厚鋼板對接焊接三維有限元數(shù)值模擬與分析

2014-08-08 20:26:18郭彥林陳航袁星

建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào) 2014年1期

關(guān)鍵詞：板件層數(shù)計(jì)算結(jié)果

郭彥林+陳航+袁星

建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)2014年文章編號：16732049(2014)01009008

收稿日期：20131116

基金項(xiàng)目：清華大學(xué)自主科研計(jì)劃杰出貢獻(xiàn)專項(xiàng)項(xiàng)目（2012Z10134）

作者簡介：郭彥林（1958），男，陜西富平人，教授，博士研究生導(dǎo)師，工學(xué)博士

摘要：采用有限元數(shù)值模擬方法，建立考慮熱固耦合效應(yīng)的鋼板對接焊接的三維有限元模型，運(yùn)用生死單元技術(shù)模擬焊接全過程，從焊接殘余變形和殘余應(yīng)力的角度，驗(yàn)證了分析模型的有效性，并分析了板件邊界約束、焊接層數(shù)與道數(shù)、板件厚度、焊接順序以及施工工藝對計(jì)算結(jié)果的影響。探討了簡化計(jì)算的可能性與正確性，并考慮了保溫和設(shè)置支撐等施工工藝對焊接施工的影響。研究成果可為設(shè)計(jì)與施工提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：厚鋼板；對接焊接；熱結(jié)構(gòu)耦合；殘余應(yīng)力；殘余變形；有限元；數(shù)值模擬

中圖分類號：TU758文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

3D Finite Element Numerical Simulation and Analysis on Butt

Welding of Thick Steel PlateGUO Yanlin, CHEN Hang, YUAN Xing

（Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China）Abstract: Finite element numerical simulation was adopted to erect 3D finite element model, considering heatsolid coupling effect. Meanwhile, livedead element technology was applied to simulate the whole welding process. The effectiveness of the model was verified in the aspects of residual deformation and residual stress. The influences of plate boundary constraint, welding layer and pass, plate thickness, welding sequence and construction process on the behavior of steel plates on calculation results were analyzed. The possibility and correctness of simplified calculation were discussed. The influences of construction techniques such as heat preservation and support setting on welding were considered. The conclusions can provide some references to welding design and construction.

Key words: thick steel plate; butt welding; thermalstructural coupling; residual stress; residual deformation; finite element; numerical simulation

0引言

目前，隨著高層結(jié)構(gòu)的發(fā)展，鋼板剪力墻、巨形鋼結(jié)構(gòu)柱和復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的使用越來越多。在鋼結(jié)構(gòu)施工過程中，焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余變形如果得不到有效的控制，會對結(jié)構(gòu)的受力和外觀產(chǎn)生很大的影響。

焊接過程的物理現(xiàn)象非常復(fù)雜，是一個涉及高溫電弧物理、傳熱、冶金和力學(xué)的復(fù)雜過程［1］。焊接產(chǎn)生的殘余應(yīng)力與殘余變形之間存在相互的協(xié)調(diào)，如殘余變形得到了釋放，則殘余應(yīng)力變小；反之，殘余變形被約束，殘余應(yīng)力就變大。目前獲取焊接殘余應(yīng)力和殘余變形的方法主要有試驗(yàn)測量法和數(shù)值模擬法。對于殘余變形的測量比較方便，而測量殘余應(yīng)力主要有應(yīng)力松弛法（包括鉆孔法、切條法等）、X射線法和裂紋法等。然而這些方法僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，用于小尺寸構(gòu)件的科學(xué)研究，無法適用于大型復(fù)雜構(gòu)件焊接殘余應(yīng)力的測量［2］，因此對于鋼結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力和殘余變形的研究多采用有限元數(shù)值模擬方法。

