第 1 章 绪论
1.1 选题背景及来源
所有土木工程结构是各种构件的组合。钢、木材、混凝土是几种经常用来制作工程构件的材料。其中，钢材作为桥梁、建筑物、塔、道路等主要结构骨架，在结构工程中有着大量的应用。与其他现有常用的建筑材料相比,钢材具有强度高、再利用快、均匀性好、韧性好、弹性好、延性好、安装便等优点。两点间传递力最简单、最有效的是受拉构件。搭接板是钢结构中常用的一种杆件，实际工程中搭接板应用比较多；在工程实践中很难做到两个构件的各部分直接连接，并且会采用不同的连接方式，比如焊接、螺栓连接等，这些不同的连接构造措施产生剪力滞后效应，降低截面效率。不同构造条件下，焊缝的长度以及间距变化引起的剪力滞后效应对搭接板截面效率有直接影响，这种影响机理需要有足够的理论分析、有限元模拟、试验研究及工程实践，提供数据支撑，因此进行钢板搭接侧缝连接构造对剪力滞后效应的影响试验研究具有一定的理论意义。国内规范对于焊接连接搭接板截面效率缺少计算规定ANSI/AISC 360-16[1]中对焊接连接的搭接板给出效率计算公式，但是缺乏试验验证，本文的主要工作就是通过试验研究搭接板焊接连接轴向拉伸的力学特性并进行深入分析。
.......................
1.2 轴心受拉构件概述
1.2.1 轴心受拉构件的极限状态
钢制轴拉构件可以有各种形状和尺寸。基本形状有角钢、槽钢、平板、空心管以及各种类型的组合（双角钢、双槽钢）。其中，最常用的是板材。采用焊接连接的轴心受拉杆件采的极限承载能力的状态为截面出现屈服[2]。拉杆截面出现屈服毛截面的应力进入屈服平台，拉杆会发生过大塑性变化而无法承载。
1.2.2 剪力滞后
一般情况下，拉伸构件仅由其部分构件相互连接。当构件的各部分不完全连接到另一构件时，构件连接处存在应力集中，只有一小部分构件能够有效地承受荷载，产生剪力滞后效应。因此，剪力滞后效应可以定义为当构件仅通过其截面的一部分连接时，导致受拉构件承载力降低的非均匀、非弹性或非线性的应力分布，这是一个复杂的现象，已经被许多研究人员进行多年研究。此外，对于单角钢、槽钢等偏心构件的连接，轴向荷载的作用与构件的质心轴线不重合，造成二次平面外弯曲[2]。这些连接偏心、剪力滞后以及边缘应力集中的共同作用将导致截面出现强度不足的断裂，构件的承载力将显著降低。
在没有端焊缝的搭接板焊接连接中，直接连接到纵向焊缝上的构件通过焊缝传递载荷。反过来，这些单元将它们的力转移到附加在它们上面的另一部分。在这一过程中，一部分力被接受它的单元的直接轴力所抵抗，而其余的荷载通过剪切传递给相邻的单元。这个过程将一直持续到总载荷达到平衡。受剪切变形传递的力的单元滞后于直接通过焊缝传递力的单元。这种滞后造成构件连接处周围应力分布不均。这种效应称为剪力滞后效应，因为远离焊缝的构件，其应力滞后于靠近焊缝的构件应力，如图 1.2 所示。随着载荷的增加，在构件的总截面达到极限承载力之前，靠近焊缝的高应力区域进入塑性并开始开裂，这就降低了大多数拉伸构件的承载力。
.............................
第 2 章 试验概况
2.1 引言
构件在节点与其他构件连接时，很难做到直接连接，部分连接的构件会产生剪力滞后效应，影响截面效率。现行美国规范 ANSI/AISC360-16 中关于搭接板连接的截面效率计算公式缺少试验研究，我国新版规范中并未对钢板焊接搭接轴向拉伸截面效率提出相关规定。由于钢材自身存在缺陷，焊接质量有很大的随机性。本章介绍了焊接连接搭接板的设计与制作、加载装置实验方案、数据采集系统和材性试验，为后续的试验分析研究做准备。
按如图 2.1 所示加工试件，钢板采用目前工程中常用的 Q235 钢，制作 4 组试件。根据 ANSI/AISC360-16 中有关焊接连接搭接板截面效率的折减公式计算得到折减系数 U，区间为 0.49~0.90，国内规范中关于焊接连接搭接板的规定的焊缝长度l 与焊缝间距 w 宽之比大于 1，比值区间为 0.75~2，具体参数设计如表2.1 所示。试件尺寸主要考虑到实验室设备加载能力，此外设计应满足规范的规定，试验中选取的焊缝长度满足中国规范中焊缝长度大于 8 倍焊脚焊以及小于60 倍焊脚长度的规定，焊脚尺寸 6mm，焊缝最短 60mm，最长 140mm，焊缝起弧灭弧处离板边缘预留 10mm。
考虑到试验选用的是荷载设计值，与标准值之间存在差值；焊接质量受工人、工艺以及焊接材料有较大影响，需提前了解材料的真实强度。制作 1 组材性试件、最不利试件 Hc-10-6 试件两个，以验证参数设计是否合理。由搭接板材性试验得到的设计值，对搭接板试件实际的材料承载能力进行计算得到实际承载力，详细参数见表 2.1。试件尺寸如图 2.1 及 2.2 所示
................................
