鋼橋面板加勁肋焊縫位置熱點應力數值分析

傅中秋, 吉伯海, 王滿滿, 章青

(1.河海大學土木與交通學院,江蘇南京210098;2.河海大學力學與材料學院,江蘇南京210098)

鋼橋面板加勁肋焊縫位置熱點應力數值分析

傅中秋1, 吉伯海1, 王滿滿1, 章青2

(1.河海大學土木與交通學院,江蘇南京210098;2.河海大學力學與材料學院,江蘇南京210098)

采用8節點單元和20節點單元分別建立鋼橋面板U肋焊接部位的有限元分析模型,分析不同單元尺寸劃分對模型分析精度的影響,對比兩種模型計算差異,并分析不同熱點應力取值方法的區別。分析結果表明,隨著單元尺寸的減小,頂板表面彎曲應力增大,板厚方向彎曲應力增大。相對而言,20節點單元模型計算結果更容易收斂,對于8節點單元模型建議設置8層單元,20節點單元模型建議設置4層單元。在熱點應力的取值方法中,表面外推法結果穩定,表面以下1 mm應力法結果受單元尺寸的影響。

鋼橋面板;焊縫;熱點應力;有限元模型

正交異性鋼橋面板是鋼橋面板的主要結構形式,廣泛應用于鋼橋結構。由于構造復雜,尤其是焊縫位置存在幾何突變,易產生應力集中[1]。鋼橋面板焊接時,其焊縫質量也會存在各種焊接缺陷,可能導致局部受力突變。在交變荷載的作用下,正交異性鋼橋面板焊縫位置易產生疲勞破壞,直接影響橋梁的安全運營[2]。

焊縫位置疲勞損傷主要取決于應力變化[3]。目前針對疲勞損傷的應力存在多種應力代表值取值方法,如名義應力、熱點應力、缺口應力等[4]。傳統疲勞應力以名義應力法為主[5]。由于熱點應力具有較好的精度,實際應用可行,近幾年熱點應力也被廣泛研究和應用[6]。熱點應力取值點位于焊縫邊緣幾何突變位置,無論是計算分析或者實際測試,都難以獲得準確的應力值[7]。基于靜力加載的計算方法,文中針對頂板焊縫位置的應力進行分析,研究熱點應力的分析模型及取值方法,為疲勞損傷數值分析提供參考。

1 分析模型

由于疲勞與局部應力相關,只要模型能反應局部應力變化,可認為能反應該構造細節的疲勞應力情況。文中采用鋼橋面板頂板與U肋連接接頭局部模型來模擬U肋與頂板焊縫的構造細節,通過在頂板上施加面外荷載,模擬實橋中頂板彎曲受力。盡管U肋的約束條件與實際存在差異,但只要焊縫應力能反應U肋焊縫的疲勞受力情況,可認為該模型是可行的。

模型尺寸如圖1所示,U肋與頂板呈78°焊接,焊接形式為半熔透剖口焊,熔透率為75%。頂板上焊腳尺寸與U肋上焊腳尺寸相同,均為6 mm。試件邊界約束及加載如圖1所示,試件一端固定約束,另一端懸空。蓋板與頂板采用螺栓連接,蓋板長度為240 mm,寬度為300 mm。均布荷載中線點距固定端邊緣240 mm,荷載大小為4 000 N,加載面積如圖所示。

采用Ansys軟件,分別選用8節點實體單元solid185和20節點實體單元solid186建立橋面板實體單元模型。分析模型如圖2所示,沿板厚方向設置多層單元。

2 模型精度分析

2.1 單元劃分尺寸影響

分別針對8節點和20節點實體單元模型進行分析,沿板件厚度方向分別設置1,2,3,8,16,24,32層單元。頂板上表面焊根側應力分布(節點應力)如圖3所示。

圖2 有限元模型Fig.2 Finite elementmodel

圖3 焊根側頂板表面應力分布Fig.3 Stress of weld root side roof surface

隨著單元尺寸的減小,頂板表面彎曲應力增大。對于8節點模型,采用不同單元尺寸時,焊根附近頂板表面應力相差較大。沿板厚方向設置1～4層單元時,焊縫0.25 t～2.0 t范圍內應力先減小后增大,與實際應力變化趨勢不符。沿板厚方向設置8層以上單元時,應力計算結果較為穩定。對離焊根0.5 t及1.0 t處點的應力,隨單元尺寸的減小,應力增大,并逐漸收斂。對于20節點模型,采用不同單元尺寸時,頂板表面距離焊根0.4 t距離以外點的應力相差不大。距離焊根0.5 t以內點的應力因受焊縫的影響,呈非線性增加。沿板件厚度方向設置16層以上單元時,各點應力分布幾乎相等,僅在焊根處(0.5 mm距離內)的應力存在差異。

頂板焊根處沿板厚方向應力分布隨單元尺寸的變化如圖4所示。板厚方向以彎曲應力為主。隨著單元尺寸的減小,彎曲應力增大。

對于8節點模型,沿板厚方向設置4層以內單元時,應力沿板厚方向呈線性分布,且應力受單元尺寸的影響較大。沿板厚方向設置8層以上單元時,表面0.1 t以下點的應力穩定,呈線性分布,不受單元尺寸影響。對于20節點實體單元模型,沿板厚方向設置1層單元時,應力沿板厚方向呈直線分布。沿板厚方向設置多層單元時,應力沿板厚方向呈折線形分布,但應力變化不大。焊縫對板厚方向應力的影響范圍與采用8節點實體單元計算所得的結果相同,在0.1 t左右。

