H型鋼梁Z形焊接對接節點承載性能

賀俊平， 郭耀杰， 陳顥元， 孫云

(武漢大學土木建筑工程學院， 武漢 430072)

在鋼結構建筑的施工過程中，梁和梁的對接連接，大部分在中間部分梁和柱子上附帶的懸臂梁的拼接，或著跨度很大的梁中間需要拼接。對于大跨度鋼梁由于運輸不便，需要現場進行拼接。安裝和施工的時候，要考慮節點結構便于調整和到位。在高層的鋼結構建筑中使用的構件節點，按照樣式和受力特點，分別有鉸接連接形式、半剛性的連接節點和剛性連接節點[1]。以構造方式和構造形式來劃分，大都采用高強度的螺栓連接和焊接的連接[2]。當連接方式為剛性時，下幾種方式通常使用在常見的H型鋼梁的對接節點中：①翼緣以及腹板連接都使用對接焊縫；②腹板和翼緣連接都使用高強度螺栓；③腹板連接使用高強度螺栓，翼緣連接使用對接焊縫[3]。

中外專家對鋼結構的對接方法早已探究得特別深入了。倪茜等[4]研究了螺栓節點的抗震性能分析，常鴻飛等[5]、Beena等[6]結合試驗及ANSYS軟件，探究了有懸臂的梁的鋼柱與梁對接節點，給出了構造建意 “弱栓強焊”等，并分析了此連接段的承載能力性質。許成祥等[7]研究了混凝土柱與H型鋼梁異型節點受力性能試驗研究，分析了混凝土柱子和鋼梁連接的節點受力性能等問題。焦遹烽[8]、Sherbourne等[9]、Shi等[10]對新型帶懸臂梁段栓-焊拼接節點進行試驗研究，分析了各部件應力的分布及破壞形式、塑性區的擴展等問題。李啟才等[11]、趙亞濤等[12]、Ibrahim等[13]對懸臂梁連接鋼結構節點和螺栓連接鋼結構節點進行了循環荷載試驗，結論指出，柱與梁焊接節點的延性比螺栓連接節點的延性弱，節點形式弱引起的塑性變形較大。郁有升等[14]研究的節點形式是削弱后的翼緣形式，發現它滯回機能較好，提升了全螺栓連接對接節點的抗震能力。上面學者的研究大都關注怎么增強對接拼接節點的抗震能力，以及優化節點延性這些地方，但是他們給出的節點優化措施也有一定程度地增加了施工及安裝的工作難度，雖然提高了延性。由上述研究可知，現場施工安裝過程中使用焊接連接比螺栓連接更容易保證安裝質量。

對腹板和翼緣都使用完全焊透坡口的對接焊接連接的標準H型鋼梁對接焊接節點[15]構造，由于其翼緣與腹板之間采用角焊縫，角焊縫的強度沒有對接焊縫高，且角焊縫的殘余應力影響比對接焊縫大。對此現秉承“優化節點受力性能、提高施工速度”的原則，結合實際施工安裝現場的案例，提出了一種Z形對接焊接節點構造，此節點具有良好的受力性能，整個節點都采用對接焊縫，既提高了節點強度，又降低了焊縫殘余應力的影響，符合裝配化現代施工技術的要求。

為了進一步地研究此新型節點各個部位的受力分布特征以及承載能力特性，先詳盡介紹Z形焊接對接節點形式，然后利用有限元軟件ABAQUS建模并對試件進行有限元模擬，分析該節點的應力分布模型、破壞形式、屈服彎矩和承載力極限，以有限元計算結果為基礎，探究此新型節點的可靠設計方法，并對該設計方法綜合評判。

1 建立有限元模型

1.1 建立有限元模型

使用ABAQUS軟件建立Z形對接焊接節點和標準對接焊接節點有限元模型，節點形式有限元模型如圖1～圖3所示。梁的總長度設為3 000 mm。

圖1 Z形H形鋼梁對接焊接節點Fig.1 Butt welded joint of Z-type H-section steel beam

圖2 Z形對接焊接節點Fig.2 Butt welded of Z-joint

圖3 標準對接焊接節點Fig.3 Butt welded of standard joint

H型鋼梁的截面大小最初設為H×B×t1×t2= 300×200×8×12，通過改變截面大小，截面面積從小往大分為8組，截面尺寸如表1所示，H型鋼尺寸示意圖如圖4所示。