對于簡單構(gòu)件焊接的有限元數(shù)值模擬方法，各國許多學(xué)者已做了一定的研究，但是大部分成果都集中在機(jī)械工程領(lǐng)域，主要涉及焊接溫度場、殘余應(yīng)力場的模擬，并沒有將焊接問題擴(kuò)展到土木工程領(lǐng)域，考慮約束度、焊接順序、施工工藝等因素對焊接殘余應(yīng)力與殘余變形的影響，對施工實(shí)踐幾乎沒有指導(dǎo)作用。焊接過程中溫度梯度大，導(dǎo)致材料的嚴(yán)重非線性，進(jìn)而使得求解必須采用瞬態(tài)分析并且求解過程收斂困難，各國學(xué)者的研究大多采用的是簡化模型，如二維平面假設(shè)或軸對稱單元［39］，這導(dǎo)致實(shí)際問題與假設(shè)存在出入，計(jì)算結(jié)果誤差很大。三維有限元焊接數(shù)值模擬的文獻(xiàn)相對較少，國外學(xué)者對單道焊和多道焊的分析結(jié)果也主要集中在焊接溫度場和殘余應(yīng)力分布方面［1011］，缺乏參數(shù)變化，對結(jié)構(gòu)分析意義不大?，F(xiàn)有的研究基本都集中在小尺寸鋼板對接焊接的模擬上，不涉及大尺寸和大厚度鋼板對接焊接的模擬，無法與工程實(shí)際接軌。

本文中筆者應(yīng)用通用有限元計(jì)算軟件ANSYS，采用三維實(shí)體單元對大尺寸、大厚度鋼板和焊縫進(jìn)行建模，運(yùn)用生死單元技術(shù)模擬焊接全過程，研究了不同的約束度、焊接層數(shù)與道數(shù)、焊接順序和施工工藝對焊接殘余變形和殘余應(yīng)力大小和分布的影響，為設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1有限元模型及參數(shù)選取

1.1熱結(jié)構(gòu)耦合關(guān)系

焊接是熱固耦合問題，因此結(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡方程為［1］

σij,j=0(1)

式中：σij,j為熱應(yīng)力。

式（1）中包括了熱應(yīng)力的影響，其中σij包括了結(jié)構(gòu)受外力產(chǎn)生的應(yīng)力和熱應(yīng)力。結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變間的本構(gòu)方程為

dσij=Dijkl(dεkl-dεpkl-dεckl-dεTkl)(2)

式中：Dijkl為彈性本構(gòu)張拉系數(shù)；dεkl，dεpkl，dεckl，dεTkl分別為總應(yīng)變、塑性應(yīng)變、蠕變應(yīng)變和熱應(yīng)變。

熱應(yīng)變εTij與溫度和材料熱膨脹系數(shù)有關(guān)，其表達(dá)式為

εTij=αij(T-Tr)δij(3)

δij=1i=j

0i≠j(4)

式中：αij為材料熱膨脹系數(shù)；T為溫度；Tr為參考溫度；δij為δ算子。

在通用有限元軟件ANSYS中，有2種考慮熱結(jié)構(gòu)耦合場的單元。一種是直接耦合單元，該單元除了具有普通單元的位移自由度之外，同時具有溫度自由度，在受到局部溫度作用后首先按照熱傳導(dǎo)理論計(jì)算單元中的溫度場，得到溫度場之后將溫度作為外荷載施加在單元上，再結(jié)合單元受力和位移約束得到單元內(nèi)力分布。整個計(jì)算過程中，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移以及溫度分布是同時得到的。這種類型的代表單元是實(shí)體單元Solid5，然而Solid5單元為彈性單元，不能考慮塑性［12］。另一種是間接耦合單元，即首先采用計(jì)算溫度場的單元計(jì)算結(jié)構(gòu)在局部溫度作用下的溫度場分布，得到整個結(jié)構(gòu)的溫度場之后，將溫度場單元轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)場單元，再進(jìn)行普通的內(nèi)力計(jì)算。這種類型的代表單元是溫度場單元Solid70與結(jié)構(gòu)場單元Solid185，其結(jié)構(gòu)場單元Solid185可以考慮塑性。

endprint

采用間接耦合單元，即只進(jìn)行溫度場與應(yīng)力、應(yīng)變場的單向耦合，只考慮溫度對應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響，而忽略應(yīng)力、應(yīng)變場對溫度場的影響。實(shí)踐證明［12］，采用單向耦合的方法是合理的，本文中采用間接耦合單元進(jìn)行鋼板對接焊接過程的模擬和分析。

