焊接缺陷對(duì)超大跨拱橋鋼管拱肋力學(xué)性能的影響

嚴(yán)仁章, 朱美豪, 劉佳奇, 周建庭, 韓 玉

(1.省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400074； 2.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074； 3.廣西路橋工程集團(tuán)有限公司， 南寧 530000)

隨著拱橋跨徑的不斷增大，拱肋鋼結(jié)構(gòu)制造節(jié)段體量增大，焊縫增多，從而導(dǎo)致焊接變形變大[1]。且鋼管的制作由于管薄，總體焊接安裝精度控制難度大，加之大尺度拱橋誤差累積效應(yīng)更為明顯[2]，導(dǎo)致焊接缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)不利影響更為突出。焊接過程是一個(gè)不均勻的加熱、冷卻過程[3]，大量的焊縫必然會(huì)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生焊接殘余變形，會(huì)影響構(gòu)件的初始尺寸與成橋線形，降低結(jié)構(gòu)的承載能力，威脅結(jié)構(gòu)的安全性[4-10]。近年來，中外學(xué)者針對(duì)鋼管焊接作用對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響做了不少研究，Zhao等[11]建立了單個(gè)焊接空心球節(jié)點(diǎn)的實(shí)體模型，得出了整體結(jié)構(gòu)的極限承載力與空心球節(jié)點(diǎn)剛度有關(guān)的結(jié)論，但此分析方法也僅適用于上部網(wǎng)殼為焊接空心球節(jié)點(diǎn)的弦支穹頂結(jié)構(gòu)。Dong等[12]建立了鋼管與鋼管間焊接的精細(xì)化模型并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型準(zhǔn)確性，但用于橋梁焊接結(jié)構(gòu)整體受力分析會(huì)使整體模型過于復(fù)雜，不便于設(shè)計(jì)人員掌握。不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前對(duì)于整體結(jié)構(gòu)焊接作用模擬分析方法不少，但大多停留在定性的層次上，大多方法缺乏對(duì)整體結(jié)構(gòu)與個(gè)體構(gòu)件的綜合考慮，且鮮見跨徑 500 m 以上級(jí)別拱橋鋼管拱肋焊接施工的研究。為確保大橋使用階段的安全性與耐久性，鑒于實(shí)際施工階段中存在的焊接施工誤差損失，以某超大跨鋼管拱橋?yàn)檠芯勘尘?，利用ANSYS研究拱肋典型鋼管焊接過程產(chǎn)生的焊接殘余變形，以具體量化指標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，探究500 m以上級(jí)別拱橋鋼管拱肋焊接變形解決措施。

1 大尺度鋼管拱肋焊接過程焊接殘余變形

如圖1所示[13]，某超大跨拱橋跨徑組合為 10 m×20 m(引橋)+530 m(主孔跨徑)+4 m×20 m(引橋)，大橋矢跨比為1/4.5，拱肋為變高鋼管桁架結(jié)構(gòu)，拱肋鋼管直徑1 300 mm，壁厚由拱腳處30 mm漸變到拱頂?shù)?2 mm。拱肋分為40個(gè)吊裝節(jié)段，最重節(jié)段198 t，拱肋共約7 270 t。

圖1 大橋立面布置及焊接鋼管有限元模型Fig.1 Elevation of bridge and finite element model of welded steel tube

