鋼箱-桁架梁K型整體節(jié)點焊接殘余應力的有限元分析

張依如,衛(wèi)軍,劉曉春,吳志強,高宗余,陳濤

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；

2.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司,湖北 武漢 430050)

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鋼箱-桁架梁K型整體節(jié)點焊接殘余應力的有限元分析

張依如1,衛(wèi)軍1,劉曉春1,吳志強1,高宗余2,陳濤1

(1.中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075；

2.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司,湖北 武漢 430050)

摘要:以新型鋼箱-桁梁橋下弦桿K型整體節(jié)點為研究對象，采用ANSYS軟件建立K型整體節(jié)點焊接的熱力學有限元模型，根據(jù)實際焊接工藝及施焊順序，采用生死單元法模擬焊接熱源加載和冷卻過程，開展節(jié)點焊接殘余應力的數(shù)值模擬分析，得出的焊接殘余應力分布規(guī)律與縮尺模型試驗實測結(jié)果吻合較好。鋼箱-桁梁橋K型整體節(jié)點焊接殘余應力的有限元分析結(jié)果表明，腹板對焊處形成最大焊接殘余應力區(qū)域，節(jié)點與腹桿對接部分所受影響較小。

關鍵詞：焊接；殘余應力； K型節(jié)點；有限元分析；箱-桁梁橋

大型鋼桁架梁橋節(jié)點焊縫多、剛度大，焊接殘余應力會降低其剛性和尺寸穩(wěn)定性，嚴重影響結(jié)構(gòu)和焊接接頭的疲勞強度、抗應力腐蝕開裂能力直接影響結(jié)構(gòu)的靜強度和疲勞強度。鋼箱-桁架雙層組合鋼梁結(jié)構(gòu)為新型大跨鋼橋結(jié)構(gòu)，箱型桁梁整體節(jié)點作為其重要的連接結(jié)構(gòu)，將工廠制作完成的部分節(jié)點結(jié)構(gòu)進行現(xiàn)場拼裝，產(chǎn)生的焊接殘余應力對于橋梁的精確合龍及成橋后結(jié)構(gòu)應力狀態(tài)會產(chǎn)生顯著的影響[1]。目前,對于鋼橋節(jié)點的焊接殘余應力研究對象以工字型、管節(jié)點居多，對箱型桁梁節(jié)點有限元分析較少[1-3]。本文研究對象為某鋼橋箱-桁梁與工字鋼腹桿的K型整體節(jié)點，其結(jié)構(gòu)如圖1。因其尺寸較大且結(jié)構(gòu)復雜，制作等尺寸模型浪費鋼材且成本較高；通過有限元分析與縮尺模型的試驗對比，可以得到節(jié)點殘余應力的分布規(guī)律。

圖1　節(jié)點模型結(jié)構(gòu)及焊縫位置示意圖Fig.1 Joint model structure and positions of welds

1焊接殘余應力分析原理

鋼材焊接時產(chǎn)生局部高溫的不均勻溫度場，高溫部分膨脹伸長但受到臨近鋼材約束，引起較高溫度應力；受熱區(qū)鋼材屈服極限下降，熱應力可部分地超過該屈服極限，使焊接區(qū)形成了塑性的熱壓縮形變；冷卻后，焊接區(qū)比周圍區(qū)域相對縮短、變窄，形成焊接殘余應力[3]。

由于焊接溫度場對焊接應力應變的影響較大，而焊接應力應變對溫度場的影響較弱，故僅考慮單向耦合效應。非線性瞬態(tài)熱傳導溫度場基本微分方程為：

(1)

其中：c為材料比熱容；ρ為材料密度；λ為材料導熱系數(shù)，三者均隨溫度變化；T為溫度場分布函數(shù)；t為傳熱時間；Q為內(nèi)熱源。瞬態(tài)計算需給定溫度場初始條件Tt=0=T0(x,y,z)，以及3類邊界條件，包括已知邊界溫度值、已知邊界熱流密度分布，以及已知物體邊界與周圍環(huán)境介質(zhì)的熱交換[3]。

采用熱彈塑性分析法，以焊接過程溫度場分析為基礎進行焊接應力分析，溫度作用下的材料應變?yōu)椋?/p>

(2)

結(jié)構(gòu)中單元的平衡方程為：

(3)

2研究對象的計算建模

2.1模型建立與單元劃分

采用箱型鋼桁架橋中跨的桁架拱與邊跨的桁架結(jié)構(gòu)連接的對稱箱型節(jié)點模型，構(gòu)件包括腹板、頂板、底板、加勁板等，縱橋向尺寸長度為2.72m，焊縫兩側(cè)根據(jù)圣維南原理，分別取1.72m和1.0m，腹板高度0.7m，頂、底板寬度0.7m，兩箱型腹板間距0.34m，對稱布置。由于節(jié)點幾何尺寸較大，故采用平面三維模型建模，即模型忽略鋼板厚度，以二維平面代替節(jié)點的各平板構(gòu)件，板件厚度通過實常數(shù)進行定義，并利用節(jié)點的對稱性對模型進行簡化。