1.2材料參數(shù)

選擇2塊尺寸為1 m×1 m×0.03 m的板進(jìn)行對接焊接，焊縫為V形坡口，焊縫斷面尺寸如圖1所示，選用的鋼材為Q345普通結(jié)構(gòu)鋼，材料密度為7 850 kg·m-1，熱脹系數(shù)為1.48×10-5 m·℃-1，泊松比為0.29，熱傳導(dǎo)系數(shù)為34 W·(m·℃)-1，比熱容為420 J·(kg·℃)-1［13］。假設(shè)材料為理想彈塑性模型，Q345鋼材的力學(xué)性能見表1。

圖1焊縫斷面尺寸

Fig.1Crosssection Dimension of

Welded Seam1.3焊接熱源

ANSYS軟件中模擬焊接熱輸入的模型主要有高斯熱源模型和內(nèi)生熱率熱源模型。當(dāng)板件厚度不是特別大時，高斯熱源的熱供應(yīng)量是足夠的，而當(dāng)板件厚度比較大時，高斯熱源模擬焊接就與實(shí)際情況不一致，此時應(yīng)該采用內(nèi)生熱率熱源模型。本文中的研究對象是不同厚度的鋼板，采用內(nèi)生熱率熱源模型進(jìn)行模擬，通過施加內(nèi)生熱模擬電弧對焊縫的加熱作用［14］。

內(nèi)生熱率熱源模型的內(nèi)部熱生成以熱生成強(qiáng)度

表1Q345鋼材的力學(xué)性能

Tab.1Mechanical Behaviors of Steel Q345溫度/℃205008001 2001 500初始彈性模量E0/GPa21017550101屈服強(qiáng)度fy/MPa34518030105屈服后彈性模量E/GPa00000來表示，即將有效的焊接熱輸入量換算成每道焊縫單元在單位體積、單位時間內(nèi)熱生成強(qiáng)度的供給熱能，在所有焊接熱能都施加到焊縫上后，內(nèi)部熱停止生成。熱生成強(qiáng)度q的計(jì)算公式為

q=ηUIAweldvdt(4)

式中：U為電壓；I為電流；η為電弧熱效率，η值在0.7~0.9范圍內(nèi)，本文中取0.8；Aweld為焊縫的橫截面積；v為焊接速度；dt為每個荷載步的時間步長。

焊接參數(shù)見表2。

表2焊接參數(shù)

Tab.2Welding Parameters焊道電流/A電壓/V焊接速度/(mm·s-1)首道160205中間道180225末道1602051.4邊界條件

在進(jìn)行溫度場計(jì)算時，需要施加熱力學(xué)的邊界條件，包括恒溫邊界條件和熱對流邊界條件。恒溫邊界條件模擬周邊的外環(huán)境溫度；熱對流邊界條件模擬結(jié)構(gòu)與空氣的接觸面上的熱交換，假設(shè)對流換熱系數(shù)為常量13.9 W·(m2·K)-1。

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)場計(jì)算時，需要施加力學(xué)的邊界條件。本文中選擇了3個邊界條件分別進(jìn)行焊接計(jì)算和分析，即鋼板短邊固接、短邊簡支和短邊自由，長邊均完全自由，如圖2所示。

圖2板件邊界約束條件（單位:mm）

Fig.2Boundary Constraint Conditions of Plate (Unit:mm)自由板的約束條件為選擇模型中3個節(jié)點(diǎn)共6個自由度進(jìn)行約束。首先約束圖2(c)中節(jié)點(diǎn)1的3個平動自由度，形成一個球鉸，即假設(shè)自由板在該點(diǎn)處不發(fā)生平動位移；其次選擇節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3約束平面外的位移（z方向），即假設(shè)自由板在自由變形的過程中，節(jié)點(diǎn)1，2，3始終在同一平面上，即3個不共線的點(diǎn)可以確定一個平面；最后約束節(jié)點(diǎn)2的x方向的平動位移，保證整個板不會繞著節(jié)點(diǎn)1做剛體轉(zhuǎn)動。經(jīng)有限元計(jì)算驗(yàn)證，在這樣的約束條件下，3個節(jié)點(diǎn)的約束反力均為0，即表明沒有外力產(chǎn)生，板件發(fā)生自由變形，約束條件成立。

