板件厚度对钢桥面板顶板纵肋焊接残余应力的影响分析

曹宝雅　 丁幼亮

(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 210096)

板件厚度对钢桥面板顶板纵肋焊接残余应力的影响分析

曹宝雅 丁幼亮

(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室, 南京 210096)

摘要:为考察板件厚度变化对正交异性钢桥面板顶板-纵肋焊接残余应力的影响规律,采用ANSYS有限元软件的生死单元技术和热-结构耦合分析方法,对顶板-纵肋焊接细节进行了数值模拟,得到其焊接残余应力分布,并重点分析了板件厚度变化对焊接残余应力的影响规律.研究结果表明,横向残余应力在焊趾和焊根附近达到最大值,其数值约为材料屈服强度的2/3;纵向残余应力在焊缝中心处达到最大值,其数值已超过材料屈服点.板件厚度变化对纵向残余应力影响不明显,对横向残余应力影响较大,当顶板件厚度由12 mm增大到20 mm时,横向残余应力最大值增加45%.基于分析结果,建立了不同板件厚度的焊接残余应力统一分布模型,为顶板-纵肋焊接残余应力的研究与设计提供参考.

关键词:钢桥;焊接残余应力;疲劳;板件厚度;顶板-纵肋;统一分布模型

正交异性钢桥面板顶板-纵肋焊接细节存在复杂的焊接残余应力场,可能会引起结构疲劳强度及稳定极限承载力的降低.目前,工程上主要通过增加板件厚度来降低车辆荷载下的应力,从而提高钢桥的疲劳和稳定性能.但板件厚度的增加会对钢桥产生较大的约束刚度,可能会增大焊接细节残余应力值,从而降低焊接细节的疲劳强度和稳定承载力.因此,板件厚度的增加对钢桥疲劳和稳定性能的影响尚不明确,考察钢桥面板顶板-纵肋焊接残余应力随板件厚度的变化规律,对研究钢桥疲劳和稳定承载性能具有重要意义.

焊接模拟需要考虑不同温度下材料、几何及状态的非线性特性.国内外学者对此进行了大量研究.Mitra等[1]对800mm厚钢埋弧焊件的残余应力进行了评估;Lee等[2-6]针对不同结构形式的焊接节点进行了数值模拟;赵秋等[7]分析了某一板件厚度下顶板纵肋焊接纵向残余应力的分布情况;邵珂夫[8]针对钢桥焊接细节不同接头形式,给出了焊接残余应力分布图.以上研究并未考虑板件厚度变化,或仅粗略分析了几种焊接接头的残余应力分布,关于钢桥面板焊接残余应力分布特征及其随板件厚度变化规律仍缺乏深入的研究.

鉴于此,本文采用有限元软件ANSYS建立了不同板件厚度的钢桥顶板纵肋足尺模型,分析了横向及纵向焊接残余应力分布特征,研究了焊接残余应力随板件厚度的变化规律,给出了不同板件厚度的焊接残余应力分布统一模型,为顶板-纵肋焊接残余应力的研究与设计提供参考.

1顶板纵肋焊接残余应力数值模拟

1.1有限元模型

1.1.1网格划分

图1(a)为焊件截面图,图1(b)为焊缝细节图,纵肋与顶板间隙小于2mm.

(a) 焊件截面　　　　　　　(b) 焊缝细节[7]

图2为顶板纵肋有限元模型,其顶板厚度为16mm,肋板厚度为8mm.采用8节点实体单元,根据对称性,取一半进行建模,单元总数为59 526,节点总数为63 412.焊缝区应力变化较大,采用较细密网格(见图2(a)),网格尺寸最小为0.5mm;远离焊缝区则采用较稀疏网格,网格尺寸最大为8mm.

(a) 焊缝细节网格划分

1.1.2位移边界条件

有限元模型坐标系设置如图2(b)所示:坐标原点位于顶板左上角,宽度方向为X方向(横向),纵肋截面高度方向为Y方向(肋高方向),沿焊缝方向为Z方向(纵向).

焊接残余应力数值模拟的位移边界条件要求如下:① 不产生刚体位移;② 不严重阻碍焊接过程中的自由变形.如图2(b)所示,在顶板和纵肋对称中心线处施加对称约束,顶板左右两侧施加Y方向约束,顶板横截面一侧施加Z方向约束.