拱肋鋼管間焊縫數(shù)量多、焊縫尺寸比較大等眾多原因，導(dǎo)致焊接殘余變形會(huì)比一般橋梁大很多。為研究鋼管間焊接殘余變形大小和分布，選取拱肋上典型拼接鋼管，建立有限元模型進(jìn)行分析[14-18]。模型鋼管外徑、壁厚分別為1 320 mm和22 mm，焊縫長(zhǎng)度取100 mm，鋼管沿軸向過渡區(qū)兩邊各為 100 mm，總長(zhǎng)度各為300 mm。采用對(duì)稱焊接的焊接方式，因此將模擬過程簡(jiǎn)化為一個(gè)對(duì)稱問題，僅建立單側(cè)模型。為了便于分析結(jié)果提取，在鋼管外壁從起焊點(diǎn)0°～180°每隔15°取一個(gè)點(diǎn)定義為路徑L-1，采用映射網(wǎng)格劃分，焊縫及其附近處的網(wǎng)格劃分進(jìn)行加密，如圖1所示。整個(gè)模型共有 84 540 個(gè)節(jié)點(diǎn)，227 574個(gè)單元，焊接過程中熱源移動(dòng)及溫度變化規(guī)律如圖2所示?？梢钥闯鲭S熱源的移動(dòng)，焊縫附近溫度逐漸升高，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，動(dòng)態(tài)的溫度場(chǎng)導(dǎo)致了動(dòng)態(tài)的應(yīng)變，最終產(chǎn)生焊接殘余變形，反映了模擬過程的可行性。

對(duì)鋼管兩端進(jìn)行固定約束，并在沿鋼管軸向的對(duì)稱面上施加對(duì)稱約束。提取模型的焊接殘余變形，如圖3所示?？芍?，模型沿不同方向的焊接殘余變形差異很大，其中，軸向焊接變形最大為1.26×10-3m，且由焊縫向鋼管兩端過渡，焊接變形逐漸減小。最大軸向變形比最大環(huán)向變形的0.17×10-6m和最大徑向變形的0.8×10-6m大至少一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，在第2節(jié)分析焊接殘余變形對(duì)拱肋整體影響時(shí)，將忽略沿環(huán)向與沿徑向焊接殘余變形。

圖2 焊接過程的溫度梯度分布Fig.2 Temperature gradient distribution during welding process

圖3 焊接鋼管的焊接殘余變形Fig.3 Welding residual deformation of welded pipe

2 焊接缺陷對(duì)超大跨鋼管拱肋變形和內(nèi)力的影響

選取拱肋鋼管有限元模擬中軸向最大變形，即認(rèn)為焊接作用使得鋼管間沿軸向產(chǎn)生了1.26×10-3m的變形，將焊接缺陷考慮成初始缺陷來分析對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，每根桿件需要施加的等效溫度荷載如圖4所示，計(jì)算公式[3]為

(1)

式(1)中：ΔT為等效溫度， ℃；ΔL為桿件長(zhǎng)度變化，m；α為材料線性膨脹系數(shù)；l0為桿件原長(zhǎng)，m。

圖4 桿件等效溫度荷載Fig.4 Equivalent thermal load of members

建立全橋空間有限元模型，拱肋采用Beam188空間梁?jiǎn)卧M，共劃分為9 907個(gè)單元。計(jì)算時(shí)考慮幾何、材料雙重非線性(包括結(jié)構(gòu)大變形效應(yīng))，材料非線性采用Mises屈服準(zhǔn)則，將鋼按理想彈塑性本構(gòu)模型處理[19]。將荷載工況1定義為鋼管拱肋僅受重力荷載，為了比較焊接作用對(duì)結(jié)構(gòu)靜力性能的影響，引入荷載工況2為考慮結(jié)構(gòu)自重荷載與等效溫度荷載共同作用，分別提取兩種工況下拱肋變形與應(yīng)力如圖5所示。

