頂板-縱肋焊接殘余應(yīng)力松弛效應(yīng)研究

劉 昊, 王巍然

(1. 西南交通大學(xué)，四川成都 610031; 2. 蘭州大學(xué)，甘肅蘭州730000)

正交異性橋面板由于其輕質(zhì)高強(qiáng)的力學(xué)性能，在大跨度橋梁中得到了廣泛的應(yīng)用。

然而，由結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力特性所決定，正交異性鋼橋面板的疲勞問題突出。其中，縱肋與頂板連接焊縫(RD)和縱肋與橫隔板焊縫(RDF)處疲勞開裂發(fā)生比例分別為30.2%和61.0%，比重最大[1]，疲勞問題嚴(yán)峻。而存在焊縫，就存在焊接殘余應(yīng)力。

近年來(lái)，針對(duì)焊接殘余應(yīng)力對(duì)鋼橋疲勞性能的影響，學(xué)者們做了大量的試驗(yàn)研究。針對(duì)RDF細(xì)節(jié)，周緒紅等[2]對(duì)正交異性鋼橋面板節(jié)段模型單面焊RDF細(xì)節(jié)進(jìn)行了單雙輪加載并得到了該位置應(yīng)力影響面，結(jié)果表明單面焊RDF細(xì)節(jié)橫向應(yīng)力以受壓為主且焊根處應(yīng)力幅顯著高于RD細(xì)節(jié)。王春生等[3]通過足尺疲勞試驗(yàn)研究表明縱肋與橫隔板交叉細(xì)節(jié)在壓-壓疲勞應(yīng)力循環(huán)作用下發(fā)生開裂，究其原因是該位置存在較大的焊接殘余應(yīng)力。郭亞文[4]結(jié)合鋼橋面板單面焊和雙面焊RDF細(xì)節(jié)2類常見形式，針對(duì)該細(xì)節(jié)疲勞性能進(jìn)行了較為深入的研究，研究表明2類細(xì)節(jié)裂紋萌生點(diǎn)位置應(yīng)力特征均為壓-壓應(yīng)力循環(huán)，該處發(fā)生疲勞開裂的必要條件為其位置存在焊接殘余拉應(yīng)力。

然而，RD細(xì)節(jié)在跨中加載時(shí)，內(nèi)側(cè)焊根同樣受到壓-壓應(yīng)力循環(huán)，同樣存在焊接殘余應(yīng)力，但在實(shí)驗(yàn)中其疲勞開裂位置往往不是加載位置正下方，而是加載位置兩側(cè)拉-拉應(yīng)力循環(huán)區(qū)。本文通過建立焊接殘余應(yīng)力與跨中荷載耦合模型模擬實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件，以深中通道跨海大橋鋼橋面板結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)研究為例，深入研究焊接殘余應(yīng)力及其松弛效應(yīng)對(duì)疲勞開裂位置的影響，解釋RD與RDF細(xì)節(jié)開裂位置遷移的原因。

1 循環(huán)塑性本構(gòu)模型

當(dāng)構(gòu)件承受的外荷載與殘余應(yīng)力疊加以后大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，材料會(huì)由于塑性變形而導(dǎo)致殘余應(yīng)力發(fā)生松弛。本文采用Chaboche混合硬化模型，該模型包括運(yùn)動(dòng)硬化模型和基于Von Mises流動(dòng)規(guī)律的非線性各向同性硬化模型，考慮了循環(huán)強(qiáng)化對(duì)棘輪效應(yīng)和應(yīng)力松弛效應(yīng)的影響。

模型采用Q345鋼，具有運(yùn)動(dòng)學(xué)和各向同性硬化變量的Von Mises屈服準(zhǔn)則表示為：

式中:f是Von Mises屈服函數(shù)；s和a分別是二階偏應(yīng)力和應(yīng)力張量；σ0是各向同性變形抗力，張力運(yùn)算符“：”表示二階張量的內(nèi)積。

假設(shè)材料微變形，總應(yīng)變由彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變組成：

ε=εε+εp

式中:ε、εε和εp分別為總應(yīng)變、彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變。

因此，總應(yīng)變?cè)隽靠梢詫懗桑?/p>

用材料耗散勢(shì)積分柯西應(yīng)力張量來(lái)確定彈性應(yīng)變的變化速率，而且塑性應(yīng)變?cè)隽繌埩颗c塑性流動(dòng)沿垂直于屈服面的方向發(fā)展的屈服函數(shù)相關(guān)。因此，塑性流動(dòng)規(guī)律可以寫成：

當(dāng)與焊接殘余應(yīng)力結(jié)合的應(yīng)力狀態(tài)超過循環(huán)載荷下的彈性極限時(shí)，材料發(fā)生硬化。采用與各向同性硬化相關(guān)的運(yùn)動(dòng)硬化規(guī)則：

式中:m為背應(yīng)力的數(shù)量；γk和Ck分別是各向同性硬化變量和運(yùn)動(dòng)硬化變量。各向同性硬化變量和運(yùn)動(dòng)硬化變量描述了塑性變形不同階段的非線性變形。在本研究中，考慮了3種背應(yīng)力運(yùn)動(dòng)硬化(m=3)。累計(jì)塑性應(yīng)變率可由式(1)獲得：