1.5焊接過程的模擬方法

采用生死單元技術(shù)，將整條焊縫分為很多小段，每段分為若干道。首先將焊縫單元全部殺死，當(dāng)焊接到某一小段時，將此處的焊縫單元激活，施加內(nèi)生熱模擬焊接時的局部高溫區(qū)域，然后刪除該內(nèi)生熱，激活下一單元并開始下一步的焊接，以此循環(huán)完成全部焊接工作。每道焊接完成后，根據(jù)焊接過程中溫度的控制要求，控制冷卻時間。

焊接初始的預(yù)熱和焊接完成后的保溫通過改變環(huán)境溫度來實(shí)現(xiàn)，其中預(yù)熱溫度為60 ℃，焊接完成后以250 ℃的恒溫保溫90 min。2計(jì)算結(jié)果與分析

2.1焊接層數(shù)與道數(shù)

在精確的焊接模擬中，焊接層數(shù)與道數(shù)的劃分應(yīng)該與實(shí)際施工工藝相同。然而，對于大型鋼結(jié)構(gòu)，如大型鋼板剪力墻、巨型柱的焊接施工，如果按照實(shí)際的焊接層數(shù)與道數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分和計(jì)算，必然會產(chǎn)生巨大的計(jì)算量，耗費(fèi)非常多的時間。因此需要找到簡化算法（如減少焊接層數(shù)或道數(shù)），分析簡化算法對焊接模擬結(jié)果的具體影響，評判采用該簡化算法的可能性和正確性。

對本文中30 mm厚的鋼板，選擇的焊接層數(shù)分別為1，2，5，焊接層數(shù)與道數(shù)的劃分如圖3所示。圖4為自由板面外變形示意。表3，4中分別給出了自由板在道數(shù)不同時V形焊縫最大殘余變形和最大殘余應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，其中殘余應(yīng)力未注明方向的均為Von Mises應(yīng)力。

圖3焊接層數(shù)與道數(shù)的劃分

Fig.3Divisions of Welding Layer and Pass圖4自由板面外變形示意

Fig.4Graphs of Outofplane Deformation for Free Plate由表3可以看出，焊接層數(shù)為1層和2層時的面外變形與焊接層數(shù)為5層時的面外變形方向相

表3自由板V形焊縫最大殘余變形計(jì)算結(jié)果

Tab.3Calculation Results of Maximum Residual

Deformation of V Welded Seam for Free Platemm層數(shù)125道數(shù)每層1道每層1道每層1道底層1道，

其他層各2道面內(nèi)x

方向收縮-0.992-1.164-2.453-2.571面外變形-4.022-3.4677.8237.329表4自由板V形焊縫最大殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

Tab.4Calculation Results of Maximum Residual

Stress of V Welded Seam for Free PlateMPa層數(shù)125道數(shù)每層1道每層1道每層1道底層1道，

其他層各2道保溫完成284248249249最終冷卻294293293293反，這說明劃分不同的層數(shù)對焊接模擬計(jì)算結(jié)果的正確性具有重大影響。當(dāng)劃分層數(shù)為1層時，計(jì)算耗時短，但是假設(shè)整條焊縫是一次成型，其收縮過程為整個焊縫截面同時收縮。圖5為1層1道焊收縮示意。由圖5可以看出：對于V形焊縫，開口處的寬度大，冷卻收縮量大；底部寬度小，冷卻收縮量小，導(dǎo)致同時收縮時沿z軸的負(fù)向發(fā)生面外變形。