圖5 兩種荷載工況下拱肋靜力性能Fig.5 Static behavior of arch rib under two load cases

由圖5可知，拱肋節(jié)點(diǎn)位移與桿件應(yīng)力均以跨中合龍段部位為對(duì)稱軸，沿順橋向兩側(cè)對(duì)稱分布。僅受重力荷載時(shí)，整個(gè)拱肋為向下?lián)锨冃?，全橋變形最大處發(fā)生在跨中橫橋向上節(jié)點(diǎn)部位[圖5(a)]，最大變形量為0.141 05 m，由跨中向兩側(cè)拱腳方向過渡，節(jié)點(diǎn)位移呈階梯形減小。拱肋上桿件以受壓為主，最大壓應(yīng)力與最大拉應(yīng)力分別出現(xiàn)在拱腳順橋向桿件與橫橋向桿件處[圖5(b)]，其值分別為-6.11×107Pa和1.38×107Pa；拱肋在考慮等效溫度荷載作用后，拱肋的變形分布規(guī)律與工況1基本相同，但拱肋最大撓曲變形轉(zhuǎn)移到了跨中順橋向上節(jié)點(diǎn)處[圖5(c)]，其值為0.189 878 m，相比于工況1增大了34.6%。分析原因可能是順橋向桿件多且長(zhǎng)度大多大于橫橋向桿件，所以焊接缺陷使得拱肋最大變形轉(zhuǎn)移到順橋向桿件上，而由于拱肋整體桿件較多，導(dǎo)致焊接誤差累計(jì)較多，使跨中區(qū)域桿件焊接效應(yīng)大于重力效應(yīng)，因此拱肋跨中部位最大變形增幅較大。對(duì)于拱肋桿件內(nèi)力，焊接缺陷使得拱肋受拉桿件增多，內(nèi)力分布也更加不均勻，值得說明的是，相比于工況1，桿件最大拉應(yīng)力由拱腳處桿件轉(zhuǎn)移到跨中部位桿件[圖5(d)]，可以看出焊接作用對(duì)受拉桿件影響較大，桿件最大應(yīng)力絕對(duì)值也增大到7.51×107Pa，增大幅度為22.9%，說明實(shí)際施工過程中存在的焊接缺陷不可忽略。

為進(jìn)一步研究焊接缺陷對(duì)大跨鋼管拱橋整體力學(xué)性能影響，提取兩種工況下拱肋主肋典型節(jié)點(diǎn)位移與桿件內(nèi)力，考慮到結(jié)構(gòu)本身和承受荷載的對(duì)稱性，節(jié)點(diǎn)以及構(gòu)件的選取集中在鋼管拱橋的1/4區(qū)域內(nèi)。

提取兩種工況關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移，繪制如圖6所示的3D條形圖并進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算拱肋上不同位置節(jié)點(diǎn)工況2下變形相比于工況1下變形的變化率，如表1所示。除已得到的結(jié)論外，從中還可看出，工況2下節(jié)點(diǎn)變形相比于工況1，拱肋由1/4跨過渡到1/2跨，節(jié)點(diǎn)變形增幅逐漸增大，跨中部位節(jié)點(diǎn)變形增幅最大為29.29%；拱肋由1/4跨過渡到拱腳處，節(jié)點(diǎn)變形降幅越來越大，拱腳節(jié)點(diǎn)變形降幅最大為56.3%，即焊接缺陷對(duì)拱腳變形影響較大，分析原因可能是由于拱腳處桿件交錯(cuò)復(fù)雜，荷載匯交于此，此區(qū)域節(jié)點(diǎn)位移對(duì)焊接缺陷較為敏感。但鑒于拱腳處節(jié)點(diǎn)變形數(shù)值較小，而跨中部位節(jié)點(diǎn)變形數(shù)值大，因此對(duì)跨中部位構(gòu)件應(yīng)格外注意采取措施減小焊接殘余變形。

表1 拱肋節(jié)點(diǎn)變形相對(duì)變化率

圖6 拱肋關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移3D條形圖Fig.6 3D bar graph of key joint displacement of arch rib

圖7 拱肋關(guān)鍵桿件內(nèi)力堆疊面積圖Fig.7 Stacking area graph of key member stresses of arch rib