圖4 焊根處沿板厚應力分布Fig.4 Distribution of the stress along the thickness direction

2.2 單元類型影響

取沿板厚劃分為32層單元8節點和20節點實體單元模型,對比分析焊縫表面應力分布及沿板厚方向應力分布如圖5所示。對焊縫附近板表面0.5 t以外的區域,采用20節點實體單元模型計算得到的應力比采用8節點實體單元計算所得的應力大5%左右。在板厚度方向,表面0.5 mm以下區域,采用20節點實體單元計算得到的板厚方向的應力分布與采用8節點實體單元得到的應力幾乎相等,僅在板表面至表面以下0.5 mm處的應力存在差異。

圖5 不同單元類型模型計算結果比較Fig.5 Com parison of different elementmodels calculation results

3 熱點應力取值

3.1 熱點應力取值方法

由于焊縫熱點位置為焊縫幾何邊緣位置,受應力集中影響顯著。在計算或實際測試時,熱點位置的應力值較難準確得到,而離熱點應力一段距離位置的應力值計算或實測較穩定[8]。除了某些簡單的情況,幾乎沒有現成的公式來計算結構的熱點應力。采用解析法計算復雜結構的熱點應力是不可行的,只能采用有限元法或間接測試方法來計算結構的熱點應力。對于板結構來說,現有4種方法得到焊趾處的熱點應力:

1)表面應力外推法[9]:假設熱點往外的應力分布服從函數關系,利用熱點外側2點或3點的應力值和函數關系來倒推處熱點位置的應力。國際焊接學會(IIW)已推薦2點3點[10]及表面外推法。

2)沿板厚方向應力線性化法[11]:將板厚方向熱點應力可以分解為呈線性分布的膜應力和彎曲應力之和。

3)Dong法[12]:以離焊微小距離(如2 mm)遠處的應力為依據,根據平衡條件得到焊趾處的熱點應力。此法對網格的劃分不敏感,故不對其進行分析。

4)表面以下1 mm應力法(1 mm)[13]:Yamada建議以焊趾處表面1 mm以下點得應力來作為熱點應力。對與焊根-頂板裂紋,此方法可消除板厚對熱點應力強度的影響。

3.2 熱點應力計算結果對比

根據模型精度分析,20節點單元模型應力計算更容易收斂,故應用20節點單元模型進行不同熱點應力取值方法的計算。圖6為焊根處的熱點應力計算結果對比。

由圖6可知,采用表面外推法得到的熱點應力隨網格尺寸的細化而收斂。采用3點表面外推法與2點表面外推法得到的熱點應力幾乎相等。板厚方向需設置不少于4層單元。采用沿板厚方向積分方法得到的熱點應力隨網格的細化而收斂,比采用表面外推法得到的熱點應力小5%左右,其熱點應力值幾乎不受單元尺寸的影響。取焊趾處板表面以下1 mm處應力作為熱點應力時,隨單元網格的細化,應力先增大后減小,較不穩定。當厚度方向取32層單元時,得到的熱點應力比表面外推法得到的熱點應力小15%左右。

圖6 20節點實體單元焊根熱點應力計算結果Fig.6 Calcu lation resu lts of hot spot stress at 20 node solid element root

4 結 語

1)隨著單元尺寸的減小,頂板表面彎曲應力增大,板厚方向、彎曲應力增大。單元劃分尺寸對于8節點單元模型影響比20節點單元模型影響顯著, 20節點單元模型計算結果更容易收斂。

2)采用8節點實體單元計算熱點應力,板厚方向設置8層單元以上時計算結果可達到取值精度要求;采用20節點實體單元計算熱點應力,沿板厚方向設置不少于4層單元時計算結果可達到取值精度的要求。

3)表面外推法結果穩定,2點外推法和3點外推法所計算熱點應力值差異不明顯,厚度方向積分方法計算值比表面外推法小,表面以下1 mm應力法結果受單元尺寸影響。

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(責任編輯:楊 勇)

Hot Spot Stress Numerical Analysis of Steel Bridge Deck W eld

FU Zhongqiu1, JIBohai1, WANG Manman1, ZHANG Qing2
(1.College of Civil and Transportation Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.College of Mechanics and Material,Hohai University,Nanjing 210098,China)

The finite elementmodels of bridge deck to U rib welded are established by using 8 node element and 20 node element.Themodel precision influenced by different size division is analyzed.The influence of the element type and hot spot stressmethod to the calculation results were compared.The results show that the bending stress on plate surface and along the thickness direction increaseswhen the element size decreases.In comparison with 8 nodemodel, the calculation result of 20 node elementmodel convergesmore easily.8 layers are suggested to the 8 node element model and 4 layers are suggested to the 20 node elementmodel.By the comparing of different hot spot stressmethods, the value by surface extrapolation method is stable and beneath the surface of 1 mm stressmethod influenced by the element size.

steel bridge deck,weld,hot spot stress,FEM

Email:fumidaut@163.com

U 441+.4

A

1671-7147(2015)03-0333-05

2014-10-29;

2015-01-05。

國家自然科學基金項目(51278166,51478163);江蘇省第四期“333高層次人才培養工程”項目。

傅中秋(1983—),男,江蘇南京人,副教授,工學博士。主要從事鋼橋維護等研究。