冷弯薄壁型钢焊接节点试验研究与对比分析*

赵莹

(吉林建筑工程学院城建学院，长春 130111)

在工程中冷弯薄壁型钢的应用越来越广泛，对其性能的研究也越来越多.据所搜集到的资料表明，冷弯薄壁型钢节点连接均为拉铆钉或自攻螺钉，这种连接方式的缺点是承载力低，并且对构件的截面有削弱.为此，本文对冷弯薄壁型钢的焊接节点进行了研究.

1 试件及试验［1-2］

1.1 试件设计及制作

用1∶1足尺模型进行试验.采用砂轮切割机将型钢制作成实验所需要的尺寸.柱子的有效长度取500 mm.试件均采用冷弯薄壁型钢C160X60X2.45，经材性试验测试其板材屈服强度为234，极限强度约为341.通过角焊缝连接，采用手工电弧焊，E 43系列焊条，焊条直径2.5 mm.焊缝质量为三级.3种形式不同的节点分别为:节点1采用上下两条焊缝;节点2在梁截面的内侧施焊;节点3将两个型钢背靠背连接到一起，在节点域用两条竖焊缝进行连接.

1.2 试验装置、测点布置及数据采集方法

本实验在吉林建筑工程学院结构试验中心进行.因荷载不大，试验采用100 kN油压千斤顶手动加载，梁端荷载通过放置在千斤顶顶部的应变式传感器连接应变仪测量控制，DH 3816应变测试系统采集数据及监测试验全过程.在柱的上下两端分别用钢丝紧固，防止试件倾覆和水平位移.在柱底部采用100 kN油压千斤顶分别对3个试件手动施加轴力40 kN，30 kN，50 kN，保证柱头顶板和柱脚分别与传感器和千斤顶抵紧.同时保证轴力通过截面几何形心.在梁上翼缘距离梁端100 mm和500 mm处各设一个位移表，以测量在加荷过程中梁的位移.在距离柱底100 mm处设置位移表，以测量柱的水平位移，使加载点通过梁截面的弯心，以减少在加载过程中的扭转效应.为保证局部稳定，在加荷处上下翼缘间设置支撑板件.取试件焊缝端部、焊缝中部等位置作为测点，分别沿垂直于焊缝长度方向和沿焊缝长度方向布置应变片，以测试其随荷载的增加应变的变化情况.

1.3 试验过程和现象

试验采用逐级加载.节点1试验的最初阶段应变和位移变化都比较平缓.伴随着荷载的增加，焊缝表面覆盖的药皮熔渣逐渐变酥脱落.荷载加至5.5 kN时，焊缝处开始有撕裂声，焊缝端处最危险点有轻微裂纹.荷载加至6.5 kN时，焊缝端点处撕裂声增强，裂纹沿焊缝长度方向从外向内逐渐蔓延，焊缝端处裂纹最为明显，此时无法继续加荷.全过程中梁不断向上翘曲.试验结束时，梁有轻微扭转，柱腹板有轻微鼓曲，焊缝的破坏面基本在45度线上.节点2试验荷载加至3 kN时，焊缝处开始有撕裂声，加至4.5 kN时，焊缝处撕裂声增强，同时观察到焊缝端处有明显裂纹，此时无法继续加荷.全过程中梁不断向上翘曲.试验结束时，梁有轻微扭转，柱腹板有轻微鼓曲.节点3试验荷载加至4 kN时，焊缝处开始有撕裂声，随后，响声逐渐增加.加至10 kN时，焊缝处撕裂声明显增强，同时观察到焊缝端处有明显裂纹，荷载加至11 kN时，无法继续加荷.全过程中梁不断向上翘曲.试验结束时，梁无弯扭倾向.节点形式及试验装置如图1所示.

图1 节点形式及试验装置

2 试验结果分析

2.1 破坏过程分析

从以上3个节点试验现象可以看出，节点1和节点2在荷载较大时梁均发生了不同程度的整体失稳，而节点3的梁在破坏的全过程中一直保持整体稳定.原因是在荷载形式、荷载作用点等条件相同的前提下，侧向抗弯刚度较大的受弯构件，其临界荷载较大［3］，因此节点3的稳定承载力较大.此外，截面形状对受弯构件弯扭屈曲临界荷载也有一定的影响［4］.节点3由于截面形式对称，受力均匀，荷载更易作用在剪心，因荷载偏心而导致的附加力矩较小，从而对其稳定承载力的提高起到了积极作用.因此，构件截面形式的选择对节点承载力的影响不容忽视.

2.2 荷载-应变分析

2.2.1 节点1实验数据整理和分析

由于在剪扭联合作用下距离焊缝群形心最远的点受力最大，而起弧和落弧处缺陷比较明显，所以选择节点处上侧焊缝距离左端20 mm和距离右端20 mm处的两个测点进行分析.

各测点随荷载增加而变化的曲线如图2所示.分析如下:

a.从该曲线可见，焊缝左端应变(测点7等)明显大于右端(测点3等).原因在于左端所受剪力和扭矩产生的分力同向，而右侧反向;

b.从开始加荷到荷载加至4.5 kN，大多数测点变化均匀，基本处于线性弹性阶段，测点6变化最为明显.该测点的应变片黏贴在焊缝最危险点附近的柱腹板上，沿垂直于焊缝长度方向上.此测点受力最大，在外荷作用下反映最为明显.另外，该测点呈现出非线性特征.原因在于此处距离施焊时起弧的位置最近，起弧时由于温度骤变，使得钢材内部的金相组织发生变化，焊接残余应力的存在也是导致非线性的重要原因;

c.荷载从4.5 kN发展到6 kN的过程中，各测点的曲线都趋于平缓，随着荷载的增加，应变的变化非常轻微，几乎没有变化;

d.从图2各曲线的形状可以证明，将冷弯薄壁型钢假定为理想的弹塑性体是可行的.