在實(shí)際焊接中，V形焊縫的殘余變形是沿圖5中z方向的正向，即有限元模型劃分層數(shù)為1層和2層時計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際不符，而劃分層數(shù)為5層時計(jì)算的結(jié)果從定性上來說是正確的。因此對于厚鋼板多層焊接來說，有限元模型的焊接層數(shù)不能取得太少，否則會導(dǎo)致錯誤的計(jì)算結(jié)果。

圖51層1道焊收縮示意

Fig.5Graph of Cooling Shrinkage of

One Layer with One Pass對比5層1道焊與5層2道焊的計(jì)算結(jié)果可知，分道后的面外殘余變形減小，最大殘余應(yīng)力保持不變，這說明分道使得焊接熱量輸入得到分散，同一層的累積收縮量相比于不分道時減小。應(yīng)用5層1道焊模型的計(jì)算結(jié)果比多道焊模型的計(jì)算結(jié)果偏于保守，是可行的。

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2.2板件邊界的約束

焊縫冷卻收縮變形的過程中，板件的變形會受到周圍構(gòu)件的約束，進(jìn)而在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生殘余應(yīng)力。約束程度不同，殘余應(yīng)力和殘余變形的大小也不同。表5，6中分別給出了焊接層數(shù)為5層且每層焊接1道情況下，短邊固接板、短邊簡支板和自由板的對接焊接最大殘余變形和最大殘余應(yīng)力。

表5不同約束下V形焊縫最大殘余變形計(jì)算結(jié)果

Tab.5Calculation Results of Maximum Residual

Deformation of V Welded Seam Under

Different Constraintsmm邊界條件短邊固接板短邊簡支板自由板面內(nèi)x方向收縮-1.173-2.450-2.453面外變形4.1177.7317.823表6不同約束下V形焊縫最大殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

Tab.6Calculation Results of Maximum Residual Stress of

V Welded Seam Under Different ConstraintsMPa邊界條件短邊固接板短邊簡支板自由板保溫完成345304249最終冷卻345345293在不同的約束條件下，焊接殘余應(yīng)力和殘余變形的大小不同。短邊固接板的邊界約束最強(qiáng)，面內(nèi)和面外的變形受約束，變形量最小，但殘余應(yīng)力最大。短邊簡支板與自由板的殘余變形量相近，大于短邊固接板的變形量，但殘余應(yīng)力較小。這說明約束削弱后，變形和殘余應(yīng)力得到釋放，且變形主要以x方向的收縮和面外的變形為主。自由板的各向變形都得到釋放，最大殘余應(yīng)力沒有達(dá)到屈服值，而短邊固接板的x方向和y方向變形都被約束，短邊簡支板短邊上的y方向變形被約束，最大殘余應(yīng)力達(dá)到屈服值。

自由板靠近焊縫處平行于焊縫的橫截面上的平均殘余應(yīng)力分布如圖6所示，其中，σr為殘余應(yīng)力。自由板垂直于焊縫方向鋼板短跨跨中截面上的平均殘余應(yīng)力分布如圖7所示。

圖6自由板跨中截面x方向殘余應(yīng)力分布

Fig.6Distribution of xdirection Residual Stress in

Midspan Section for Free Plate圖7自由板垂直焊縫方向中間截面處y方向

殘余應(yīng)力分布

Fig.7Distribution of ydirection Residual Stress in Middle

Section Perpendicular to Welded Seam for Free Plate由圖6和圖7得到的自由板焊接殘余應(yīng)力的分布與已有的定性結(jié)論相符合。對整個截面積分，得到整個截面上殘余應(yīng)力的合力為0，符合自由板的條件。同時計(jì)算自由板焊接過程中所施加約束的6個約束的約束反力，得到約束反力均為0，這進(jìn)一步說明了自由板約束的合理性與正確性。

2.3板件厚度

在現(xiàn)階段的高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，厚鋼板剪力墻使用日益廣泛，如天津117大廈中使用的核心筒鋼板剪力墻的最大厚度達(dá)到120 mm。相比于一般的薄板，厚鋼板剪力墻在焊接過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和殘余變形具有的特點(diǎn)是值得研究的。