表1 模型尺寸表Table 1 Model dimensions table

圖4 H型鋼尺寸示意圖Fig.4 Dimension diagram of H-section steel

兩個節點形式模型大小、強度等級都相同。本文提出的節點是在工廠預制H型鋼梁，切割接頭形狀，接著把提前切割好的構件送到工程場地焊接和拼裝。通過尺寸參數的變化得到8組模型，詳細尺寸大小如表1所示。計算模型采用理想的彈塑性模型，鋼材型號為Q235，取為H型鋼兩端簡支梁，加全截面均布荷載，并考慮焊接殘余應力對梁截面的影響。利用ABAQUS軟件計算得到結果文件，彎矩云圖，確定梁的屈服彎矩與極限彎矩，生成跨中彎矩-豎向位移曲線圖。

1.2 材料本構關系

材料選用Q235B鋼，采用理想彈塑性模型，鋼材達到屈服強度前為線彈性狀態，達到屈服強度后應力不在上升，只有塑性變形，屈服強度設為235 MPa，定義材料為各向同性，鋼材泊松比取0.3，彈性模量E=2.06×105MPa，焊縫等級為一級，焊縫與鋼材等強。考慮幾何非線性。

1.3 邊界條件及加載制度

邊界條件及加載制度如圖5所示，模型兩端簡支，鋼梁上表面加均布荷載。x軸為梁腹板平面的法線方向，y軸為豎直方向，z軸為沿著梁的長度方向。限制梁左端平面x、y方向上的位移為0，繞y軸、z軸方向轉動位移為0，放開其z方向的位移及繞x軸方向轉動位移。限制梁右端平面x、y方向上的位移為0，繞y軸、z軸方向轉動位移為0，放開其繞x軸方向轉動位移和沿z軸方向位移。限制梁左端底邊z方向的位移為0。為了方便確定梁的最大承載力和最大彎矩，均布荷載大小根據計算結果進行調整。由于是焊接連接，需要考慮殘余應力的影響，根據唐萬民等[16]、于辰等[17]、Teng等[18]提出的對接焊縫殘余應力分布模型，將殘余應力以預應力加在模型上。焊縫處采用綁定連接，焊縫等級取為一級。

圖5 邊界條件及荷載圖Fig.5 Boundary conditions and load diagram

1.4 網格劃分

模型網格劃分如圖6所示，將網格畫在部件上，在建立模型過程中，對于節點的所有組成部分，均采用C3D8R單元，控制網格單元大小為40，對腹板及翼緣短邊設定單元數目為3，然后使用ABAQUS自動算法直接生成網格。

圖6 網格劃分圖Fig.6 Grid division diagram

1.5 模型應力云圖比較

利用ABAQUS軟件進行有限元計算，計算結果模型應力云圖如圖7～圖10所示。通過圖7～圖10可以發現，對于H型鋼梁標準對接焊接節點，隨著時間的增加，跨中位移逐漸向下發展，模型腹板靠近下翼緣焊縫處最先達到屈服應力發生屈服，再接著模型兩端靠近支座處發生屈服，屈服不斷擴大逐漸出現塑性鉸，最終下翼緣焊縫處應力過大發生斷開，模型破壞。對比Z形對接焊接節點，查看應力云圖(圖9、圖10)可以看出，隨著時間的增長，跨中位移逐漸向下發展，模型兩端靠近支座處最先出現屈服應力，發生屈服，隨后跨中區域開始發生屈服，兩端和跨中都出現塑性鉸，直到荷載加到最大無法繼續加載，模型大部分屈服，但沒有出現開裂，模型兩端位移。

圖7 標準焊接對接節點腹板應力云圖Fig.7 Stress nephogram of web of standard welded butt joint

圖8 標準焊接對接節點翼緣應力云圖Fig.8 Stress nephogram of flange of standard welded butt joint

圖9 Z形焊接對接節點腹板應力云圖Fig.9 Stress nephogram of web of Z-type welded butt joint

圖10 Z形焊接對接節點翼緣應力云圖Fig.10 Stress nephogram of flange of Z-type welded butt joint

從模型的破壞模式和應力分布圖7～圖10可以看出，標準對接焊接節點模型結構在焊縫處，特別是下翼緣焊縫處比較薄弱，抗彎能力相對較差，容易屈服開裂。而Z形對接焊接節點，模型抗彎能力相對較強，焊縫處不容易屈服開裂，證明Z形節點焊接部位的對接焊縫比較牢靠，梁的整體抗彎性能與完整的整根梁抗彎性能相差不大。

2 節點受力性能

2.1 模型屈服彎矩與極限彎矩

由《鋼結構設計標準》GB 50017—2017受彎構件的撓度容許值，主梁的撓度容許值為梁跨度L的1/400[1]，所以認為此模型最大位移達到L/400時的彎矩為模型的極限彎矩。