1.1.3材料热物理与力学参数

表1给出了顶板、纵肋所用材料Q345钢的热物理与力学参数[9-10].焊条选用E50型,其热物理、力学参数与Q345钢相同.

表1　不同温度条件下Q345钢的热物理与力学参数

1.1.4温度场模拟

构件初始温度为20 ℃,于外表面施加对流换热边界条件.采用生死单元模拟焊料填充过程.计算开始前,将焊缝所有单元“杀死”;计算过程中,按顺序将被“杀死”的单元“激活”,模拟焊缝金属的填充.以向焊缝单元施加生热率的方法模拟焊接热源,生热率计算公式如下:

(1)

式中,G为生热率;Q为焊接电弧的有效功率;A为焊缝的横截面积;v为焊接速度.

温度场模拟采用SOLID70单元,焊件长度为500mm,焊接速度为10mm/s,50s完成焊接,2 500s冷却至室温.

1.1.5应力场模拟

焊接过程中温度场和应力场相互耦合,焊接温度场决定了结构分析的应力场,而焊接应力场对温度场影响较小.因此,采用热-应力顺序耦合法,即通过热分析求得温度场,然后将热分析结果作为体载荷施加到节点上,进行结构分析.应力场模拟采用SOLID185单元.

1.2焊接残余应力分析

1.2.1纵向分布

图3为顶板焊接残余应力沿纵向分布图.图中,左侧焊趾、右侧焊根位置参照图2(a);z为节点的Z方向坐标值.由图可知:① 横向和纵向残余应力变化趋势相同,曲线在中间段呈现一段长平台,在离焊缝始、末端0.03m处迅速下降,说明焊接长度对残余应力影响不大.在实际工程中,一段纵肋长度约为3m,远大于0.03m,因此可忽略两端边界条件的影响,取沿焊缝方向中段横截面(本文取z=0.25m处横截面)的残余应力进行研究.② 横向残余应力在焊趾处达到最大值200MPa;纵向残余应力在焊缝中心处达到最大值400MPa,纵向残余应力约为横向的2倍.

(a) 横向残余应力

(b) 纵向残余应力

1.2.2横向分布

图4为顶板焊接残余应力沿横向分布曲线.图中,x为节点的X方向坐标值.

(a) 横向残余应力

(b) 纵向残余应力

由图4(a)可知:① 顶板横向残余应力离焊缝越近,应力值越大.② 焊缝区顶板上、下表面为拉应力,顶板中线为压应力.③ 焊缝侧顶板表面的横向残余应力值最大,曲线包含2个峰值点,分别位于焊趾和焊根处,最大值约150MPa.

由图4(b)可知:① 顶板纵向残余应力在中心区域为拉应力,两边为压应力,离焊缝越近,拉应力越大.② 纵向残余应力由焊缝侧到焊缝外侧依次递减.③ 纵向残余应力在焊缝中心达到最大值,约为375MPa,已超过材料屈服点;究其原因在于,本文采用的本构模型为双线性等向强化(BISO),考虑了材料的应变硬化.

1.2.3肋高方向分布

图5为纵肋焊接残余应力沿肋高方向的分布曲线.图中,yL为纵肋上节点沿板件到焊缝中心的距离.由图可知:① 横向、纵向残余应力均在焊缝附近达到最大值,分别约为140和370MPa,均小于顶板相应残余应力最大值.② 在焊缝附近,残余应力值从纵肋外侧到内侧依次递减;随着与焊缝距离的增加,残余应力值迅速减小.③ 纵肋末端内、外侧表面存在约25MPa的横向残余应力,这是因为末端存在约束,而焊接会使钢板产生一定变形,从而在纵肋末端形成约束应力.

1.3试验验证

数值模拟结果与文献[7]的试验结果对比见图6.图中,顶板理论计算值采用的是图4(b)中3条曲线的平均值,纵肋理论计算值采用的是图5(b)中的纵肋中线值.数值模拟与试验采用相同的结构和焊接形式,但模型尺寸不同.本文中数值模型根据大胜关大桥实际尺寸建立,而文献[7]采用的是顶板厚度8mm、肋板厚度4mm的缩尺模型,所提模型中的板件厚度为文献[7]中试验模型板件厚度的1.5倍.