選取板件厚度t0分別為30，40，50，60 mm的自由板進(jìn)行5層1道焊的對比研究。圖8中給出了焊接過程中自由板不同板件厚度條件下最大面外變形的變化過程。

圖8自由板不同板件厚度下最大面外變形的變化過程

Fig.8Changing Processes of Maximum Outofplane

Deformation of Different Plate Thicknesses for

Free Plate從圖8可以看出，不同板件厚度在焊接過程中面外變形的發(fā)展趨勢是一樣的，隨著板件厚度的增加，鋼板的面外剛度增加，因此最初正向面外變形的幅值逐漸減小。對于厚板，坡口形狀相同時，最外1層的焊縫寬度大，焊縫收縮量大，最終導(dǎo)致鋼板發(fā)生負(fù)向的面外位移。

焊縫中心處x方向殘余應(yīng)力沿鋼板厚度方向的分布如圖9所示，其中，σr，x為x方向的殘余應(yīng)力；tz為沿厚度方向的位置。圖9中z方向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為中間受拉，兩端受壓，與x方向和y方向的殘余應(yīng)力相比，沿厚度方向的殘余應(yīng)力幅值很小。而x方向殘余應(yīng)力表現(xiàn)為中間受壓，兩端受拉，應(yīng)力幅值隨著板件厚度的增加而變大。這說明對于厚板，垂直于焊縫方向（x方向）的殘余應(yīng)力沿厚度方向是變化的。

圖9焊縫中心處x方向殘余應(yīng)力沿鋼板厚度方向的分布

Fig.9Distributions of Residual Stress Along Thickness of

Steel Plate at Middle of Welded Seam2.4焊接順序

鋼板焊接的順序影響著鋼板的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形的大小。對于本文中研究的鋼板對接焊接，其焊接順序可以分為從上到下、從中間到兩邊和從兩邊到中間3種，如圖10所示。

圖10焊接順序（單位:mm）

Fig.10Welding Sequences (Unit:mm)自由板不同焊接順序下V形焊縫焊接最大殘余變形和最大殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表7，8所示。由表7，8可以看出，從兩邊到中間的焊接順序，其面外變形要稍小于其他2種情況，3種不同焊接順序的最終最大殘余應(yīng)力相差不大。

因此，在具體施工過程中，選取何種焊接順序并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，要根據(jù)實(shí)際情況，以方便施工、縮短工期為原則來選取。

2.5施工工藝

焊接過程中的施工工藝有很多種，包括焊接完成后是否保溫及施工過程中是否設(shè)置支撐等。

表9，10中分別給出了不同保溫條件下焊接層數(shù)為5層且每層1道時自由板進(jìn)行對接焊接的最大殘余變形與最大殘余應(yīng)力。

對比焊接完成后有無保溫的計(jì)算結(jié)果，無論從焊接殘余變形還是從殘余應(yīng)力上來看，有保溫條件的性能都明顯優(yōu)于無保溫的情況。有保溫時，鋼板

表7自由板不同焊接順序下V形焊縫最大殘余變形

計(jì)算結(jié)果

Tab.7Calculation Results of Maximum Residual

Deformation of V Welded Seam with Different

Welding Sequences for Free Platemm焊接順序從上到下從兩邊到中間從中間到兩邊面內(nèi)x方向收縮-2.453-2.028-1.887面外變形7.8237.1817.366表8自由板不同焊接順序下V形焊縫最大殘余應(yīng)力

計(jì)算結(jié)果

Tab.8Calculation Results of Maximum Residual

Stress of V Welded Seam with Different

Welding Sequences for Free PlateMPa焊接順序從上到下從兩邊到中間從中間到兩邊保溫完成249259256最終冷卻293292293表9自由板不同保溫條件下V形焊縫最大殘余變形

計(jì)算結(jié)果

Tab.9Calculation Results of Maximum Residual

Deformation of V Welded Seam Under Different

Thermal Conditions for Free Platemm保溫條件有保溫?zé)o保溫面內(nèi)x方向收縮-2.453-2.457面外變形7.8238.035表10自由板不同保溫條件下V形焊縫最大殘余應(yīng)力

