【摘要】用ANSYS模擬框架結(jié)構(gòu)的焊接，研究其對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響力，得出從筒體到邊跨的順序焊接時(shí)殘余應(yīng)力和殘余變形較小，對(duì)結(jié)構(gòu)承載力影響亦較小，故建議從筒體向邊跨的順序施工。
　　關(guān)鍵詞：多高層鋼結(jié)構(gòu)，框架，承載力，影響
　　1引言
　　框架結(jié)構(gòu)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(qiáng)的約束作用，故在框架一核心筒結(jié)構(gòu)施工過程中框架梁焊接順序的不同使結(jié)構(gòu)的約束方式不同，從而使結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形的分布和量值有較大的差別，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載力亦將產(chǎn)生不同的影響。本文用ANSYS模擬框架結(jié)構(gòu)的焊接順序，研究其對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響。
　　2建立分析模型
　　取框架一核心筒結(jié)構(gòu)三層框架為研究對(duì)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(yīng)力和殘余變形的不同分布、數(shù)值及對(duì)框架-核心筒結(jié)構(gòu)承載力的影響。(圖1為三層三跨的框架計(jì)算簡圖)
　　（1）定義單元類型、截面網(wǎng)格劃分、定義材料屬性。
　　（2）創(chuàng)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(jì)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(wěn)，將所有節(jié)點(diǎn)平面外位移Uz設(shè)置為0。
　　（2）焊接殘余應(yīng)力和變形
　　本文需模擬框架梁不同順序焊接過程，殘余應(yīng)力需在整個(gè)過程中逐步施加，殘余應(yīng)力施加方式只能施加在第一個(gè)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(chǎn)生溫度應(yīng)力和變形代替焊接殘余應(yīng)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(yīng)力;
　　為等效溫度應(yīng)力;
　　A為積分面積(見圖2b);
　　為材料線膨脹系數(shù);
　　E為材料彈性模量;
　　為下降溫度。
　　
　　(a)殘余應(yīng)力分布(b)等效溫度應(yīng)力
　　圖2等效應(yīng)力示意圖
　　（3）水平荷載與豎向荷載:框架一核心筒結(jié)構(gòu)中核心筒的剛度很大，承受了大部分的水平荷載，本節(jié)主要研究框架的承載力，故先在邊跨的梁柱各節(jié)點(diǎn)上施加100kN的水平荷載，再對(duì)框架施加一個(gè)較大的豎向荷載q，當(dāng)框架達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)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(duì)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(duì)應(yīng)的單元。
　　②激活第一根焊接的梁對(duì)應(yīng)的單元，施加相應(yīng)的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形并求解。
　　③激活第二根焊接的梁對(duì)應(yīng)的單元，其余步驟同b，用ANSYS的APDL語言編寫循環(huán)子程序?qū)崿F(xiàn)焊接過程的模擬。
　　（2）焊接模擬完成后先對(duì)邊跨梁柱各節(jié)點(diǎn)施加l001cN的水平荷載，再對(duì)框架施加一個(gè)較大的豎向荷載均布荷載q，設(shè)置子步數(shù)為1000步并求解。
　　5計(jì)算結(jié)果及分析
　　對(duì)兩組模型進(jìn)行數(shù)值模擬后得到以下結(jié)果:
　　（1）焊接階段
　　由圖3，圖4可知，殘余應(yīng)力和殘余變形逐跨累積，故隨著跨數(shù)的增加，兩種不同順序焊接所得殘余應(yīng)力和殘余變形均在增加，但從中到邊焊接其殘余應(yīng)力和殘余變形要遠(yuǎn)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(yīng)力和殘余變形的變化率(見圖5):
　　（式4）
　　（式5）
　　其中為殘余應(yīng)力變化率;
　　為殘余變形變化率:
　　為邊到中焊接的殘余應(yīng)力;
　　為中到邊焊接的殘余應(yīng)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(yīng)變變化率
　　（2）加載階段
　　模擬完焊接階段后對(duì)模型逐步施加荷載，分別求得兩種情況下框架達(dá)到彈性極限時(shí)最大應(yīng)力處的彎矩和軸力，對(duì)比分析焊接殘余應(yīng)力作用下的初始彎矩和軸力，得出焊接應(yīng)力和殘余變形引起的初始彎矩和軸力對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響。
　　當(dāng)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(duì)后焊部分框架產(chǎn)生較強(qiáng)的約束作用，且先焊部分產(chǎn)生的收縮變形使后焊部分的預(yù)設(shè)焊縫坡口寬度增加，導(dǎo)致后焊部分的焊縫寬度增加，殘余應(yīng)力和殘余變形亦隨之增加。隨著框架跨數(shù)的增加，增長的趨勢(shì)愈加明顯。焊接殘余應(yīng)力和殘余變形引起的初始彎矩相對(duì)較大，對(duì)框架承載力產(chǎn)生較大的削弱作用，且隨框架跨數(shù)的增加其影響率亦增加。
　　當(dāng)框架以筒體到邊跨的順序焊接，僅筒體對(duì)框架后焊部分有約束，故其焊接殘余應(yīng)力和殘余變形較小，產(chǎn)生的初始彎矩較小，對(duì)框架承載力的削弱作用亦小，且影響率隨框架跨數(shù)增加反而減小。
　　兩種不同順序焊接產(chǎn)生的軸力對(duì)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?yàn)楹附赢a(chǎn)生的軸力與外荷載作用下產(chǎn)生的軸力方向相反，能抵消一部分外荷載產(chǎn)生的軸力，提高框架承載力。
　　6結(jié)論
　　在鋼結(jié)構(gòu)工廠制作和施工現(xiàn)場(chǎng)拼裝的過程中，溫度隨時(shí)間和空間的急劇變化，使鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力和殘余變形。前者會(huì)降低多高層鋼框架構(gòu)件的剛度，影響其彈性極限承載力后者則使框架二階效應(yīng)增加。可見焊接殘余應(yīng)力和殘余變形對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響不能忽略，研究焊接殘余應(yīng)力和殘余變形對(duì)多高層鋼框架承載力的影響具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。本文對(duì)于框架一核心筒結(jié)構(gòu)，從核心筒到邊跨的焊接順序?qū)�結(jié)構(gòu)的承載力影響較小，故建議在焊接施工過程中應(yīng)從核心筒開始向邊跨施工。
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