高層建筑鋼結構梁柱焊接節點斷裂分析

陳家亮

摘 要：由于鋼結構具有較好的延性及抗震性，近年來廣泛用鋼與混凝土結構相結合的方式建造高層建筑。但出現地震等破壞性較強的災害時，高層建筑依然無法有效抵抗。且高層建筑鋼結構梁柱焊接節點的脆性斷裂是導致此種現象發生的主要原因。要改變此種現狀，分析與研究高層建筑鋼結構梁柱節點的抗脆斷性能尤為必要。因此，狗骨型梁柱焊接節點的力學性能更好，可更好滿足高層建筑需要。

關鍵詞：鋼結構;高層建筑;梁柱節點

引言

在城市化進程的推進作用下，城市固定人口與流動人口的數量猛增，在城市面積不變的條件下，人口密度逐漸增高。在此條件下，高層建筑成為解決該問題的核心措施。從該角度分析，加強對高層建筑施工技術的研究對于未來建筑領域的發展具有十分重要的現實意義。現階段我國在高層建筑鋼結構施工技術方面的研究雖然已經取得了顯著的成果，但仍存在一定不足，相關問題尚未得到全面解決，因此需要進一步深化對該類施工技術要點的研究，其不僅與建筑施工效率和質量直接相關，也對未來高層建筑的發展起關鍵作用。

1鋼結構工程施工特點

1.1節約資源

鋼結構工程與可持續發展相結合，能夠緩解工程中的資源浪費問題。鋼結構建筑物施工顯著減少了砂、石、灰的用量，所用的材料主要是綠色、可回收或降解的材料，在拆除建筑物時，大部分材料可二次利用或降解，為建筑環境保護和發展提供保障。另外，鋼結構在建筑工程中的應用具有一定的環保特性，有效減少了傳統工程建筑垃圾的產生，進而提高了建筑資源的利用率。

1.2應用高效

鋼結構宜采用工業化生產，工業化程度高，并且集節能、防水、隔熱等先進成品于一體，成套應用，將設計、生產、施工一體化，且工期比傳統住宅體系至少縮短1/3，從而加快了建設速度，提升了生產水平。

1.3抗災能力強

鋼結構體系在建筑中可充分發揮鋼結構延性好、塑性變形能力強的優勢，具有優良的抗震抗風性能，顯著提高了住宅的安全可靠性。尤其在遭遇地震、臺風災害的情況下，采用鋼結構能夠避免建筑物的倒塌性破壞。

2試驗準備與方法

2.1試件及加載準備標準型節點梁柱試件1個、不同裂紋深度的狗骨型節點梁柱試件4個，4個狗骨型節點梁柱試件的裂紋深度分別為1、3、5、7mm。梁柱參數見表1。

2.2構建有限元模型

用有限元模型對高層建筑鋼結構梁柱焊接節點進行半結構分析。通過網格劃分構建有限元模型。對鋼結構梁柱焊接節點應力分布較密集部位進行網格加密，對裂紋尖端進行有限元三維模型單獨建模。

2.3計算梁柱節點J積分值

J積分是賴斯提出的一種有效分析高層建筑鋼結構梁柱焊接節點脆性斷裂的方法。可描述鋼結構梁柱節點裂紋尖端應力、應變的一種圍線積分變量。J積分回路如圖1所示。

式中：s為裂紋回路上的弧元;W為單位體積的應變能;σx、σy分別為水平與豎直方向的應力分量;ux、uy為水平x與豎直y方向的位移分量;σ′為總應力分量;mj為圍繞裂尖的反應時針回路;σij與εij分別為裂紋回路上的應力、應變分量;si、sj為回路點位移。彈塑性條件下，J積分的應力、應變漸變表達式：

式中：A為與材料有關的常數;In為關于n的函數;σˉij（θ，n）與εˉij（θ，n）為角因子;r與θ分別為彈塑性變化后的半徑和角度;n為圍繞裂尖的反應時針回路上的弧元。彈塑性條件下通過J積分建立的斷裂準則：

