第!"卷 第"期 建 筑 结 构 "##"年"月
单面焊接$形截面短柱极限承载力研究
!
陈以一 陈 城 沈祖炎 郑沁宇
(同济大学建筑工程系 上海"###%")
[提要] 通过单面焊接$形截面短柱极限承载力试验和相应的有限元计算与分析,表明在静力荷载条件下,
较薄腹板构件的极限承载力对单面角焊缝接头并不敏感;但在腹板较厚的构件中,角焊缝的相对熔深对其极
限承载力有一定的影响。
[关键词] 轻型钢结构 单面角焊缝 熔深 极限承载力 约束条件 屈曲后强度 有限元分析
&’()(*)+,)’(-.)/01)(*)2(34)’+,)’(15/1..678+092(**(:$7*’19(:*)((.*)-;*</)’+3(7*/:(,/..()<(.:13:)’(2(.(7
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!高等学校骨干教师资助计划资助。
一、研究的目的
对单面焊接 $形截面短柱轴压时的极限承载力
进行试验和数值分析。单面焊接 $形截面指翼缘和
腹板采用单面角焊缝接头的焊接 $形钢。对这种焊
接接头抗拉和抗剪承载力的试验结果,已在文献[C],
["]发表,但使用这种焊接接头的钢构件的力学性能尚
需进一步研究。对轴心受压短柱的极限承载力研究,
是其中的一个重要内容。
单面焊接$形截面钢构件主要用于轻型钢结构。
利用腹板的屈曲后强度,是轻型钢结构构件设计时的
特点之一。采用单面焊还是双面焊,对腹板的约束程
度是不同的:一方面,双面焊能使腹板和翼缘完全焊透
或基本熔合,而轻型钢构件的单面角焊缝熔深只及腹
板的一半甚至更小,因此前者对腹板的边界约束大于
后者;另一方面,对腹板平面外鼓曲的屈曲模式而言,
单面焊提供的边界约束是不对称的。因而,翼缘与腹
板的单面焊接角焊缝接头对轴压短柱的稳定临界力和
极限承载力是否有影响,以及有多大影响,都需要加以
研究。本文报告了对轴压短柱极限承载力的试验和数
值分析结果。
二、试验研究
CD试件及加载测试方案
试件概况见表C,表中!<,",#,,#<分别为腹板高
度、翼缘宽度、翼缘和腹板厚度,$ 为试件长度,!,为
焊脚尺寸,%<6,%,6分别为腹板和翼缘的屈服强度。腹
板与翼缘用同侧单面角焊缝连接。焊接方式为埋弧自
动焊,腹板厚度为E,F00的试件焊接工艺代号为!,
厚G00的试件焊接工艺代号为",详细参数见文献
[C]。试件两端采用厚"#00的端板。试件在H###BI
级试验机中均匀加压,加载按截面几何对中,未考虑单
面焊缝造成的几何偏心,该偏心的影响相对较小,且有
一定离散,难以估计。关于物理对中,试加载时做过微
调,即调整试件相对加载设备的位置,但对薄板试件,
由于板件的厚度变化、初始弯曲以及扭曲,完全的物理
对中是不可能的。图C给出了应变和位移计布置图,
图"为加载及测试实况。
"D试验破坏现象
(C)所有试件的腹板和翼缘在加载后期均发生局
部鼓曲,钢板局部鼓曲部位表面氧化层脱落,可以认为
试件破坏由板件局部失稳引起。
(")极限荷载后,尽管试件局部失稳变形发展迅
速,但卸载后观察,单面连接焊缝无破坏迹象,无焊缝
侧的翼缘腹板间的间隙无明显张开。
图C 试件测点布置图
!
试件概况 表!
试件
编号
设计尺寸(!!) 实测尺寸(!!)
