【摘要】用ANSYS模擬框架結構的焊接，研究其對結構承載力的影響力，得出從筒體到邊跨的順序焊接時殘余應力和殘余變形較小，對結構承載力影響亦較小，故建議從筒體向邊跨的順序施工。
　　關鍵詞：多高層鋼結構，框架，承載力，影響
　　1引言
　　框架結構中筒體由剪力墻圍合成，抗彎、抗剪和抗扭剛度均很大，承受了大部分的水平荷載，在水平方向上能給予框架很強的約束作用，故在框架一核心筒結構施工過程中框架梁焊接順序的不同使結構的約束方式不同，從而使結構的焊接殘余應力和殘余變形的分布和量值有較大的差別，對結構的承載力亦將產生不同的影響。本文用ANSYS模擬框架結構的焊接順序，研究其對結構承載力的影響。
　　2建立分析模型
　　取框架一核心筒結構三層框架為研究對象，分析二跨、三跨、四跨和五跨框架梁從邊跨到核心筒的焊接順序(以下簡稱邊到中)和從核心筒到邊跨的焊接順序(以下簡稱中到邊)兩種情況下，焊接應力和殘余變形的不同分布、數值及對框架-核心筒結構承載力的影響。(圖1為三層三跨的框架計算簡圖)
　　（1）定義單元類型、截面網格劃分、定義材料屬性。
　　（2）創建幾何模型并劃分單元，模型中柱子均采用Z-3，梁均采用L-2。
　　
　　圖1三層三跨框架計算簡圖
　　3約束及荷載
　　（1）約束
　　柱腳為固定端，即約束柱腳所有自由度。筒體由剪力墻圍成，剛度很大，故約束與筒體連接梁端所有自由度。為了防止框架平面外失穩，將所有節點平面外位移Uz設置為0。
　　（2）焊接殘余應力和變形
　　本文需模擬框架梁不同順序焊接過程，殘余應力需在整個過程中逐步施加，殘余應力施加方式只能施加在第一個荷載步，無法滿足要求。故考慮降低框架梁兩端單元溫度，使框架產生溫度應力和變形代替焊接殘余應力和殘余變形（圖2）。由翼緣截面平衡條件可得：
　　（式1）
　　（式2）
　　（式3）
　　其中:F為翼緣截面合力;
　　為殘余應力;
　　為等效溫度應力;
　　A為積分面積(見圖2b);
　　為材料線膨脹系數;
　　E為材料彈性模量;
　　為下降溫度。
　　
　　(a)殘余應力分布(b)等效溫度應力
　　圖2等效應力示意圖
　　（3）水平荷載與豎向荷載:框架一核心筒結構中核心筒的剛度很大，承受了大部分的水平荷載，本節主要研究框架的承載力，故先在邊跨的梁柱各節點上施加100kN的水平荷載，再對框架施加一個較大的豎向荷載q，當框架達到極限狀態時所得到的豎向荷載即為框架的極限承載力，故豎向荷載q為一未知量。
　　4求解步驟
　　（1）對不同順序焊接過程的ANSYS模擬，建立模型并施加約束后具體步驟如下:
　　①殺死所有框架梁對應的單元。
　　②激活第一根焊接的梁對應的單元，施加相應的焊接殘余應力和殘余變形并求解。
　　③激活第二根焊接的梁對應的單元，其余步驟同b，用ANSYS的APDL語言編寫循環子程序實現焊接過程的模擬。
　　（2）焊接模擬完成后先對邊跨梁柱各節點施加l001cN的水平荷載，再對框架施加一個較大的豎向荷載均布荷載q，設置子步數為1000步并求解。
　　5計算結果及分析
　　對兩組模型進行數值模擬后得到以下結果:
　　（1）焊接階段
　　由圖3，圖4可知，殘余應力和殘余變形逐跨累積，故隨著跨數的增加，兩種不同順序焊接所得殘余應力和殘余變形均在增加，但從中到邊焊接其殘余應力和殘余變形要遠小于從邊到中焊接。
　　

　　由圖3和圖4可求得兩種情況下焊接殘余應力和殘余變形的變化率(見圖5):
　　（式4）
　　（式5）
　　其中為殘余應力變化率;
　　為殘余變形變化率:
　　為邊到中焊接的殘余應力;
　　為中到邊焊接的殘余應力;
　　為邊到中焊接的殘余變形;
　　為中到邊焊接的殘余變形。
　　
　　圖5兩種不同焊接順序殘余變形與殘余應變變化率
　　（2）加載階段
　　模擬完焊接階段后對模型逐步施加荷載，分別求得兩種情況下框架達到彈性極限時最大應力處的彎矩和軸力，對比分析焊接殘余應力作用下的初始彎矩和軸力，得出焊接應力和殘余變形引起的初始彎矩和軸力對結構承載力的影響。
　　當框架以邊到中順序焊接，框架焊接完成部分連成具有一定剛度的整體，對后焊部分框架產生較強的約束作用，且先焊部分產生的收縮變形使后焊部分的預設焊縫坡口寬度增加，導致后焊部分的焊縫寬度增加，殘余應力和殘余變形亦隨之增加。隨著框架跨數的增加，增長的趨勢愈加明顯。焊接殘余應力和殘余變形引起的初始彎矩相對較大，對框架承載力產生較大的削弱作用，且隨框架跨數的增加其影響率亦增加。
　　當框架以筒體到邊跨的順序焊接，僅筒體對框架后焊部分有約束，故其焊接殘余應力和殘余變形較小，產生的初始彎矩較小，對框架承載力的削弱作用亦小，且影響率隨框架跨數增加反而減小。
　　兩種不同順序焊接產生的軸力對框架承載力均沒有削弱作用，相反能一定程度上提高框架承載力，其原因為焊接產生的軸力與外荷載作用下產生的軸力方向相反，能抵消一部分外荷載產生的軸力，提高框架承載力。
　　6結論
　　在鋼結構工廠制作和施工現場拼裝的過程中，溫度隨時間和空間的急劇變化，使鋼結構產生較大的殘余應力和殘余變形。前者會降低多高層鋼框架構件的剛度，影響其彈性極限承載力后者則使框架二階效應增加。可見焊接殘余應力和殘余變形對結構承載力的影響不能忽略，研究焊接殘余應力和殘余變形對多高層鋼框架承載力的影響具有較大的現實意義。本文對于框架一核心筒結構，從核心筒到邊跨的焊接順序對結構的承載力影響較小，故建議在焊接施工過程中應從核心筒開始向邊跨施工。
　　參考文獻
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