(a) 横向残余应力

(b) 纵向残余应力

(a) 顶板

(b) 纵肋

由图6可知:① 数值模拟结果与试验结果变化规律一致,即纵向残余应力在焊缝附近为拉应力,在远离焊缝区为压应力.② 由于试验与数值模型尺寸不同,顶板远离焊缝区的残余应力理论计算值大于试验值.数值模拟结果与试验结果吻合较好,试验点围绕在理论计算值附近,说明本文数值模拟结果可靠.

2焊接残余应力随板件厚度的变化规律

由1.2节分析可知,焊缝侧顶板表面的残余应力值最大,分析时最不利,因此本节分析中取焊缝侧顶板表面的残余应力.纵肋残余应力最大值略小于顶板残余应力最大值,因此本节只对顶板残余应力进行分析.以下为表达方便,将顶板和肋板分别简记为D和L,板件D12L6表示顶板厚度为12mm、肋板厚度为6mm的板件,其余以此类推.

2.1顶板厚度变化的影响

当肋板厚度固定为8mm,仅顶板厚度变化时,焊接残余应力沿横向分布曲线如图7所示.由图7(a)可知:① 不同顶板厚度的横向残余应力变化规律相同,沿横向均为拉应力,曲线有2个峰值点,分别位于焊趾和焊根附近,峰值应力为230MPa,约为材料屈服应力的2/3.因此,进行顶板纵肋焊接细节疲劳分析时,应着重分析顶板表面焊趾、焊根处是否会发生疲劳损伤.② 焊缝中心处应力值约为焊趾处的1/2.③ 板件D20L8与板件D12L8的峰值应力相差72MPa.④ 在远离焊缝区,应力值随板件厚度的增加而减小;在焊缝区,应力值随板件厚度的增加而增大.

(a) 横向残余应力

(b) 纵向残余应力

由图7(b)可知:① 不同顶板厚度的纵向残余应力变化规律相同,纵向残余应力在焊缝侧顶板表面的焊缝中心处达到最大值390MPa,已超过材料屈服点,焊缝区高值残余拉应力的存在可能会降低构件稳定极限承载力,应引起注意.② 板件D20L8与板件D12L8的峰值应力相差19MPa.③ 纵向残余应力随顶板厚度的增加而增大.

2.2纵肋厚度变化的影响

当顶板厚度固定为16mm,仅纵肋厚度变化时,焊接残余应力沿横向分布曲线见图8.

(a) 横向残余应力

(b) 纵向残余应力

由图8(a)可知:① 不同肋板厚度的横向残余应力变化规律相同. ② 板件D16L8与板件D16L6峰值应力仅相差7MPa.③ 沿顶板表面,应力值随肋板厚度的增加而增加.由图8(b)可知:① 不同顶板厚度的纵向残余应力变化规律相同.② 板件D16L8与板件D16L6峰值应力仅相差1MPa.③ 在远离焊缝区,应力值随肋板厚度的增加而减小;在焊缝区,应力值随肋板厚度的增加而增大.

3焊接残余应力统一分布模型

当肋板厚度分别取6和8mm时,焊接残余应力最大值随顶板厚度变化的拟合曲线见图9.拟合方程如下:

(3a)

(3b)

(a) 横向残余应力

(b) 纵向残余应力

由图9(a)可知: ① 肋板厚度固定时,横向残余应力最大值随顶板厚度的增加而增大;当肋厚为8mm,顶板厚度由12mm增大到20mm时,横向残余应力最大值增大72MPa,即增大约45%.② 顶板厚度固定时,横向残余应力最大值随肋板厚度的增加而增大;当顶板厚度为20mm,肋板厚度由6mm增大到8mm时,横向残余应力最大值增大16MPa,即增大约8%.③ 顶板厚度的增加会显著增大焊接细节的横向残余应力,但由于顶板厚度的增加会降低车辆荷载下的应力,因此板件厚度增加对疲劳性能的影响需要进一步研究.

由图9(b)可知:① 肋板厚度固定时,纵向残余应力最大值随顶板厚度的增加而增大;当肋厚为8mm,顶板厚度由12mm增大到20mm时,横向残余应力最大值增大19MPa,即增大约5%.② 顶板厚度固定时,随肋板厚度的增加,纵向残余应力最大值基本不变.③ 板件厚度的增加对纵向残余应力影响较小,但由于增加板件厚度会减小车辆荷载作用下的应力,因此增加板件厚度对桥梁稳定承载力分析是有利的.