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計(jì)算結(jié)果

Tab.10Calculation Results of Maximum Residual

Stress of V Welded Seam Under Different

Thermal Conditionsfor Free PlateMPa保溫條件有保溫?zé)o保溫保溫完成249最終冷卻293345在冷卻到保溫溫度后通過熱傳遞使得溫度場分布均勻，溫差梯度小，撤除保溫后整塊鋼板能均勻冷卻到現(xiàn)場環(huán)境溫度；與無保溫的情況相比，有保溫時鋼板不均勻冷卻程度小，從而使得殘余變形和殘余應(yīng)力都較小，說明保溫措施對于控制焊接殘余變形和殘余應(yīng)力來說是必不可少的。

在鋼板剪力墻焊接施工過程中，往往在2塊需要焊接的墻板上設(shè)置側(cè)向支撐（圖11），用來限制焊接過程中鋼板的面外變形對焊接的影響。在焊接完成后，撤去支撐，鋼板的面外變形增大。

圖11側(cè)向支撐的設(shè)置(單位:cm)

Fig.11Arrangement of Lateral Support (Unit:cm)選擇兩短邊簡支的鋼板對接焊接模型，在距焊縫x方向±37 cm處設(shè)置2道側(cè)向支撐，約束該處的面外位移，在保溫完成后撤去側(cè)向支撐，在無支撐情況下冷卻至環(huán)境溫度，其最大殘余變形的計(jì)算結(jié)果見表11。焊接過程中支撐對最大面外殘余變形的影響如圖12所示。

表11不同支撐條件下V形焊縫最大殘余變形計(jì)算結(jié)果

Tab.11Calculation Results of Maximum Residual

Deformations of V Welded Seam Under Different

Support Conditionsmm支撐設(shè)置有支撐無支撐面內(nèi)x方向收縮-2.258-2.450面外變形-12.8937.731圖12支撐對最大面外殘余變形的影響

Fig.12Influences of Support on Maximum

Outofplane Residual Deformation由圖12可以看出，支撐的存在限制了鋼板焊接前期的面外變形，使得鋼板在整個焊接過程中的面外變形都很小，這樣利于焊接的實(shí)施。撤去側(cè)向支撐后，鋼板約束減少，變形恢復(fù)。圖12中在有無支撐情況下最終面外變形方向相反的原因是焊接過程中每層焊縫收縮對鋼板變形趨勢的影響不同，支撐的存在限制了前期鋼板向z軸正向的變形，而第4層與第5層焊縫的收縮會使鋼板向z軸負(fù)向變形，最終導(dǎo)致變形方向相反。3結(jié)語

（1）對于實(shí)際結(jié)構(gòu)中厚板采用的多層多道對接焊接，不能通過將焊接層數(shù)簡化成單層或雙層以減少計(jì)算量的方法達(dá)到簡化的目的，否則不能保證結(jié)果的正確性，應(yīng)根據(jù)實(shí)際焊接所采用的層數(shù)與道數(shù)進(jìn)行劃分。

（2）板件的約束強(qiáng)弱影響焊接殘余變形和殘余應(yīng)力的大小。本文中提出了對接焊接的自由板模型，并通過有限元計(jì)算驗(yàn)證了該模型的正確性。計(jì)算結(jié)果表明，厚板的殘余應(yīng)力沿厚度方向變化，其影響不可忽略。

（3）不同的焊接順序和施工工藝對最終的殘余變形和殘余應(yīng)力大小都有影響。其中，從兩邊到中間焊接的順序略優(yōu)于其他2種焊接順序，在施工過程中，要根據(jù)實(shí)際情況，以方便施工、作業(yè)時間為原則來選取。

（4）焊接完成后的保溫處理可明顯減小殘余變形和殘余應(yīng)力的幅值。焊接時施加側(cè)向約束或支撐可以很好地控制焊接過程中板件的面外變形，但需要注意支撐撤去后變形的增加。參考文獻(xiàn)：

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