼結構高強度螺栓連接技術規程規定:施工順序宜在高強度螺栓初擰后進行翼緣的焊接，然后再進行高強度螺栓的終擰;當采用先終擰再進行翼緣焊接的施工工序時，腹板拼接高強度螺栓宜采用補擰或增加螺栓數量的10%。由于焊接工藝的不同，梁翼緣焊縫處的熱量輸入相差大，不同梁高導致熱量擴散速度不同，規程要求的處理方式沒有根據節點的不同進行相應的考慮。本文利用MSC.Marc有限元程序，考慮了幾何非線性、接觸非線性、材料非線性，建立了單板連接和雙板連接工況下三組六個栓焊連接模型，分析板件中熱應力分布及其隨時間變化對螺栓預拉力影響，對比不同梁高與螺栓數量時，螺栓群承載力變化，并對螺栓群補擰區域提出建議。

1 模型建立

1.1 幾個假定

1)忽略連接板與柱翼緣焊接過程并不計算其殘余應力。因為連接板與翼緣的焊接往往都是在工廠中焊接完成，可以通過熱處理減小焊接殘余應力。這樣的處理還可以減少有限元計算時間;2)焊接過程中不可避免的會產生各種如氣孔、夾渣等焊接缺陷，模型忽略了這些缺陷;3)對螺栓連接副進行簡化處理，不考慮螺栓頭、墊圈與螺栓桿的材料屬性差異，我們感興趣的是螺栓桿的應力變化情況;4)連接順序為先擰后焊、先焊上翼緣，后焊下翼緣。

1.2 梁柱節點模型

建立了單板連接和雙板連接兩種工況下三組共六個栓焊連接節點模型，分別命名為 DJ3，SJ3，DJ4，SJ4，DJ5 和 SJ5，梁、柱、連接板尺寸見表1。連接板厚度根據01SG519多、高層民用建筑鋼結構節點構造詳圖［1］取值。梁、柱及連接板材質為Q235B。螺栓采用M20，10.9級摩擦型高強螺栓，材質為40Cr。焊縫采用E43焊條焊接。典型節點SJ4的有限元模型及節點域構造見圖1，圖2。

表1 模型尺寸

圖1 SJ4節點有限元模型

圖2 SJ4節點域構造

1.3 參數設置

1)彈塑性本構模型:鋼材是一種典型的彈塑性材料，本文采用的屈服準則為Von Mises模型，該模型能很好的模擬材料的彈塑性行為。鋼材應力—應變曲線選用二折線模型;2)單元選取:本模型采用三維實體單元構建，單元類型采用全積分HEX7號單元;3)接觸設置:將螺栓、連接板及梁設為接觸體，它們之間接觸關系選為“touching”，摩擦系數為0.3;4)焊接模型［2］:焊接過程采用的是雙橢球焊接熱源模型，該模型能夠靈活地模擬焊接全過程。該模型考慮了材料的熱物理參數如彈性模量、線性膨脹系數、比熱容等，而且還考慮了電弧力對熔池的影響，因此在球狀熱源模型中它被應用得最廣泛;5)預緊力施加［3］:通過MPC法施加預緊力，預拉力142.7 kN。MPC法的基本思想是將螺栓桿有限元網格分成兩個部分，在兩部分之間形成一個裂口，在裂口之間兩部分可以產生間隙或重疊。兩部分只能在軸向運動，重疊會使兩部分產生預拉應力，間隙引起壓應力;6)焊接參數:根據焊接手冊選取電壓 24 V，電流 150 A，焊接效率取 0.9，焊接速度取4 mm/s［4］。

2 結果分析

本文的螺栓編號順序為從上至下，從左至右，節點DJ3螺栓節點編號如圖3所示，其余節點螺栓編號以此類推。螺栓增量步—應力關系曲線分布如圖4～圖9所示。

圖3 節點模型DJ3螺栓編號

圖4 DJ3節點螺栓荷載步—應力曲線

圖5 SJ3節點螺栓荷載步—應力曲線

圖6 DJ4節點螺栓荷載步—應力曲線

圖7 SJ4節點螺栓荷載步—應力曲線

在模擬結果中，熱量傳遞的路徑為焊縫—梁翼緣—梁腹板—連接板—螺栓。因此，在焊接過程中，單板連接與雙板連接的最大區別是，單板連接中的梁腹板受熱膨脹未受連接板約束，而雙板連接中梁腹板的膨脹則受兩塊連接板約束，不能自由膨脹。

圖8 DJ5節點螺栓荷載步—應力曲線

圖9 SJ5節點螺栓荷載步—應力曲線

圖4，圖6，圖8是單板連接中螺栓應力變化曲線。從中可以看出，在單板連接中，部分螺栓應力會減小，其余螺栓應力略增大。在圖4中，DJ3-B3，DJ3-B4號螺栓預拉力減小，這是因為該螺栓距離焊縫最遠，該區域梁腹板應變最小，在總約束力不變情況下，當其他螺栓預拉力增大，它的預拉力減小。因此距離焊縫一定距離，預拉力減小，在圖6、圖8中亦可觀察到該現象。

圖5，圖7，圖9是雙板連接中螺栓應力變化曲線。從中可以看出，雙板連接情況下螺栓應力在焊接完成后都會有一定的增大，相應的預拉力會增大。由于腹板膨脹，兩塊連接板與螺栓構成對腹板的約束，應力增大，預拉力增大。

3 結語

1)單板連接的栓焊混合連接節點在焊接過程中部分螺栓預拉力會減小。2)焊接過程對螺栓預拉力的影響，隨著螺栓與焊縫距離的增大而影響逐漸減小。建議在實際工程中栓焊混合連接節點應在焊接過后對高強螺栓進行補擰。3)雙板連接的栓焊混合連接節點在焊接過程中所有螺栓預拉力會增大，在焊接冷卻過程中表現的更明顯。4)雙板連接螺栓群的承載力整體提高，可以不考慮施工過程對節點連接承載力影響。

［1］01SG519，多、高層民用建筑鋼結構節點構造詳圖［S］.

［2］劉勁松.MSC.Marc在材料加工工程中的應用［M］.北京:中國水利水電出版社，2010.

［3］吳道輝.巨型模鍛壓機結構載荷均勻傳遞及控制［D］.長沙:中南大學，2011.

［4］胡傳炘.實用焊接手冊［M］.北京:北京工業大學出版社，2006.