鋼橋面板頂板與U肋接頭焊接殘余應(yīng)力分析

吉伯海，李坤坤，傅中秋

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇南京210098)

鋼橋面板制造過程中大量采用焊接工藝，焊接過程的不均勻溫度場以及由其引起的局部塑性變形不可避免地產(chǎn)生殘余應(yīng)力，焊接殘余應(yīng)力的存在直接影響到鋼橋面板結(jié)構(gòu)的承載能力及耐久性，特別是焊縫區(qū)域高的拉伸應(yīng)力可能導(dǎo)致疲勞強度降低［1-2］。近年來，國內(nèi)外多座橋梁的鋼橋面板出現(xiàn)疲勞損傷，且疲勞裂紋多出現(xiàn)在板件焊縫連接處，尤其在U形縱肋與橋面板的連接焊縫處，十分容易出現(xiàn)裂紋［3］。因此，有必要定性或定量分析鋼橋面板頂板與U肋接頭焊接殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，以研究其對鋼橋面板疲勞強度的影響。

20世紀90年代以來，國內(nèi)外學(xué)者先后對日本多多羅大橋、國內(nèi)蘇通大橋做了鋼主梁設(shè)計殘余應(yīng)力測試試驗［4-5］，國內(nèi)學(xué)者亦通過順序耦合方法針對鋼主梁U肋加勁板焊接殘余應(yīng)力進行分析［6］，但數(shù)量有限的分析研究難以揭示鋼橋面板焊接殘余應(yīng)力分布的普遍規(guī)律，且不十分完善。文中擬針對某大橋鋼橋面板頂板與U肋接頭焊接過程，利用有限元分析軟件，建立鋼橋面板頂板與U肋焊接構(gòu)造細節(jié)的有限元分析模型，通過熱-結(jié)構(gòu)直接耦合的方法研究鋼橋面板典型焊接構(gòu)造細節(jié)殘余應(yīng)力分布狀況。

1 U肋與頂板焊接分析模型

1.1 熱物理性能參數(shù)選取

焊接過程數(shù)值模擬屬于復(fù)雜的非線性分析［7］，計算時需要定義不同溫度的材料彈性模量、屈服應(yīng)力、熱膨脹系數(shù)和應(yīng)力應(yīng)變強化等參數(shù)。高溫下的鋼材熱力學(xué)性能參數(shù)對比參考Eurocode 3［8］及文獻［9］中關(guān)于低合金鋼材料參數(shù)變化曲線的規(guī)定，不同溫度下Q345低合金鋼熱物理性能參數(shù)的選取結(jié)果見表1。

表1 Q345低合金鋼熱物理性能參數(shù)Tab.1 Hotphysical parameter properties of Q345 low alloy steel

1.2 計算模型

正交異性鋼橋面板由頂板與U型縱肋焊接而成，支撐于橫隔板上。文中鋼橋面板模型尺寸依據(jù)某大橋?qū)嶋H尺寸。熱-結(jié)構(gòu)直接耦合分析單元類型選用耦合單元SOLID226，鋼橋面板頂板厚14 mm，U肋板厚 8 mm。U肋上口開口 300 mm，下口180 mm，高280mm，截面尺寸如圖1所示。U肋具有中心對稱性，取一半結(jié)構(gòu)建立模型，模型長寬均為300 mm。

圖1 U肋截面尺寸Fig.1 Size of U-rib section

正交異性鋼橋面板有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。以距焊縫兩側(cè)30 mm區(qū)域為熱影響區(qū)，熱影響區(qū)內(nèi)采用小尺寸網(wǎng)格單元，其中焊縫區(qū)域網(wǎng)格尺寸為2.5 mm;熱影響區(qū)外采用大尺寸網(wǎng)格單元進行掃略劃分。

圖2 有限元模型及網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh of FEM model

正交異性鋼橋面板U肋的焊接溫度場計算屬于瞬態(tài)熱分析［10］，初始溫度值設(shè)為室溫20℃，在焊件表面施加對流換熱荷載。依據(jù)正交異性鋼橋面板焊接過程中的實際安裝條件，在母板和U肋對稱中心線處施加對稱約束，母板底面兩側(cè)約束母板y方向位移，在截面一側(cè)約束構(gòu)件z方向位移。