图2 轻钢节点1各测点荷载-应变对比

图3 节点3柱外侧焊缝各测点荷载-应变对比

图4 节点3柱内侧焊缝1各测点荷载-应变对比

图5 轻钢节点3柱内侧焊缝2各测点荷载-应变对比

2.2.2 节点3实验数据整理和分析

节点3由于构件截面对称，节点域焊缝的分布对称均匀，在很长一段时间内，焊缝处各测点的应变发展一直比较平缓，直至荷载加至9 kN时，个别测点开始出现应变发展加速的情况.在竖向荷载的作用下，节点3的焊缝群属于侧面角焊缝.侧面角焊缝主要承受剪力，塑性较好，弹性模量低，强度也较低.由于传力线通过侧面角焊缝时发生弯折，因而应力沿焊缝长度方向的分布不均匀，呈两端大中间小的状态，但在接近塑性工作阶段时，产生应力重分布，使不均匀性趋于平缓.

图3反映了节点3柱外侧焊缝处各测点的荷载-应变规律.从图3可以看出，除个别测点的轻微波动外，大多数测点的发展均呈现出弹性特征，直至节点丧失承载力时，该处各测点均未达到屈服.图4和图5是节点3节点域柱内侧的两条焊缝各测点的荷载-应变对比曲线.当荷载达到8 kN时，测点1-2，4-2，9-3，9-2，11-3，11-2出现了不同程度的波动，形成应变的高峰，以上各点均分布在焊缝的两端.这说明对于侧焊缝，沿焊缝长度方向应变的分布是两端大，中间小.9-2和4-2最大应变数值比较接近，几乎达到了-20 000.这一方面说明构造的对称性导致了焊缝受力的对称性;另一方面也说明了这种节点具有强大的变形能力.

2.3 荷载-位移对比分析

图6为各节点荷载-位移曲线.分析如下:

在加荷的最初阶段，各曲线呈现了轻微的非线性，这可能是由于柱端约束不够紧固导致的，这种非线性随着荷载的增加而逐渐减弱.节点2位移的发展一直呈现出非线性的特征.这是因为梁端距离梁的转动中心远，转动幅度大，受到外界干扰因素多.可见，轻钢结构梁的挠跨比对其非线性特征起到了一定的影响作用.节点3曲线的发展均匀而平缓，梁中的位移在荷载加至10 kN之前一直呈线性弹性特征，荷载加至10 kN之后，呈现出非线性的弹性特征;相比之下，梁端的位移稍有波动，但和节点1，2相比，波动微弱，这说明构件截面的对称性对节点的线性特征起到了积极的作用.

图6 节点1，2，3荷载—位移曲线图

各节点弹性阶段的最大位移达到了15 mm.可见，由于冷弯薄壁型钢板材较薄，刚度不是很好.

3个节点梁端和梁中的位移发展规律是比较一致的，充分体现了均匀、连续的力学假设.

节点3的刚度最大，而且变化平稳，这和轻钢节点3对称的截面形式和截面面积大等因素有关.从受力角度分析，节点1和节点3节点域焊缝的受力方式都是剪扭，而轻钢节点2为弯剪，显见，剪扭的受力情况要好于弯剪.

2.4 荷载-转角对比分析

从弯矩-转角曲线可以看出焊接节点呈现出接近刚性的半刚性特征(见图7).

2.5 焊接连接与自攻螺钉连接对比分析

在实验条件相同、梁柱截面形式相同的情况下，文献［5］对自贡螺钉连接节点做了相应的试验研究.现将结果进行对比.可见，焊接连接的节点承载力明显高于自贡螺钉连接的承载力(见图8).

图7 弯矩-转角对比

图8 焊接连接和自攻螺钉连接节点承载力对比

3 结论

通过试验研究和对比分析得到如下结论:

(1)当荷载达到某一数值，冷弯薄壁型钢焊接节点中的梁会发生失稳;

(2)对于焊缝连接形式，当受到剪力和扭矩联合作用时，比受到剪力和弯矩联合作用时节点的承载能力发挥要好;

(3)截面形式的对称性有利于节点性能的发挥;

(4)冷弯薄壁型钢焊接节点属于半刚性节点，焊缝最危险点附近的板材非线性特征较明显，其余各点基本呈规律的线弹性特征;

(5)其他条件完全相同时，焊缝连接的节点比自贡螺钉连接的节点承载力要高、刚度大、塑性好，并且对截面没有削弱.

［1］赵 莹.冷弯薄壁型钢焊接节点试验研究及有限元分析［J］.吉林建筑工程学院学报，2011，28(3):1-4.

［2］赵 莹.冷弯薄壁型钢-轻质混土组合节点性能研究［D］.长春:吉林建筑工程学院，2011.

［3］陈 骥.钢结构稳定理论与设计［M］.北京:科学出版社，2006:1-10.

［4］童根树，张 磊.薄壁钢梁稳定性计算的争议及其解决［J］.建筑结构学报，2002(6):44-51.

［5］吴学韬.型钢结构组合节点性能研究［D］.长春:吉林建筑工程学院，2011.