提取兩種工況關(guān)鍵桿件內(nèi)力(取絕對(duì)值)并繪制兩組數(shù)據(jù)的堆疊面積圖進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示 (由于模型中同一區(qū)域橫橋向桿件內(nèi)力整體小于順橋向桿件內(nèi)力幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此僅對(duì)比主肋順橋向桿件)。從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，由拱腳過渡到跨中，兩種工況的桿件內(nèi)力變化趨勢(shì)基本相同，豎線為拱肋1/4跨對(duì)應(yīng)的位置，在豎線右側(cè)，對(duì)兩條曲線分別積分發(fā)現(xiàn)，面積S1>面積S2，而豎線左側(cè)則相反，面積S4>面積S3，這說明焊接缺陷會(huì)使拱肋跨中到1/4跨部位桿件應(yīng)力整體增大，使1/4跨到拱腳部位桿件應(yīng)力減小，這與關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)變形結(jié)果相符合，但除靠近跨中區(qū)域外，其他部位桿件內(nèi)力漲跌幅度大多低于10%，這也說明焊接缺陷對(duì)桿件應(yīng)力的影響程度弱于對(duì)節(jié)點(diǎn)變形的影響程度，而靠近跨中部位桿件內(nèi)力對(duì)焊接缺陷較為敏感，在拱肋施工過程中，應(yīng)格外注意跨中區(qū)域桿件的焊接制作問題。

3 大尺度鋼管拱肋施工階段焊接變形的控制措施

在大橋施工階段，施工技術(shù)人員從鋼管焊接制作方面采取了眾多控制焊接殘余變形的措施，這些措施和方法可以有效減小焊接變形：①使用對(duì)稱焊接的方式，即安排2名焊工，在鋼管兩側(cè)勻速對(duì)稱進(jìn)行接頭焊縫焊接，焊接前，用定位碼板將鋼管臨時(shí)固定，并控制焊縫間隙；②采用預(yù)置反變形措施，將鋼管沿焊縫變形的反方向設(shè)置一定的預(yù)拱度，使焊縫變形后正好形成所需的線形，如圖8(a)所示；③鋼管間焊縫內(nèi)部選用線能量較低的CO2氣體保護(hù)焊，多層多道，降低、分散能量輸入，外側(cè)清根后采用埋弧自動(dòng)焊的方式；④提高鋼管初始溫度，即焊前預(yù)熱，焊后保溫，減小溫度應(yīng)力造成的變形；⑤焊縫需100%超聲波探傷檢查，并抽取焊縫接頭5%進(jìn)行X射線檢查，最后對(duì)焊縫外觀進(jìn)行檢查，如圖8(b)所示。

圖8 鋼管的焊接制作Fig.8 Welding of steel tube

4 結(jié)論

超大跨拱橋鋼管拱肋對(duì)溫度反應(yīng)敏感，在焊接殘余變形的影響下，整體結(jié)構(gòu)變形和內(nèi)力將發(fā)生變化，進(jìn)而對(duì)橋梁線形和結(jié)構(gòu)承載力造成不容忽視的影響。開展焊接缺陷對(duì)超大跨拱橋鋼管拱肋力學(xué)性能影響研究，得到了以下結(jié)論。

(1)超大尺度鋼管對(duì)接焊接最大焊接變形出現(xiàn)在焊縫處，且鋼管沿軸向變形遠(yuǎn)大于沿環(huán)向與徑向的變形，最大軸向變形值為1.26×10-3m。

(2)焊接缺陷使超大跨拱橋鋼管拱肋跨中合龍段變形最大，其值為0.189 878 m，相較于拱肋，僅在自重下的變形0.141 05 m增加34.6%；焊接缺陷使拱肋最大內(nèi)力由拱腳部位轉(zhuǎn)移到跨中部位，數(shù)值上由-6.11×107Pa變?yōu)?.51×107Pa，增大幅度為22.9%，同時(shí)使得拱肋內(nèi)力分布更加不均勻；焊接缺陷會(huì)使整個(gè)拱肋跨中到約1/4跨部位節(jié)點(diǎn)位移與桿件應(yīng)力增大，1/4跨到拱腳部位節(jié)點(diǎn)位移與桿件應(yīng)力減小，且其對(duì)拱肋桿件應(yīng)力的影響程度弱于對(duì)拱肋節(jié)點(diǎn)位移的影響程度。

(3)從鋼管的焊接制作方面提出的減小焊接變形措施便于施工技術(shù)人員掌握操作，對(duì)類似工程具有一定的指導(dǎo)性作用。