通過分析有限元軟件ABAQUS結果文件可視化窗口，查看模型在固定荷載作用下各項指標隨時間變化的云圖(圖7～圖10)。按照規范給定的撓度控制值可以算出兩種節點模型的撓度容許值為7.5 mm，通過查看模型的位移云圖和應力云圖(圖7～圖10)，可以發現，對于標準H型鋼梁對接焊接節點，隨著時間的增加，荷載逐漸加載，當跨中腹板下翼緣開始出現屈服時候，跨中撓度離允許撓度還有很大距離，此時的跨中撓度為1.77 mm，模型的最大彎矩出現在跨中處為73.08 kN·m，所以認為此彎矩為此規格標準H型鋼梁對接焊接節點上的屈服彎矩。對于Z形H型鋼梁對接焊接節點，隨著時間的增加，荷載逐漸加載，當梁的左端端部開始出現屈服時候，跨中撓度離允許撓度距離已經很接近了，此時的跨中撓度為4.04 mm，模型的最大彎矩出現在跨中處為108.2 kN·m，所以認為此彎矩為此規格Z形H型鋼梁對接焊接節點上的屈服彎矩。

由于兩種節點形式的模型在模型開始屈服的時候都還沒有達到受彎構件的最大撓度容許值，因此兩種節點形式模型的極限彎矩要大于屈服彎矩。通過查看模型的位移云圖和應力云圖(圖7～圖10)，可以發現，對于標準H型鋼梁對接焊接節點，隨著時間的增加，荷載逐漸加載，當模型的跨中位移達到7.5 mm時，模型的跨中撓度達到最大允許值，認為此時為模型的極限承載狀態，通過查看跨中彎矩-豎向位移曲線圖11可以知道，此時的模型最大彎矩發生在跨中處為135 kN·m，所以認為此彎矩為此規格標準H型鋼梁對接焊接節點上的極限彎矩。通過查看模型的位移云圖和應力云圖(圖7～圖10)，可以發現，對于Z形H型鋼梁對接焊接節點，隨著時間的增加，荷載逐漸加載，當模型的跨中位移達到7.5 mm時，模型的跨中撓度達到最大允許值，認為此時為模型的極限承載狀態，通過查看跨中彎矩-豎向位移曲線圖11可以知道，此時的模型最大彎矩發生在跨中處為149 kN·m，所以認為此彎矩為此規格Z形H型鋼梁對接焊接節點上的極限彎矩。

通過分析模型的極限彎矩和屈服彎矩，能夠得到，在同一規格的H型鋼下，Z形H型鋼梁焊接對接節點模型的屈服彎矩和極限彎矩比標準H型鋼梁焊接對接節點要高，可見Z形節點的抗彎能力要優于標準節點，具有很好的抗彎性能。

2.2 跨中彎矩-豎向位移曲線的比較

通過分析有限元軟件ABAQUS結果可視化窗口，讀取模型在固定荷載作用下各項指標隨時間變化的數據，將模型的跨中彎矩和跨中豎向位移的數據利用ORINGIN軟件繪制成散點曲線圖，這就是模型的跨中彎矩-豎向位移關系曲線圖，文中兩種模型通過上述加載方案得到的跨中彎矩-豎向位移全過程曲線如圖11所示。

圖11 跨中彎矩-豎向位移關系曲線Fig.11 Mid moment vertical displacement curve

由圖11可知，Z形H型鋼梁對接焊接節點比標準H型鋼梁對接焊接節點能承受的荷載更大，承載能力更強。在整個試驗過程中，Z形H型鋼梁對接焊接節點模型和標準H型鋼梁對接焊接節點模型呈現出相似的受力性能: 鋼材出現屈服前，試件正工作在彈性階段，跨中彎矩-豎向位移曲線表現出線性的形式。之后持續增大加載力大小，跨中段產生微小屈服然后漸漸變多，模型進入塑性工作階段，模型的變化在微小的突變后又基本保持穩定。之后加載力再加大，在彎剪域發生鋼材屈服而且逐漸沿斜向延伸; 當加載力超過一定數值后，屈服區域急速增大，但荷載緩慢增加。最后模型被壓垮，無法繼續加載。對于模型，由分析可知，Z形H型鋼梁對接焊接節點和標準H型鋼梁對接焊接節點在保證剛性連接的條件下，梁端和跨中形成塑性鉸后仍呈現出較好的工作狀態。焊縫處除采用綁定連接導致局部應力過大外，大部分區域應力水平較低，且焊縫區域和相鄰鋼構件應力變化趨勢一致，由此可看出此節點其具較好的安全余量和合理的傳力途徑。對比兩種節點樣式可以看出，Z形節點比標準節點在承載能力上要強一些。