钢材屈服
强度("#$)
设计宽厚比
!%&"&#’&#%($ !’ !%&"&#’&#%($ !’ %%) %’) !%/#% "/*#’
+,#-.-
+,#-./
+,#*.*
+,#*./
+,#/.-
+,#/.*
+,#0.-
+,#0.*
+,#1.-
+,#1.*
+,#2.-
+,#2.*
-23&*33&4&0(153
*03&*33&4&0(4*3
*03&/33&4&2(4*3
/23&/33&-*&2(-303
/*3&/33&-*&4(-303
043&/33&-*&4(-/03
0
0
1
1
2
2
-1460&-556*&764/&0633(14461
-1563&-556/&7643&0637(14563
*/461&*336/&7651&/65/(4-761
*/56/&*3361&7645&/651(4-760
*/561&-5561&7675&1653(4-761
*/563&*3363&7671&1623(4-461
/2-61&/3-61&--65*&1643(-30-61
/2361&/3-61&--642&2633(-30*63
/-563&*5561&--645&7653(-30*61
/-563&/3363&--654&7677(-30*63
04363&*5563&-*631&7673(-/0*61
04-61&*5561&--654&7673(-/0*63
167
26/
161
267
763
165
26/
262
76/
265
76-
265
0/5 /10
0/5 /10
/7/ /10
/7/ /01
/71 /53
/71 /53
03 -*61
23 -*61
03 -*61
23 -*61
03 -*61
23 -*61
图* 加载及测试实况
(/)图/列出两组试验曲线,
纵轴 &/&)为轴力和全截面屈
服时轴力之比,横轴 ’/#% 为实
测的腹板中点面外变形与厚度之
比,(/$为试件平均轴向压缩变
形与试件长度之比。从试验曲线
看,试件腹板宽厚比小且腹板较
平整者,加载后腹板面外变形很
小,直到临近极限时才有较大面
外鼓曲(如+,#-.-);宽厚比较大
者则自加载起不久,腹板面外变
形即开始发展,在加载过程中,中点的面外鼓曲方向会
有变化(如+,#2.-)。
图/ 柱子实测曲线
/6应变测试
图0给出了试件+,#-.-的若干组应变测试值,各
图中纵轴与图/相同。图0($)横轴为翼缘中点的竖向
应变值,图0(8)横轴为腹板近中央位置板件两侧的竖
向应变值,图中虚线为按理论计算得到的弹性变形曲
线。从图中可知,当 &/&)9361时,试件的刚度已有
变化,腹板应变的分叉则表明,此时腹板已有微小弯
曲。图0(:)为翼缘腹板交界处的剪应变,可以观测到,
在达到极限荷载前,剪应变较小。
06试件极限承载力分析
将试件极限承载力除以试件的横截面积,得到实
测平均极限应力,记为!;,列于表*。为便于比较,同
表列出了计算极限应力!!和!",其中!!按下式计算
!! )
%%)*%<+*%’)*’<
*%+**’
(-)
式中:*%,*’分别为腹板和一个翼缘的毛面积;*%<和
*’<为相应的有效面积,按下式计算
*%<)
03 */1%%! )#*% (!%"03 */1%%! )#%)
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"#’ ("#/3
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$
%
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)
(*8)
也即对腹板和翼缘分别考们了屈曲后的折减。
!"为按美国钢结构规范
[/]计算得到的极限应力
!" )
%%)*%<+*,=%’)*’
*%+**’
(/)
式中:,=为翼缘强度折减系数,根据本文试件的参数
分析,,=可取为-;*%<为腹板有效面积(>?*)
*%<)"<#%)
*1/#%
%%! )
-- 006/
("/#%) %%![ ]) #%#"#%(0)
式中应力单位为@=>,长度单位为>?;","<分别为四面
支承板的宽度和有效宽度。
表*中试验结果与计算结果比较表明:
(-)同规格试件的实测平均极限应力值非常接近,
试验结果稳定可靠;
(*)无论采用式(-)还是式(/),计算平均极限应力
值相差不超过1A,两者预测结果接近,但式(/)的计
算值比式(*)的高一些;
(/)从试验和计算值的对比可以看到,腹板设计宽
0 ????? ????
试验结果与设计公式计算结果比较 表!
!!/"! "# $#
腹板设计
厚度(%%)
试件 !!
(&’()
!"
(&’()
!#
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!!
!"
!!
!#
试件 !!
