摘要：为了得到更为准确的节点受力情况，提高网壳结构的安全性、适用性、经济性、耐久性，有必要对节点的焊接残余应力进行分析。文章对网壳结构焊接节点的残余应力研究进行了分析归纳。
关键词：网壳结构；焊接节点；残余应力
引言
随着社会的进步和科学技术的发展，大跨度空间结构体系已经广泛应用于体育馆、会展中心、飞机场、展览馆等公共建筑。大跨空间结构是目前工程应用较为广泛的结构形式之一 [1]，也是实现大跨度建筑最合理的结构形式之一。为满足我国大跨度空间结构的需要，降低或消除残余应力对节点的危害、消除安全隐患，弥补国内研究的不足，为工程实践提供参考，所以本文研究焊接残余应力对节点的力学性能的影响及焊缝布置对残余应力的改善作用是一个非常重要和有意义的研究课题。
1.网壳结构的应用研究
网壳结构是一种由平板网架发展而来的空间杆系结构，它以杆系或空间桁架为基础，按一定规律组成曲面型空间网格。它兼具杆系和壳体的性质，其传力特点主要是通过壳内两个方向的拉力、压力或剪力逐点传力，合理的曲面可以使结构力流均匀，变形小、刚度大、稳定性高、节约钢材等，这类结构是力与艺术的结合，优美的建筑造型，能给设计师充分的创作自由，既能表现静态美，又可以通过平面和立体切割以及网格、支撑、杆件等变化表现动态美，具有非常广阔的工程应用前景。北京奥运会和上海世博会的先后成功举办极大地推动了大跨空间结构的发展和进步[2]。这类大跨度空间结构的发展对人们的生产、生活产生了重大的影响，人们也对空间结构的跨度及建筑创意、外观设计等提出了更为严格的要求，大跨空间结构的发展已经成为代表一个国家建筑科技发展水平的重要标志之一。
单层网壳空间结构的受力复杂，其节点由许多杆件交汇而成，是内力传递的关键点，节点一旦损坏，相连的杆件将失去作用，并导致传递路径的改变。为了使杆件更好的发挥作用，节点的破坏应该出现在杆件的破坏之后，即应遵循“强节点、弱杆件”的原则，节点设计的好坏，对结构的性能、制造安装、材料的用量、造价等都有很大的影响；是网壳整体结构设计成败的关键。单层网壳结构的杆件可以用普通型钢、薄壁型钢、铝材、木材、钢筋混凝土等。
2.网壳结构焊接节点研究
目前，箱型截面单层网壳中节点的类型主要包括钢管相贯节点[3]、焊接空心球节点[4]、钢板节点、铸钢节点、组合节点等。箱型截面焊接节点与组合节点、铸钢节点相比，加工精度要求低，制作周期短，允许位置偏差大，对安装技术要求低。与传统焊接空心球节点相比，箱型截面焊接节点的极限承载力更高，便于杆件的焊接定位，而且节点更加轻巧、简洁、美观。
箱型截面焊接节点，在焊接过程中要经受局部的加热和冷却，在焊件节点中就会形成了极不均匀的温度场，这样将不可避免的产生焊接残余应力和变形。焊接残余应力不仅是引起焊接裂纹的主要原因，也是降低节点疲劳强度，诱发应力腐蚀裂纹和增大结构脆性断裂危险性的重要因素。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆1994年1月17日，在美国的 Northridge 发生了 7 级地震，震后对 2066 幢钢结构建筑考察发现[5]，裂缝通常产生于梁与柱翼缘连接处的焊缝区。
3.焊接节点残余应力研究
在焊接节点焊接和冷却过程中，温度随时间的变化。开始焊接时，焊缝附近是升温，焊缝区急速膨胀，热膨胀受到周围金属的约束，产生很大的压应力；而后，随着冷却时间的增加，焊缝区金属冷却收缩，同样受到周围金属的约束，缝区金属将产生很大的拉应力。对某些钢材而言，这种拉应力经常接近甚至超过材料的屈服强度。因此在焊接节点焊缝处会存在一些微裂纹等初始缺陷。在强震，强风等极端循环荷载作用下，缺陷会随着荷载的往复作用不断扩展，形成宏观上的裂纹，或使得构件乃至结构发生不同程度刚度退化，强度降低甚至破坏，尤其容易在焊接处发生层状撕裂、脆性断裂，给结构的安全带来隐患。另一方面，焊接变形不仅会影响产品的外观，降低产品的质量，而且还会带来安装困难。焊接残余应力和焊接变形是同时产生的，但后者在工程上给予极大关注，前者往往关注不够甚至被忽视，原因是焊接变形比较直观，焊接应力比较隐秘。而且焊接应力测试困难和计算方法复杂，人们在发生事故或者在付出代价后，才能加强对焊接应力的重视。所以网壳结构设计时，必须考虑残余应力对节点力学性能的影响，综上所述，对节点中残余应力的研究是必要的，同样也是非常重要的。
由于残余应力的隐蔽性、复杂性、多变性等，在工程实践中，往往采用实验方法与数值计算相结合的方法，掌握其规律，达到预测、控制和调整残余应力。残余应力产生的原因有不均匀的塑性变形、加工载荷不均匀、金相组织变化、内部的位相差等。焊接温度场是产生焊接残余应力的决定性因素，影响温度场的主要因素有：热源的种类、焊接工艺参数、材质的热物理性能及焊件形态。焊接形态包括焊接的几何尺寸、接头形式、坡口形状、焊缝布置等。
4.结语
在箱型截面单层网壳焊接节点的残余应力方面的研究，现有的研究文献很少。随着发展“绿色建筑”被纳入国家“十二五”发展规划中，大型单层网壳结构在建筑中的应用日益广泛。焊接残余应力对节点的力学性能的影响及焊缝的布置的研究，是迫切需要研究的问题，焊缝的布置对焊接的残余应力的影响的研究也很少，在设计施工图中的主动性高，关系到节点的安全性、经济性、适用性。而焊接工艺参数、接头形式、坡口形状等因素在设计施工图中主动性低，均按常规处理，潜力受限。
参考文献：
[1]范重.杨苏.栾海强等.空间结构节点设计研究进展与实践.建筑结构学报，2011，32（12）：
[2]刘锡良.国内外空间结构节点综述.第九届空间结构学术会议论文集.北京：地震出版社，2000.10-18
[3]陈绍番.钢结构设计基本原理.北京：科学出版社，2005
[4]JGJ 61-2003，网壳结构技术规程[ S]
[5]Naka Shima M.Classification of damage to steel buildings observed in the 1995.Hyogoken-Nanbu earthquake[J].Engineering Structures，1998，20（4~6）：271-281.
论文作者:李金,张水兵,林海威,林煌超
论文发表刊物:《电力设备》2017年第28期
论文发表时间:2018/1/17
标签：节点论文; 应力论文; 残余论文; 空间结构论文; 结构论文; 截面论文; 单层论文; 《电力设备》2017年第28期论文;