2 焊接過程溫度場分析

2.1 焊接熱源輸入的選擇

在ANSYS中，焊接熱源載荷一般以熱流密度或生熱率的形式施加［11］。文中模型以生熱率的形式施加溫度載荷，采用生死單元法通過模擬焊縫填充的過程模擬焊接熱輸入過程。鋼橋面板U肋焊接采用CO2氣體保護焊，焊接電壓29 V，焊接電流380 A，焊接速度為10 mm/s，每個載荷施加的生熱率如下:

式中:Q為焊接電弧的有效功率(W);Aw為焊縫的橫截面積(m2);v為焊接速度(m/s)。

2.2 焊接過程熱循環(huán)曲線

正交異性鋼橋面板焊縫截面溫度云圖如圖3所示。由圖3可以看出，焊縫熔融部分形狀與焊縫尺寸相接近，說明熱源熱量施加合理。

圖3 焊縫截面溫度云圖Fig.3 Temperature nephogram of weld cross section

通過時間歷程后處理可以得到焊件不同位置點溫度隨時間變化情況。圖4為選取沿焊趾7個溫度測點及其對應(yīng)的各測點熱循環(huán)曲線。

從圖4(b)中可以看出，焊接構(gòu)件上各測點溫度隨焊接時間的變化而變化，焊接開始階段溫度偏低且不穩(wěn)定，沿焊接方向各測點隨熱源移動依次加熱焊接，當熱源作用于該點時，溫度急劇升高，焊趾溫度逐漸穩(wěn)定在800℃以上，形成準穩(wěn)態(tài)溫度場，并隨熱源的離去溫度迅速下降，在100 s之后，焊件各測點溫度均降至300℃以下，隨后漸趨平緩。隨著冷卻過程的持續(xù)，各測點溫度變化逐漸趨于一致。

圖4 沿焊趾縱向各點熱循環(huán)曲線Fig.4 Thermal cycle curve of the weld toe longitudinal

3 中心截面焊接殘余應(yīng)力分析

3.1 等效殘余應(yīng)力分析

理論上構(gòu)件殘余應(yīng)力沿焊縫方向分布均勻［12］，故僅考慮垂直焊縫方向中心截面殘余應(yīng)力的分布情況。將構(gòu)件劃分為母板和U肋兩部分，分別觀察殘余應(yīng)力分布狀況。鋼橋面板母板及U肋等效殘余應(yīng)力分布情況如圖5所示。

由圖5可以看出，母板兩側(cè)等效殘余應(yīng)力對稱分布。焊縫及近焊縫區(qū)，包括母板及U肋靠近焊縫位置，等效殘余應(yīng)力值最大。其中，在距焊縫中心25 mm，即約3倍肋板厚(8 mm)的焊縫兩側(cè)范圍內(nèi)，母板及U肋等效殘余應(yīng)力均急劇下降，隨后應(yīng)力變化趨于平緩。

圖5 鋼橋面板等效殘余應(yīng)力分布曲線Fig.5 Residual Von-Mises stress distribution curve

3.2 母板殘余應(yīng)力分析

沿板厚各截面橫向、縱向殘余應(yīng)力的分布狀況分別如圖6、圖7所示。

圖6 母板橫向殘余應(yīng)力分布Fig.6 Transverse residual stress

圖7 母板縱向殘余應(yīng)力分布Fig.7 Longitudinal residual stress

母板橫向殘余應(yīng)力分布大體表現(xiàn)為拉應(yīng)力狀態(tài)，圖6距焊縫中心20mm左右殘余應(yīng)力值較高，橫向殘余拉應(yīng)力峰值約為材料屈服強度的0.5倍。焊縫中心存在應(yīng)力突變，其中殘余壓應(yīng)力最大值位于焊縫側(cè)母板表面中心，母板兩側(cè)應(yīng)力值較小。不同板厚截面橫向殘余應(yīng)力分布趨勢相似，應(yīng)力值存在差異，局部存在應(yīng)力突變。

由圖7可以看出，近焊縫區(qū)為拉應(yīng)力，兩側(cè)為壓應(yīng)力。近焊縫區(qū)殘余拉應(yīng)力值較大，拉應(yīng)力峰值處于母板中心，應(yīng)力值接近材料屈服強度。在焊縫兩側(cè)25 mm范圍內(nèi)，殘余拉應(yīng)力急劇下降，并且在距焊縫兩側(cè)20 mm位置左右轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，殘余壓應(yīng)力峰值出現(xiàn)在距焊縫中心約3倍肋板厚(8 mm)位置處，最大殘余壓應(yīng)力值約為材料屈服強度的0.4倍。不同板厚處縱向焊接殘余拉應(yīng)力值自上而下沿板厚遞減，壓應(yīng)力值自上而下沿板厚遞增。