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3 )*’0,2 --1/2" -"0/03 -03/0. #/.3 #/." )*’$,2 2$-/1# -#"/+- -2#/0# #/31 #/32
图" )*’+,+应变测试曲线
厚比为"#、腹板厚小于3%%的试件,实测值与计算值
非常接近;腹板设计宽厚比为$#、腹板厚小于3%%的
试件,实测值与计算值也很接近。但腹板厚为3%%
时,实测值约小于计算值+#4甚至更大,当腹板的宽
厚比变大时,这一下降趋势更明显。
根据上述分析,可以认为单面角焊缝接头对较薄
板件的轴压稳定极限承载力无明显不利影响,计算公
式可以准确预测构件的承载强度。但当腹板厚度增
大,因而焊缝熔深相对减小时,对极限承载力存在一定
的不利影响。
图0 有限元建模图 图$ 反映柱子腹板初始缺陷的状态
三、单面焊对短柱极限承载力影响的有限元分析
+/计算建模
为验证焊缝相对熔深对短柱轴压承载力有一定影
响的推论是否成立,利用有限元计算软件)*56781
对部分试件和具有不同相对熔深的单面角焊缝短柱进
行有限元建模和极限承载力分析。
模型采用3节点板单元模拟腹板和翼缘,焊缝材
性假设与腹板相同,焊缝用板单元模拟,因焊脚尺寸较
小,将焊脚尺寸模拟为焊缝板在腹板高度
方向的长度,熔深模拟为焊缝板单元的厚
度,如图0所示。轴向压力采用板边施加
压力。材料假设为理想弹塑性,采用 9:;
&<=>=屈服准则。通过线性的屈曲分析得
到短柱的屈曲模态(图$),并以此模态模
拟柱子的初始几何缺陷,进行非线性的静
力计算,腹板面外最大初始位移与厚度比
为#/#2,远小于钢结构工程施工与验收规
范["]对钢板平整度的要求。计算中考虑材料的非线性
和由于腹板屈曲带来的几何非线性。
图1 计算模型比较
建模中对如何处理焊缝和翼
缘及腹板的连接有两种方法:其一
是将焊缝板单元与翼缘直角相交
且位于腹板对称轴上(见图1模型
+),建模较为简单,但使得构件截
面成为双轴对称,与实际有所差
别;其二是将焊缝板单元与翼缘和
腹板斜交(见图1模型2),在一定程度上可以反映不对
称约束的影响,建模较复杂。
通过有限元计算来检验这两种模型的计算结果是
否有差别。取一截面尺寸为"##?2##?3?",长度为
$##%%的模拟短柱,分别用两种模型计算其极限承载
力,将其平均极限应力分别记为!@!和!@",计算结果
见表-。表-表明,两个模型计算的极限强度差别很
小,以下建模即采用模型+的方法。
对试件的屈曲分析需要考虑残余应力的影响,但
其对静力极限强度影响不大,加之试验数据不能充分
反映单面焊熔深对屈曲强度的影响,所以本文对屈曲
模型"与模型!计算结果比较 表#
焊脚
(%%)
焊缝相
对熔深
!@!
(&’()
!@"
(&’()
!@!
!@"
" #/20 +$3/20 +$1/20 +/#+
" #/0# +13/20 +11/20 +/#+
" #/10 +33/-0 +31/20 +/#+
" +/## +.3/00 +.1/20 +/#+
0
临界应力不作深入研究,建模中也不考虑残余应力。
!"计算模型验证
对部分试验试件在模型#的基础上进行有限元分
析。钢材的屈服强度按实测取,熔深根据试件熔深测
试报告确定。表$列出了计算结果,其中!!为实测平
均极限应力,!"为有限元计算的极限应力。表$的比
较说明,采用本文建立的模型,可以相当准确地计算轴
压短柱极限承载力,模型是合理、可靠的。
试验试件有限元计算结果 表!
试件编号 !! !"
!!
!"
%&’#(# )$*"+, )$-"!, #"++
%&’$(# !**"$) !*!"!, #"+!
%&’.(# !.*".- !.,"!, #"+!
)"不同熔深单面焊/形钢短柱承载力分析
下面系统比较单面角焊缝熔深对短柱极限承载力
的影响。数值计算的对象设为两个系列:系列#,截面
尺寸为$++0!++0-0.,长度为.++11,腹板宽厚比
为.."2;系列!,截面尺寸为,++0!++0-0-,长度为
.++11,腹板宽厚比为.!",。腹板和翼缘交界面的焊
缝熔深!3与腹板厚度"4的比值(即相对熔深)取为变
量,分别为+"!,,+",,+"2,和#"+,每种系列各建$个
模型。钢材屈服强度设定为!),5’6。
图- 模型腹板面外最大
变形与压应力图
图* 极限强度相对值
与相对熔深图
图-是系列#采用%&789:2的计算结果,给出
了平均压应力和腹板面外变形的变化曲线,随着相对
熔深的减小,极限承载力降低。图*以各系列模型中
!3/"4;#"+的极限强度为基准,将各模型的极限强度
无量纲化后予以表示。表,列出了具体数值结果,并
给出了按式(#)得到的计算极限应力!#,表明数值计
算与公式预测结果的范围大体相同。
图*和表,均表明:随着相对熔深的减小,短柱轴
压极限承载力确有若干下降的趋势,且其下降的幅度
也与试验范围相近。相对熔深减小导致极限承载力下
降的推测,得到数值模拟结果的支持。
四、结论
(#)腹板厚度小于-11的短柱试件,试验中未发
有限元计算模型尺寸及计算结果 表"
模型
编号
焊脚尺寸
(11)
!3
"4
!"