對整體節(jié)點現(xiàn)場拼接階段的焊接過程進行模擬，設置3條焊縫依次為：節(jié)點與弦桿腹板對接焊縫，頂板與腹板焊接角焊縫以及底板與腹板焊接角焊縫，焊縫位置與焊接方向如圖1所示。選用SHELL57熱殼單元進行網(wǎng)格單元劃分，為在保證計算精度的同時減小計算量，焊縫及焊接影響區(qū)域網(wǎng)格加密至5mm，在遠離焊縫的位置適當增大單元尺寸，兩者間過渡段采用自適應劃分。板殼單元均為三角形單元，有限元模型如圖2所示。

2.2材料屬性設置

本文模型采用Q235鋼材料熱物理和力學性能，由于焊接過程中溫度的急劇變化，材料的熱物理屬性會隨溫度改變形成非線性變化，針對這一情況，在定義材料屬性時采用數(shù)據(jù)庫表格形式，通過mptemp和mpdata命令定義關鍵溫度處的各熱物理性能參數(shù)值，以差值法或外推法確定其余溫度時的參數(shù)值。本文所采用的材料物理性能參數(shù)參考文獻[4-5]，如表1。

表1　材料物理性能參數(shù)

圖2　節(jié)點有限元模型Fig.2 Finite element model of the joint

2.3邊界條件

將初始溫度設為室溫20 ℃，在模型外表面設置對流邊界，對流換熱系數(shù)為20 W/(m2·K)。為防止計算過程中模型產(chǎn)生剛體位移，并保證不會阻礙焊接過程中會發(fā)生的自由變形，在模型兩端及頂、底板側(cè)邊施加三向約束，底板部分設置豎向支撐，在腹板縱軸方向、加勁板等部位設置適當約束；根據(jù)節(jié)點對稱性施加對稱約束。

3計算方法及過程

3.1熱源加載及溫度場計算

目前常用的移動熱源加載方法主要有高斯熱源法與生死單元法2種。本文溫度場模擬采用生死單元技術，在計算開始前首先將焊縫處所有單元殺死，模擬板件未連接時的狀態(tài)，再按照焊接順序及熱源移動方向，編寫APDL循環(huán)語句，逐個激活被殺死的單元，同時施加生熱率模擬焊縫的填充，以實現(xiàn)焊接熱源的移動加載。根據(jù)焊接速度10 mm/s及焊縫單元尺寸，設置焊縫處每個單元激活加熱時間為0.5 s。焊接加熱過程結(jié)束后，刪除熱荷載，施加對流換熱荷載模擬冷卻過程，分5級設置冷卻時間荷載步，每級時間步長逐漸增大，以減小計算量。當節(jié)點模型冷卻至接近室溫20 ℃時，認為冷卻過程結(jié)束。

3.2應力場計算

將SHELL57熱殼單元轉(zhuǎn)化成對應的SHELL63結(jié)構(gòu)單元以進行應力場模擬。將荷載步和時間步長設置成與溫度場分析完全相同，以保證計算精度并減小計算量。通過APDL語言DO循環(huán)語句，讀取節(jié)點溫度文件中每一子步的溫度場分布，進行加載和求解，打開牛頓迭代(NROPT,FLL,ON)和線性搜索(LNSRCH)，求解得到模型冷卻后的應力場分布。

3.3有限元計算結(jié)果的試驗驗證

本次整體節(jié)點殘余應力試驗測試采用與實橋節(jié)點相同焊接工藝，采用盲孔法進行，實測鋼材屈服強度為315 MPa。提取與實測模型測點位置對應的焊縫①和與焊縫②垂直方向焊接殘余應力模擬值，與試驗測試值進行對比，如圖3～4。

圖3　焊縫①沿焊縫方向焊接殘余應力實測值與模擬值對比圖Fig.3 Comparison of measured value and simulation value of welding residual stress along weld①

圖4　焊縫②垂直與焊縫方向焊接殘余應力實測值與模擬值對比圖(取一半)Fig.4 Comparison of measured value and simulation value of welding residual stress perpendicular to weld②(half)

有限元分析所得的焊縫殘余應力分布規(guī)律與試驗實測結(jié)果基本一致，表明有限元分析結(jié)果可信。

4結(jié)果分析

焊接殘余應力分布即應力場計算最后一個時間步(Last Step)所得到的應力計算結(jié)果，分布云圖如圖5～9所示。

圖5　節(jié)點等效殘余應力與橫向殘余應力分布Fig.5 Distribution of von Mises welding residual stress and lateral welding residual stress