2.2材性试验
试件加工前进行材性试件，由华侨大学 200 吨万能试验机进行搭接板材料材性拉伸。材性尺寸如图 2.5（a）所示，以此来计算搭接板弹性段的应变数据。搭接板的板材拉伸试验按照《金属材料室温拉伸试验方法 GB/t 228-2002》[64]的要求进行。钢材力学性能结果实测值见表 2.2。
............................
第 3 章 等长焊缝试件轴向拉伸试验研究........................ 23
3.2.1 试验现象与破坏模态............................. 23
3.2.2 荷载-位移曲线.................................28
第 4 章 不等长焊缝试件轴向拉伸试验研究........................ 37
4.1 引言.................... 37
4.2 试验现象与结果分析.................... 37
4.2.1 试验现象与破坏模态.................................. 37
4.2.2 荷载-位移曲线............................42
第 5 章 试验结果与规范对比分析................................. 51
5.1 引言............................... 51
5.2 参数分析........................................ 51
第 5 章 试验结果与规范对比分析
5.1 引言
采用焊接连接的搭接板时，焊缝的间距与焊缝长度产生的剪力滞后效应是影响试件实际截面效率的重要因素，因此有必要分别对焊缝间距与焊缝长度进行参数分析，获得不同构造条件下，剪力滞后效应对截面效率的影响规律。通过试验，我们得到试件的实际截面效率，对比 ANSI/AISC 360-16 中有关公式的计算数值，分析和验证规范中公式的合理性，与国内规范中的相关规定进行比较分析，为我国的搭接板焊接连接构件设计提供建议。
进行设计试件时，主要考虑焊缝间距以及焊缝长度产生的剪力滞后效应对试件截面效率的影响，由于没有端焊缝，荷载全部通过侧面焊缝进行传递，轴向拉伸时，应力扩散表现为剪力流在焊缝长度方向的分布不均匀，最先接触的位置焊缝应力较高。荷载刚刚开始传递过程中，随着焊缝长度的增加，连接的材料越来越多，荷载逐渐通过焊缝向周围材料传递，应力逐渐减小。因此，关键截面处（两块板搭接的焊缝端部截面）应力较高，焊缝的另一端应力较低。所以，焊缝的长度和间距对荷载的传递范围有很重要的影响。截面上的应力不均匀，但钢材具有良好的变形能力，可通过变形将荷载进行传递，也就是应力的重分布。当焊缝间距较大且焊缝长度不足时，两条焊缝力线之间就有可能产生空隙，使截面荷载即使通过变形也很难进行全部有效的传递，板未能发挥出全部的能力，此时板内发挥作用的区域就是截面的有效截面，国内规范中有要求焊缝宽度与长度之比大于 1 的规定。因此，焊缝的间距和长度对搭接板有效截面有较大的影响，下文分别对焊接连接搭接板试验值中焊缝间距研究长度相应的参数分析，分析不同构造条件对搭接板截面效率的影响。
...........................
第 6 章 结论与展望
6.1 结论
本文通过对钢板搭接焊缝连接构造连接轴向受拉试件试验研究分析，考虑焊缝间距与长度、焊缝等长与不等长等因素，探究钢板焊接连接搭接板在轴向受拉条件下的力学性能以及截面效率，得到以下结论：
（1）对于等长焊缝，随着连接长度的减小，破坏模态由母材的弹塑性破坏，逐渐过渡到关键截面的破坏，关键截面断裂破坏时，虽然屈服但未出现颈缩，当板较宽折减系数较小时，构件连接变形较大且容易发生焊缝的破坏；对于不等长焊缝连接，破坏模态与等长焊缝相似，以关键截面的断裂为主；但当焊缝长度差距较大以及板材承载力与焊缝承载力接近时，容易产生焊缝的破坏，当板材宽度较小时，焊缝差值较大，容易产生较大弯曲变形。
（2）对于截面的承载能力，通过试验得到截面实际折减系数与公式吻合度较好，能满足设计的需要。对于 60mm 间距的不同构造试件，实际的截面效率较高，与公式计算的比值较大，最大差值有 42%；对于不同构造的试件实际承载力比较接近，表明当焊缝较窄时，剪力滞后效应并不明显；80mm 与 100mm试件不同构造试件实际承载力差别较大，表明剪力滞后效应对承载力影响较大，试验值与公式计算值的比值与 60mm 试件相比接近 1。公式能反映构件的实际承载能力。
（3）拉伸状态下，试件表面的应变片数值稳定增长，关键截面的应变增长较快，对于关键截面的应变片，靠近焊缝的应变片增长较快，最早进入屈服和强化。通过对应变片的数据变化分析，我们可以明显的看出应力在关键截面上的不均匀分布，不均匀程度反应截面的效率的大小；
（4）通过将数据与国内外规范的对比结果进行总结并分析，基于实际的试验结果，对现有的搭接板焊接连接构件设计提出相应的设计建议。
参考文献（略）