趙秋等［6］對U肋板厚分別為4 mm及6 mm的頂板U肋焊縫進行了殘余應(yīng)力分析，保持U肋與母板的板厚比不變，隨著母板和U肋板厚的增加，母板與U肋的殘余拉應(yīng)力的分布寬度同時增加，殘余壓應(yīng)力的分布寬度則相應(yīng)減小，但其數(shù)值大小將隨之增大。觀察其母板縱向殘余應(yīng)力分布圖，可以看出當U肋板厚分別為4 mm、6 mm時，母板最大殘余壓應(yīng)力峰值分別出現(xiàn)在距焊縫中心約13，18 mm位置處，分別相當于對應(yīng)U肋板厚的3倍，與文中研究結(jié)論一致;U肋板厚4，6 mm時，對應(yīng)最大殘余壓應(yīng)力分別為相當于材料屈服強度的0.3，0.35倍左右，文中所研究8 mm厚肋板對應(yīng)最大殘余壓應(yīng)力約為材料屈服強度的0.4倍，應(yīng)力變化規(guī)律與上述結(jié)論相符。

3.3 U肋殘余應(yīng)力分析

鋼橋面板 U肋焊接殘余應(yīng)力的分布如圖8所示。

圖8 U肋縱向殘余應(yīng)力分布Fig.8 Longitudinal residual stress distribution of U-rib

由圖8可以看出，U肋近焊縫區(qū)縱向殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，沿U肋厚度方向殘余應(yīng)力分布趨勢相似。拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在焊縫上邊緣，應(yīng)力值超過材料屈服強度。沿肋板方向拉應(yīng)力急劇下降，在距焊縫上邊緣約20 mm處轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，最大殘余壓應(yīng)力處于距焊縫上邊緣約3倍肋板厚(8 mm)的位置處，應(yīng)力值略高于材料屈服強度的0.1倍，隨后緩慢下降，肋板翼緣壓應(yīng)力趨近于零。對比文獻［6］中對U肋板厚分別為4，6 mm時所得到的U肋縱向殘余應(yīng)力分布曲線，可以得出U肋最大殘余壓應(yīng)力峰值出現(xiàn)距焊趾3倍肋板厚位置是不同板厚U肋構(gòu)造的普遍規(guī)律的結(jié)論。

3.4 焊縫中心豎向應(yīng)力分析

自U肋焊趾沿垂直母板豎向至母板下表面橫向與縱向焊接殘余應(yīng)力分布如圖9所示。

圖9 焊縫中心豎向殘余應(yīng)力分布Fig.9 Residual stress distribution along the vertical in center of weld

由圖9可以看出，焊縫中心橫向殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，縱向殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力。沿該路徑橫縱向殘余應(yīng)力分布曲線變化趨勢基本相同，最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在距焊趾5 mm位置處，最大拉應(yīng)力位于距焊趾12 mm位置左右，沿該路徑殘余應(yīng)力分布變化劇烈，呈現(xiàn)復(fù)雜的空間應(yīng)力狀態(tài)。

4 結(jié)語

1)母板橫向殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，近焊縫區(qū)殘余應(yīng)力值較高，存在應(yīng)力突變。母板縱向殘余應(yīng)力在近焊縫區(qū)表現(xiàn)為拉應(yīng)力，自焊趾至距焊縫中心約3倍肋板厚位置，應(yīng)力急劇下降并轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，殘余壓應(yīng)力峰值約為材料屈服強度的0.4倍，隨后向母板兩端遞減，幅度趨緩。

2)U肋縱向殘余應(yīng)力在近焊縫區(qū)表現(xiàn)為拉應(yīng)力，沿肋板應(yīng)力值急劇下降并過渡為壓應(yīng)力，最大殘余壓應(yīng)力在距焊趾約3倍肋板厚的位置，殘余壓應(yīng)力峰值遠低于材料屈服強度。

3)沿焊縫中心豎向，橫向殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力，縱向殘余應(yīng)力主要表現(xiàn)為拉應(yīng)力，橫縱向應(yīng)力分布曲線變化趨勢相似，最大殘余拉、壓應(yīng)力值接近材料屈服強度。沿焊縫豎向殘余應(yīng)力變化劇烈，呈現(xiàn)復(fù)雜的空間應(yīng)力狀態(tài)。

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