圖6　焊縫①中心處焊接殘余應力分布曲線Fig.6 Distribution curve of welding residual stress at center of weld①

圖7　腹板與焊縫①垂直縱橋方向殘余應力分布曲線Fig.7 Distribution curve of welding residual stress perpendicular to weld① on web

圖8　頂板焊接殘余應力分布Fig.8 Welding residual stress distribution of top plate

圖9　頂板與焊縫②垂直方向殘余應力分布曲線(取一半)Fig.9 Distribution curve of welding residual stress perpendicular to weld② on top plate(half)

從節(jié)點應力云圖可以看出，最大殘余應力均出現(xiàn)在焊縫處，腹板上的縱向應力分布大致為縱向焊縫邊緣區(qū)域出現(xiàn)壓應力、縱向焊縫之間向外壓應力逐漸減小，在邊緣處出現(xiàn)小幅拉應力；腹板上的橫向應力分布大致為豎向焊縫邊緣區(qū)域出現(xiàn)壓應力、縱向焊縫之間向外壓應力逐漸減小。最大焊接殘余應力范圍出現(xiàn)在焊縫交叉區(qū)域，向遠離焊縫區(qū)域遞減。焊縫部位出現(xiàn)最大殘余應力165 MPa，除焊縫部分有較大的焊接殘余應力外，節(jié)點總體上應力在60 MPa 以內(nèi)；在距離焊縫較遠、靠近腹桿和弦桿部分的應力很小，但在節(jié)點模型邊緣處有小幅拉應力，其值在20 MPa以內(nèi)。腹板縱橋方向?qū)雍缚p左側(cè)有兩處明顯下降，對比模型發(fā)現(xiàn)其所在位置為兩橫向加勁板，因此認為工廠預制完成的加勁板結(jié)構(gòu)對現(xiàn)場拼接施焊產(chǎn)生的焊接殘余應力有削弱作用。

5結(jié)論

1)有限元模擬箱型桁梁K型整體節(jié)點焊接殘余應力分布和實驗測試接近，表明模型計算結(jié)果正確。本文對應力松弛問題不予考慮。

2)該箱型桁梁K型整體節(jié)點最大焊接殘余應力區(qū)域分布于腹板對接焊縫附近，最大應力值達到165 MPa 左右，未超過鋼材屈服強度，并沿縱橋方向向兩側(cè)遞減。頂板及底板的最大焊接殘余應力集中于焊縫處，向兩側(cè)迅速遞減。節(jié)點其余部分的焊接殘余應力相對較小，總體上在60 MPa 以內(nèi)。

3)多條焊縫影響下，最大焊接殘余應力范圍出現(xiàn)在焊縫交叉區(qū)域，向遠離焊縫區(qū)域遞減。焊接殘余應力影響范圍在縱橋方向分布于對接焊縫兩側(cè)，左側(cè)節(jié)點影響范圍0.5 m，右側(cè)1.0 m，節(jié)點與兩腹桿相接部分受影響較小，對橋梁整體性能影響不大。

4)工廠預制完成的加勁板結(jié)構(gòu)對現(xiàn)場拼接施焊產(chǎn)生的焊接殘余應力有削弱作用。

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(編輯陽麗霞)

Finite element analysis on welding residual stresses ofintegral K-joints for steel box-truss bridge

ZHANG Yiru1, WEI Jun1, LIU Xiaochun1, WU Zhiqiang1, GAO Zongyu2, CHEN Tao1

(1.School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2.China Railway Major Bridge Reconnaissance & Design Group Co., Ltd., Wuhan 430056,China)

Abstract：An integral K-joint in new steel box-truss bridge was selected as the study object, and finite element thermal-structural model was established using the software ANSYS. The numerical simulation of welding residual stresses was analyzed during the welding and cooling process by adopting the element birth-death technology, according to the welding procedure and order in practical engineering. The welding residual stress distribution of integral K-joint drawn from finite element analysis agrees well with the results of reduced scale model test. The finite element analysis of prototype integral K-joint in steel box-truss bridge indicates that the highest welding residual stresses is located adjacent to the butt weld area of web, while the parts of K-joint connected with web members are less influenced.

Key words：welding; residual stress; K-joint; finite element analysis; box-truss bridge

中圖分類號：TG4

文獻標志碼：A

文章編號：1672-7029(2016)02-0289-06

通訊作者：衛(wèi)軍(1957-)，男，河南新鄉(xiāng)人，教授，博士，從事混凝土耐久性方向研究；E-mail：juneweii@163.com

基金項目：中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2013G001-A-2)

收稿日期：2015-05-27