(a) 顶板

(b) 纵肋

(a) 顶板

(b) 纵肋

焊接残余应力统一分布模型具有以下特点:① 横向残余应力曲线包含2个峰值点,分别位于顶板焊缝两侧焊趾、焊根附近2mm范围内,模型近似认为位于焊趾、焊根处;两峰值相差不大,因此,统一模型认为两峰值相等,都为应力最大值.② 纵向残余应力在焊缝中心达到最大值.③ 纵肋上,横向与纵向焊接残余应力峰值点均位于纵肋焊缝端部,其数值略小于顶板残余应力最大值;此处取纵肋与顶板残余应力最大值相等.④ 对于远离焊缝区数值较小的残余应力,只给出了近似值或分布范围.⑤ 统一分布模型适用于材料为Q345钢、肋板厚度为6,8mm、顶板厚度为12～20mm的顶板-纵肋焊接残余应力计算,为钢桥面板顶板纵肋焊接细节的研究与设计提供参考.

4结论

1) 横向残余应力在焊缝侧顶板表面焊趾、焊根处达到最大值230MPa,约为材料屈服应力的2/3.因此,进行顶板纵肋焊接细节疲劳分析时,应着重分析顶板表面焊趾、焊根处是否会发生疲劳损伤.

2) 纵向残余应力在焊缝侧顶板表面的焊缝中心处达到最大值390MPa,已超过材料屈服点,焊缝区高值残余拉应力的存在可能会降低构件稳定极限承载力,应引起注意.

3) 肋板厚度固定时,横向残余应力值随顶板厚度的增加而增加;当顶板厚度由12mm增加到20mm时,横向残余应力最大值增加约45%.顶板厚度固定时,横向残余应力值随肋板厚度的增加而增大;当顶板厚度由6mm增加到8mm时,横向残余应力最大值增大约8%.因此,顶板厚度的增加会显著增大焊接细节的横向残余应力,但由于顶板厚度的增加会降低车辆荷载下的应力,因此板件厚度增加对疲劳性能的影响需要进一步研究.

4) 肋板厚度固定时,纵向残余应力值随顶板厚度的增加而增加;当顶板件厚度由12mm增大到20mm时,纵向残余应力最大值增大约5%.顶板厚度固定时,随肋板厚度的增加纵向残余应力基本不变.板件厚度改变对纵向残余应力影响较小,但由于增加板件厚度会减小车辆荷载作用下的应力,因此增加板件厚度对桥梁稳定承载力分析是有利的.

5) 统一分布模型适用于材料为Q345钢、肋板厚度为6,8mm、顶板厚度为12～20mm的顶板-纵肋焊接残余应力计算,为钢桥面板顶板纵肋焊接细节的研究与设计提供参考.

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Influenceanalysisofplatethicknessonweldingresidualstressofsteeldeckdeck-rib

CaoBaoyaDingYouliang

(KeyLaboratoryofConcreteandPrestressedConcreteStructuresofMinistryofEducation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China)

Abstract:In order to study the influence rule of the plate thickness variation on the welding residual stress of the deck-rib of the orthotropic steel bridge, the element birth and death technology in the finite element software ANSYS and the thermal-structure coupling analysis method are used to simulate the welding details of the deck-rib, and the distribution of the welding residual stress is obtained. The influence rule of the plate thickness variation on the residual stress is mainly analyzed. The results show that the transverse residual stress reaches the maximum near the weld toe and the weld roof, and the corresponding value is about two-thirds of the material yield strength. The longitudinal residual stress reaches the maximum in the weld center, and the corresponding value is larger than the material yield strength. The plate thickness variation has little effect on the longitudinal residual stress, but large effect on the transverse residual stress. The maximum transverse residual stress increases by 45% when the thickness of the top plate increases from 12 to 20 mm. According to these results, the unified distribution model for the welding residual stress with different plate thicknesses is established, providing a reference for research and design of the welding residual stress.

Key words:steel bridge; welding residual stress; fatigue; plate thickness; deck-rib; unified distribution model

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.018

收稿日期:2015-12-03.

作者简介:曹宝雅(1988—)，女，博士生；丁幼亮(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，civilding@seu.edu.cn.

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划)青年科学家专题资助项目(2015CB060000)、国家自然科学基金资助项目(51578138)、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2242016K41066).

中图分类号:TU318;U442

文献标志码:A

文章编号:1001-0505(2016)03-0565-07

引用本文: 曹宝雅,丁幼亮.板件厚度对钢桥面板顶板纵肋焊接残余应力的影响分析[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(3):565-571.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.018.