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地震载荷下钢结构焊接接头断裂行为的研究及评估

卢庆华  
【摘要】:钢结构重量轻、抗震性能好,在工业生产领域和高层建筑中得到广泛的应用。 但近几次大地震中,许多抗弯钢结构的梁柱焊接节点并未像设计时所预期的那样 发挥良好的延性性能,而是出现了脆性破坏,可以看出有一个潜在的危险性没有 考虑。同时,在强烈地震条件下,钢结构将承受剧烈的冲击。钢材对冲击载荷很 敏感,它容易受强烈冲击而损伤,从而导致钢结构的强度和承载能力下降。 有鉴于此,本文主要模拟地震载荷,对钢结构焊接接头在预应变及动载下的 断裂行为等问题进行了一系列的研究。 以常用建筑结构钢 Q345 和 Q235B 为研究对象,通过不同温度下的夏比冲击 试验研究预应变对母材和焊缝冲击性能的影响。结果表明:材料在预应变下无论 是母材还是焊缝夏比冲击韧度均有所降低,韧-脆转变温度有所提高。Q345 母材 和焊缝 5%预应变后的韧-脆转变温度均低于 0℃,10%预应变后低于室温,因此 都可在室温下安全使用;而 Q235B 钢,除 5%预应变后的焊缝的韧-脆转变温度 较低外,其它经过预应变后的韧-脆转变温均高于室温。为建立客观的材料韧度 指标和进行更有效的安全分析时,预应变应作为一个考虑因素。 测试了Q345和Q235B母材与焊缝在无预应变与10%预应变下的力学性能, 得出随着预应变增加,材料的屈服强度与抗拉强度均有所提高的结论。同时,验 证了按公式推导出的预应变与屈服强度的关系与试验结果吻合,并进一步推导出 在 5%预应变下材料的力学性能。 测试了 Q345 和 Q235B 两种材料的母材与焊缝在 5%预应变和 10%预应变 静态下的 CTOD 值,研究预应变对 CTOD 断裂韧度的影响。 对 Q345 和 Q235B 在地震载荷作用下的动态断裂韧度与静态断裂韧度进行 比较分析。计算不同加载速率下焊缝和母材的 CTOD。结果表明,常温下动载对 Q345 钢焊缝和母材的断裂韧度有利,而对 Q235B 则产生不利影响。 最后,介绍了两种目前最新的危险评估方法,这两种危险评估方法可以使工 程技术人员对结构的脆性断裂危险性进行有效的评估,对已遭破坏的结构决定修 补措施,从而使危险降至最低程度。并运用该方法对不同预应变下的 Q345 和 Q235B 进行评估。可以看出加工制造与检测环节对结构的安全性影响很大;当 材料已经有了大的应力/应变,则温度对危险性的影响甚微。 建议:对于需要考虑抗震能力的钢结构的重要部件建议采用 Q345 钢制造。


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