式中JIC為材料的斷裂韌度。線彈性狀況下，J積分與應力強度因子的關系：

3結果與分析

3.1有限元分析

用Abaqus有限元軟件仿真模擬的狗骨型節點梁柱試件的應力云圖，白框內深色位置為狗骨型節點梁柱試件的危險應力區，用本文方法得到的狗骨型節點梁柱試件應力云圖中，可清晰看到極限承載條件下狗骨型節點梁柱試件各部分的應力大小、應力分布及危險應力區域。在加載作用下，應力首先出現在梁上翼緣與柱連接處，隨載荷增加，梁薄弱處中間部位的應力急劇增大，并和梁上翼緣與柱連接處的應力同時達到最大。加載后期，薄弱位置應力可超過梁上翼緣與柱連接處的應力，并由薄弱位置的中間部位向兩邊及梁腹板延伸，并最終在薄弱部位形成塑性鉸。但由于對接焊縫被撕裂時的彎矩承載力未達到梁全截面塑性彎矩承載力，因此狗骨型節點出現了較早的屈服，且屈服位移較大，當其高于屈服極限時，該部位斷裂。

3.2彈塑性分析

標準型梁柱節點與狗骨型梁柱節點在不同位移的J積分計算結果。可以看出，位移為24mm時，狗骨型和標準型鋼結構梁柱節點的J積分分別為80.6507和136.9876，位移增至32mm時，狗骨型J積分增至88.0429，而標準型的J積分為191.0098，由此可知，隨位移增加，標準型梁柱節點與狗骨型梁柱節點的J積分也隨之增加，但是與標準型梁柱節點相比，狗骨型梁柱節點的J積分增加趨勢較緩慢。究其原因主要是狗骨型節點梁柱梁根部承受的彎矩比標準型節點梁柱試件小得多，同時其截面也較厚，且狗骨型節點在位移為24mm時逐漸進入塑性，當位移不斷增加時，狗骨型節點薄弱處先達到屈服狀態，梁根部應力增加較平緩，塑性鉸外移，有效控制了梁柱試件梁根部焊縫的J積分，從而提高了梁柱試件的抗脆性斷裂。

3.3剛度分析

剛度是反映鋼結構梁柱抗脆性斷裂的一個重要指標。繪制標準型節點與不同裂紋深度狗骨型節點梁柱在不同位移時的剛度對比效果圖。可知，隨著裂紋深度增加，狗骨型節點梁柱的剛度變化較小，由J積分可知，當位移為24mm時，狗骨型節點進入塑性狀態，因此以該值為參考進行分析。隨位移不斷增加，標準型節點與不同裂紋深度狗骨型節點梁柱的剛度也相應地增加，不同裂紋深度的狗骨型節點梁柱的剛度曲線始終低于標準型節點梁柱的剛度曲線，位移為24mm，裂紋深度為7mm的狗骨型鋼結構梁柱節點的剛度最高，為6MN/m;且不同裂紋深度的狗骨型節點梁柱的剛度曲線基本一致。說明即使在裂紋深度增加的情況下，狗骨型節點梁柱與標準型節點梁柱相比，仍然具有較低的剛度，抗脆性斷裂性能更強，可更好滿足實際需要。

結束語

1）用本文方法得到的狗骨型節點梁柱應力云圖可清晰看到極限承載條件下狗骨型節點梁柱各部分的應力大小、應力分布及危險應力區域，為分析高層建筑鋼結構梁柱的脆性斷裂性能，保證其安全提供依據。2）與標準型節點梁柱相比，狗骨型節點梁柱隨位移增加，J積分增加緩慢，薄弱處先達到屈服狀態，梁根部應力增加較平緩，塑性鉸外移，梁柱根部焊縫的J積分較低，抗脆性斷裂性能更好。3）即使在裂紋深度增加的情況下，狗骨型節點梁柱與標準型節點梁柱相比，仍然具有較低的剛度及較高極限載荷，抗脆性斷裂性能更強，可更好滿足實際需要。

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