3 不同截面大小受力性能比較

3.1 跨中彎矩-豎向位移曲線的比較

通過ABAQUS，建立不同尺寸的標準節點模型和Z形節點模型，分別計算得到各個模型的極限的彎矩和屈服彎矩，得到數據文件，并通過整理分析，給出了不同尺寸大小的標準H型鋼梁對接焊接節點和Z形H型鋼梁對接焊接節點跨中彎矩-豎向位移曲線，如圖12、圖13所示。

由圖12、圖13可知，在整個試驗過程中不同截面大小的節點呈現出相似的關系曲線，鋼材出現屈服前，模型階段位于純彈性，跨中彎矩-豎向位移曲線基本表現為線性關系，隨著豎向位移的逐漸變大，截面較大的H型鋼比截面較小的H型鋼局部部位先進入屈服，導致截面較大的H型鋼在出現屈服到達到極限狀態的這段過程當中承載能力的提升速度比小截面較小的H型鋼要慢。還可以看出，不同H型鋼梁截面面積對節點的受力性能影響不大，其跨中彎矩-豎向位移關系曲線形狀基本相似。

圖12 標準節點跨中彎矩-豎向位移關系曲線Fig.12 Mid moment vertical displacement curve of stan-joint

圖13 Z形節點跨中彎矩-豎向位移關系曲線Fig.13 Mid moment vertical displacement curve of Z-joint

3.2 不同截面大小節點彎矩推薦表及公式

分別計算不同尺寸大小的標準節點模型和Z形節點模型，得到數據文件，并通過整理分析，給出了不同尺寸大小的Z形H型鋼梁對接焊接節點承載能力推薦大小表格，如表2所示。

表2 Z形焊接對接節點承載能力推薦表Table 2 Recommended bearing capacity of butt welded joints

由推薦彎矩表格可以分析得到，對于截面尺寸小于600 mm×300 mm×10 mm×20 mm規格的H型鋼梁，Z形對接焊接節點比標準對接焊接節點的承載能力強，Z形節點最大彎矩比標準節點最大彎矩大10%左右。當截面尺寸大于600 mm×300 mm×10 mm×20 mm之后，此規律不再適用，原因是截面尺寸過大，焊縫對結構的削弱影響也變得更大，Z形節點最大彎矩比標準節點最大彎矩的比值在持續降低。

對于一根完整的H型鋼梁，M是彎矩設計值(kN·m)、W是鋼梁的截面模量(m3)、f是鋼梁材質的抗彎強度設計值(kN/m2)，利用鋼結構梁的強度計算公式M=Wf，對比標準節點和Z形節點承載能力，可以通過分析得到Z形H型鋼梁焊接對接節點最大承載彎矩的計算公式。根據不同規格的H型鋼梁，通過強度計算公式得到其最大彎矩。通過對比標準節點承載能力，Z形節點承載能力和強度計算公式得到的節點承載能力3組數據可以得到各規格標準節點承載能力和Z形節點承載能力占強度計算公式得到的承載能力的占比。通過對比標準節點承載能力，Z形節點承載能力和強度計算公式得到的節點承載能力3組數據可以分析得到，對于截面尺寸小于600 mm×300 mm×10 mm×20 mm規格的H型鋼梁，標準節點最大彎矩是由強度計算公式得到的節點承載能力75.5%左右，Z形節點最大彎矩是由強度計算公式得到的節點承載能力85.0%左右,由此給出Z形H型鋼梁對接焊接節點承載能力推薦計算公式為M= 0.85Wf。當截面尺寸大于600 mm×300 mm×10 mm×20 mm之后，此規律推薦計算公式不再適用，原因是截面尺寸過大，焊縫對結構的削弱影響也變得更大，標準節點最大彎矩和Z形節點最大彎矩相較于強度計算公式得到的節點承載能力的比例在不斷縮小。

4 結論

(1)H型鋼梁Z形對接焊接節點與標準對接焊接節點彎曲破壞特征相同，受彎承載力與規范值相差較小，且其受彎承載能力要強于現有的規范值約10%。可見，本文中Z形對接焊接節點可以繼續使用現行的鋼結構設計規范進行受彎承載力設計。

(2)ABAQUS 有限元分析軟件可以有效地模擬鋼結構梁受彎承載行為，計算結果有不錯的可靠性。

(3)有限元計算驗證了H型鋼梁標準對接焊接節點實用設計公式在Z形對接焊接節點設計時的安全性與可靠性，截面應力分布與規范梁梁拼接節點理論內力分布相似。

(4)當H型鋼梁截面尺寸過大之后，由于焊縫也變長，焊縫對結構的削弱影響也變得很大，導致結構的承載能力被削弱得也變得更大，推薦的承載能力公式不再適用，需要進一步分析研究。