(5’6)
!#
(5’6)
!"
!#
极限强度
相对值
# $ +"!, #.,"!, #-#"++ +"*#$ +"-.
! $ +",+ #2-",, #-#"++ +"*-2 +"*)
) $ +"2, #-*"), #-#"++ #"+$, +"*-
$ $ #"++ #*)"., #-#"++ #"+.. #"++
, . +"!, #-2"!, #-*".+ +"*-- +"*#
. . +",+ #*!".! #-*".+ #"+#, +"*)
2 . +"2, !+!"!, #-*".+ #"+.. +"*-
- . #"++ !+2"!, #-*".+ #"+*+ #"++
现单面焊缝对轴压极限承载力产生明显不利影响。厚
度等于-11时,试验极限承载力低于按考虑屈曲后强
度计算的短柱极限承载力。数值模拟表明,焊缝相对
熔深的减小是引起该现象的主要因素。
(!)焊缝相对熔深与焊脚尺寸及施焊工艺有关。
当腹板较薄时,较小的焊脚尺寸可获得较大熔深,对轴
压短柱的极限承载力不会有显著影响;但当腹板较厚
时,这种影响就会显现。由于其它以弯曲或剪力为主
的单面角焊缝构件的静载试验未观测到这种不利影
响,因此对非整体稳定控制设计的粗短轴心受力构件,
当要求充分利用屈曲后强度时,建议使用双面焊缝或
较大焊脚尺寸的单面焊缝,或对按式(#)或式())计算
的承载力予以折减。
致谢:巴特勒上海(有限)公司、美建钢结构有限公
司、美联钢结构有限公司给予资助并帮助制作试件。
参 考 文 献
#" 陈以一,沈祖炎,郑沁宇等</形截面构件中单面角焊缝接头的承
载性能:!焊缝熔深和接头抗剪承载力试验研究<建筑结构,
!++#,)#(!)<
!" 郑沁宇,陈以一,沈祖炎等</形截面构件中单面角焊缝接头的抗
拉承载性能:#焊缝接头抗拉承载力试验<建筑结构,!++#,)#
(!)<
)"8=%><%?@ABCBA6DBEFCEG%DGHADHG6I%D@@IJHBIKBFL<8%:,#*-*<
$" 钢结构工程施工与验收规范(MJ,+!+,—*,)<
(上接第#!页)
."随着循环位移加载幅值的增加,偏心受压构件
的卸载刚度逐渐降低,这与板件的反复屈曲有关。
参 考 文 献
#" 胡兆同,顾 强<循环荷载下压弯构件弹塑性弯扭屈曲的有限单
元法<西安公路交通大学学报,!++#,(!)<
!" 56A76@M8,@D6I<NODB16DBEFECDP@K@CEG16DBEFA6?6ABDQECOD@@I
RGBKL@?B@G<%D6RBIBDQ6FKKHADBIBDQECOD@@IOHFK@GAQAIBAIE6KBFL<NKBD(
@KRQSHTH1EDEU6FKV@@M,>7><’G@OO,#**!<
)"9BOPBT6HI6W,@D6I<7@DGECBDDBFLCEGO@BO1BAH?LG6KBFLECOD@@IRGBKL@
AEIH1F<NFL<%DGHADHG@O,#**-,!+($$.)<
$" 钢结构设计规范(MJX#2—--)<中国计划出版社,#*-*<
," 吕烈武等<钢结构构件稳定理论<中国建筑工业出版社,#*-)<
."N>>%(&YM#<):7@AE11@FK@KD@ODBFL?GEA@KHG@CEG6OO@OOBFLDP@
R@P6ZBEGECODGHADHG6IOD@@I@I@1@FDHFK@GAQAIBAIE6KO<&>=,%@BO1BA
:@OBLF,N>>%’HR<,#*-.,($,)<
2" 西安冶金建筑学院钢木结构教研组<开口截面钢偏心压杆在弯矩
作用平面外的稳定系数<西安冶金建筑学院学报,#*2$,(,)<
. ????? ????