(1)

Chaboche采用了運(yùn)動(dòng)硬化準(zhǔn)則和非線性各向同性硬化，考慮循環(huán)硬化及其對(duì)材料循環(huán)應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)的影響，如棘輪效應(yīng)、應(yīng)力松弛等。各向同性硬化規(guī)則表示為：

循環(huán)塑性本構(gòu)模型包括一些因素，即C1、C2、C3、γ1、γ2、γ3、Q和b。各向同性和運(yùn)動(dòng)硬化變量(C1、C2、C3、γ1、γ2和γ3)見表1。材料常數(shù)(Q和b)通過與循環(huán)峰值應(yīng)力相關(guān)的應(yīng)變硬化曲線和全循環(huán)加載試驗(yàn)的累積塑性應(yīng)變確定；對(duì)于Q345qD鋼，Q=28，b=6.8。鋼板和焊接材料采用相同的循環(huán)塑性本構(gòu)模型。

表1 Q345鋼的材料參數(shù)

2 焊接殘余應(yīng)力松弛效應(yīng)分析

2.1 模擬過程

以深中通道跨海大橋鋼橋面板結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)研究為例，建立足尺單面焊模型，其中包括2個(gè)步驟：①采用熱-力順序耦合方法模擬焊接全過程;②采用實(shí)驗(yàn)加載方式，模擬在不同循環(huán)次數(shù)后殘余應(yīng)力松弛情況(圖1)。

圖1 有限元建模

步驟①具體細(xì)節(jié):采用建立三橫隔板兩跨的足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?yōu)化網(wǎng)格后整體單元數(shù)量為，整體節(jié)點(diǎn)數(shù)為，焊接部分網(wǎng)格尺寸最小為1 mm，如圖2所示。材料參數(shù)為Q345鋼的熱力學(xué)參數(shù)及循環(huán)本構(gòu)參數(shù)。焊接時(shí)，電弧電壓和電流分別設(shè)置為(30±2) V和(300±20) A。假定氣體保護(hù)金屬極電弧焊的電弧效率為80%，焊接速度為380 mm/min。采用生死單元法及雙橢球熱源函數(shù)模擬實(shí)際焊接全過程。

步驟②具體細(xì)節(jié):實(shí)驗(yàn)中采用了逐級(jí)加載的模式，荷載從240 kN增加到了480 kN，本模型中直接采用360 kN面荷載探究焊接殘余應(yīng)力松弛規(guī)律。

2.2 模擬結(jié)果

對(duì)結(jié)果進(jìn)行整理，對(duì)比2種工況下焊縫受力特性：①不考慮殘余應(yīng)力松弛；②考慮焊接殘余應(yīng)力松弛情況。由于不同荷載循環(huán)次數(shù)下殘余應(yīng)力會(huì)不斷松弛，但松弛大部發(fā)生在循環(huán)剛開始，故采用10次循環(huán)后的應(yīng)力場(chǎng)作為松弛后殘余應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比。且最大應(yīng)力一般發(fā)生在焊根位置，因此使用焊根處橫向應(yīng)力來(lái)研究循環(huán)荷載下的殘余應(yīng)力松弛。圖2顯示了焊根處橫向應(yīng)力、縱向應(yīng)力及Von mises應(yīng)力松弛前后對(duì)比。

圖2 橫向應(yīng)力沿焊縫方向分布規(guī)律

由圖2可以看出，松弛前后，橫向應(yīng)力最大應(yīng)力松弛幅度為32.816 MP，松弛比率為29.7%；縱向應(yīng)力最大應(yīng)力松弛幅度為109.31 MP，最大松弛比率為30.7%，Von mises應(yīng)力最大應(yīng)力松弛幅度為101.86 MP，最大松弛比率為29.6%。

橫向應(yīng)力與疲勞裂紋萌生和擴(kuò)展直接相關(guān)，對(duì)于荷載正下方焊根疲勞細(xì)節(jié)，其橫向應(yīng)力由110.69 MPa下降到了71.87 MPa，在實(shí)驗(yàn)荷載下其橫向應(yīng)力循環(huán)特征在考慮殘余應(yīng)力松弛后由拉-拉循環(huán)變?yōu)槔?壓循環(huán)。疲勞荷載幅值由95.11 MPa降低到71.87 MPa。

3 結(jié)論

在實(shí)驗(yàn)壓-壓外荷載循環(huán)下，荷載正下方焊根處疲勞細(xì)節(jié)存在較明顯應(yīng)力松弛現(xiàn)象，該處疲勞細(xì)節(jié)在松弛前后應(yīng)力循環(huán)特征由拉-拉循環(huán)變?yōu)槔?壓循環(huán)，疲勞荷載幅值變小，從而引起疲勞開裂位置遷移到了加載位置兩側(cè)拉-拉應(yīng)力循環(huán)區(qū)，模擬結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。