箱型截面焊接节点的相关研究现状

箱型截面焊接节点的相关研究现状

李金张水兵林海威俞健

云南大学建筑与规划学院，云南昆明650599

摘要：国内外对于焊接节点的研究主要集中在简单的X型、T型、K型等平面节点静力性能方面，而复杂空间节点的研究方面文献较少，近年来，焊接残余应力在各领域研究比较多，但在空间节点方面的研究也很少，焊接节点焊缝冷却后会产生很高的残余应力和一定的焊接变形。焊接残余应力不仅是引起焊接裂纹的主要原因，也是降低连接疲劳强度，促进应力腐蚀裂纹的开展和结构脆性断裂的要因，本文总结了箱型截面焊接节点的相关研究现状，为以后节点残余应力研究提供一些研究方向。

关键词：箱型截面，焊接节点，残余应力

引言：

我国的空间结构的设计与研究可以追溯到20世纪50年代，在70年代末80年代初，空间结构在我国逐步得到系统、全面、深入的研究，近二十多年以来，我国才出版了一系有关空间结构的专著和译著[1]。随着大跨度钢结构建筑的形式多样化、体系多样化，我国建筑规范中的节点类型已经不能涵盖所有的实际工程需求，对新出现的新型节点有必要深入研究，范重等[2]对空间结构中螺栓球与焊接球节点、圆钢管与方钢管相贯节点、高强螺栓连接板节点、铸钢节点、球形钢支座、板式橡胶支座、向心关节轴承支座、连桥支座等设计研究的历程进行了回顾，对上述各类节点设计中需要注意的问题做了总结，并给出了工程应用实例。

1.焊接节点的相关研究现状

上海建筑设计研究院和同济大学[26]进行合作，分别进行了DK型、KX型、KT型等相贯节点在不同荷载模式下的破坏试验研究，为我国钢管相贯节点的设计公式的修订提供了依据和参考。沈祖炎、陈扬骥在文献[3]对上海市八万人体育场屋盖大悬挑空间结构进行了十一个足尺节点的大管径直接焊接节点试验，对于掌握大尺寸节点的一些力学性能有着十分重要的意义，同时也为直接焊接的大管径节点的设计计算及类似节点研究提供了可靠依据。赵鹏飞、钱基宏等[4]对直角的T形节点进行了单项承载力研究，通过大量有限元分析计算和实验研究，并对结果进行回归分析，得到了T形、K形和KT形等不同矩形相贯节点在单项荷载状态下的承载力计算公式，为类似的节点研究和工程应用提供了指导和参考。

不同的残余应力分布，会导致构件各部位应力重分布不同，从而影响构件的静载及疲劳性能。在厚钢板大量应用之前，研究人员的工作大多集中在薄板焊接残余应力分布，而根据大量的实测总结，得出典型分布[5]可以如图1所示。姜翠香[6]运用条形切割法，对桥梁、建筑等结构设计中常用的厚板焊接箱型杆件和T型构件的残余应力分布进行实测，得出厚板焊接箱型杆件和T型构件截面纵向残余应力的分布情况。顾强[7]用切割法对厚板焊接的箱型截面进行了实测，得出结论，由于箱型截面焊缝壁板受压区与受拉区残余应力的分布不对称，导致箱型截面截面两轴的极限承载力不一致。

图1不同截面残余应力分布

2.箱型截面单层网壳焊接节点相关研究存在的问题与不足

（1）残余应力对空间节点的力学性能的影响的研究不够完善。

焊缝及其热影响区焊后残余应力很大，有时会超过其屈服强度。残余应力的存在会影响结构的承载力、刚度、稳定性等，使工件产生大变形，影响工件的尺寸精度和机械性能，因此研究焊接过程中应力应变的产生和演变十分重要。尽管在焊接热过程进行模拟分析上，我国的专家与学者们通过有限元方法投入了许多精力进行研究，且收益颇丰，但以建筑钢结构为研究对象的成果较少。尤其是箱型截面空间多向交汇焊接节点方面研究文献太少。

（2）焊缝的布置对节点的残余应力的研究相关文献太少

焊接的工艺参数、焊接的顺序对焊接残余应力的影响国内外都有一些研究，但是在建筑领域尤其是空间节点方面的研究也太少，这些因素在施工图设计中主动性较低，均按常规处理，潜力受限。而焊缝的布置设计在施工图设计阶段，主观能动性较强，我们应该重视。焊缝的布置数量、尺寸、焊缝的过度集中等都会影响焊接节点的残余应力分布，尤其是箱型截面焊接节点，由于多向焊缝交于一点、焊缝相贯线设计比较复杂，如何进行焊缝布置设计，避免截面形变和应力集中，降低或改善残余应力是一个非常有意义的研究课题，而国内在这方面的研究也非常少

3.结语

综上所述，我国单层网壳结构发展比较晚，在箱型截面空间多向交汇焊接节点的静力性能、动力性能、残余应力的研究文献非常少，残余应力的存在改变了节点初始的应力分布，从而使焊接节点在外荷载作用后，在局部区域提前进入塑性，发生塑性变形，造成内力重分布，折减了构件有效面积、刚度，从而降低了节点的承载力以及稳定性能，或会使脆性材料的节点提前发生脆性破坏，并且影响节点的疲劳性能。此外，残余应力是焊件产生变形和开裂等工艺缺陷的主要原因[32]。国内几乎没有专门的文献研究残余应力对复杂空间多向交汇节点的力学性能的影响。

参考文献：

[1]钱若军，杨联萍.空间格构结构设计.东南大学出版社，2007.02.

[2]范重，杨苏，峦海强.空问结构节点设计研究进展与实践[J]，建筑结构学报，2011，32（12）：1-15．

[3]沈祖炎，陈扬骥，等.上海市八万人体育场屋盖的整体实验模型和节点实验研究.建筑结报，1998，19（I）：48.53

[4]赵鹏飞，钱基宏，赵基达等.单项受力状态下矩形钢管相贯节点的承载力研究.建筑结掏学报.2005，26（6）：54

[5]张菁菁.累积损伤和残余应力对焊接组合厚板钢构件的力学性畿的影响[学位论文].北京.北京交通大学2010.1

[6]姜翠香，熊健民，余天庆.厚板焊接残余应力的测试.湖北工学院学报，2000，Voll5（1）.6—10.

[7]顾强，陈绍蕃.厚板焊接箱型截面柱残余应力的试验研究.西安建筑科技大学学报，1992，V01.24（4）.365.369.