鋼箱梁面板與U肋焊接殘余應力的分布特性

崔　闖,卜一之,李　俊,張清華

(西南交通大學土木工程學院,四川 成都 610031)

正交異性鋼橋面板是大跨度鋼橋首選橋面板結構.因板件難以軋制成型,并且構造及焊接工藝復雜,導致大量焊接構件組裝后殘余應力及焊接變形嚴重.在殘余應力與反復交變車輛荷載組合作用下,正交異性鋼橋面板局部應力集中區域塑化,加速結構疲勞損傷,降低其疲勞壽命.降低殘余應力、減小局部塑化區域,有效提高疲勞壽命,保證其設計壽命期內的行車安全是正交異性鋼橋面板疲勞研究的重要課題之一.

為評估焊接構件殘余應力對正交異性鋼橋面板受力性能的影響,國內外研究者多采用試驗方法來預測焊接結構的殘余應力量值與分布特征[1-4],但當前研究主要針對特定參數組合構造下殘余應力對結構整體性能影響研究,而殘余應力對結構的疲勞性能同樣具有重要影響[5-7].傳統的殘余應力測試手段不僅耗費大量的人力和財力，而且測試精度較差；采用X射線可較為準確地測試，但儀器設備費用昂貴.隨著計算機技術的發展，采用數值方法模擬焊接過程得到了廣泛應用.文獻[8]中采用仿真計算模擬了焊接全過程，較為準確地反映實際的殘余應力分布.

本文以港珠澳大橋正交異性鋼橋面板為研究對象,對典型的正交異性鋼橋面板細節——面板與U肋連接,采用數值模擬方法，模擬焊接全過程,研究結構參數變化對殘余應力分布及數值的影響,并在此基礎上提出殘余應力分布的經驗公式.

1　焊接過程分析模型建立與驗證

文獻[9]的研究表明,焊接溫度場直接決定了焊接結構分析的應力應變場,而焊接力學場對溫度場的影響較小.在彈塑性分析中，采用增量法逐步解出構件的有關場量(應力場和應變場),溫度場則用時間差分格式逐步積分得到，即可以在某一瞬時分別計算溫度和應力,通過二者之間的關系,考慮兩者的耦合影響效應,以求解焊接過程的彈塑性問題.本文采用ANSYS熱-結構弱耦合模型模擬焊接殘余應力產生過程.

基本思路：對焊件連接處進行熱分析,逐步施加溫度增量并計算各節點位移增量,利用彈塑性應力-應變關系求得各單元應力增量,以模擬面板與U肋連接焊縫殘余應力量值及其分布；結合ANSYS中生死單元技術模擬焊縫填充方法模擬焊接全過程,并分別采用SOLID70和SOLID185單元進行溫度場和應力場分析.因焊接過程復雜,應力場和應變場為高度非線性,將焊接熱應力場簡化為材料的非線性瞬態問題,采用雙線性隨動強化彈塑性本構模型模擬.

(b) 有限元模型圖1　連接構造及有限元模型Fig.1　Model parameters and boundary condition

在高溫條件下Q345的相關材料特征參數參考文獻[10-13]及EN10025-2[14]標準.焊接模擬熱源相關參數采用港珠澳大橋實際焊接熱源參數，其中：電壓為31±1 V，電流為300±20 A，焊速為40±10 cm/min，時間步長為0.1 s，電壓、電流及焊速為恒定值，多道焊初始溫度為20 ℃,室溫與初始溫度一致.根據文獻[7]，常溫下傳熱系數一般為5～25 W/(m2·T),計算分析時取13 W/(m2·T).采用生熱率及生死單元技術,沿縱向按順序分段加熱焊縫單元,以模擬焊接過程.焊接過程共分為420個荷載步,每個荷載步分為4個荷載子步,在對下一步施加單元生熱率前刪除上一步所施加單元生熱率,實現移動熱源模擬焊接的過程.

港珠澳大橋鋼箱梁正交異性鋼橋面板板單元焊接加熱(第2道焊)在22.4、30.0、34.0、38.0 s時的溫度場變化如圖2(a)所示.焊接模擬過程中,焊件上各單元從溫度不穩定開始,迅速形成準穩態溫度場,雖然結構各區域溫度隨移動熱源位置和時間改變,但溫度場以固定的形態隨熱源移動.面板與U肋連接焊縫焊后冷卻至39、68、131、1 874 s時的溫度場,如圖2(b)所示.當時間超過1 874 s時,結構內部溫度差為0.04 ℃,可認為結構內部溫度已趨于室溫,達到穩定狀態.

將所得溫度場逐步施加于結構,并結合上述建模方法對文獻[15]中相關試驗數據進行驗證.結果表明,數值模擬理論值與實測值差別較小,所建立的有限元模型能準確地表達殘余應力分布量值與分布特征,對比結果如圖3所示.由于文獻[15]中所研究的殘余應力均為縱向(z向)殘余應力σz(若未特殊說明,所述坐標均為圖1(b)中所示坐標)，而對疲勞性能影響較大的垂直于焊縫方向的殘余應力σx未有涉及.因此,為進一步研究殘余應力對疲勞性能的影響,文中主要研究橫向殘余應力σx的分布特性.

圖2　焊接全過程溫度場變化Fig.2　Temperature variation during the entire welding process

圖3　有限元模型驗證Fig.3　Verification of finite element model

2　焊接殘余應力模擬與分析

2.1　焊接殘余應力

面板與U肋連接焊縫疲勞破壞主要分為焊趾沿面板開裂、焊根沿面板開裂、焊根沿焊喉開裂和焊趾沿U肋開裂,如圖4所示.

為研究殘余應力對正交異性鋼橋面板疲勞性能的影響,在分析殘余應力時,主要考慮對其疲勞性能影響較大的焊接區域局部殘余應力,即在焊趾或焊根處沿板厚垂直于焊縫方向的橫向殘余應力.沿面板開裂的兩類疲勞裂紋發生幾率在面板與U肋連接部位的疲勞開裂中占比較大,為此，后續主要研究對面板與U肋連接部位疲勞性能影響較大、沿面板厚度方向的殘余應力，主要集中在面板上.

根據前述開裂模式中各起裂位置,分析橫截面上沿板厚及沿板件表面x方向對疲勞開裂有較大影響的殘余應力,即焊趾或焊根沿厚度分布垂直于焊縫方向的殘余應力.港珠澳大橋面板與U肋連接焊縫，在z=100 mm橫截面上殘余應力的分布如圖5所示.

圖4　典型開裂模式Fig.4　Typical propagation models of fatigue crack

(b) 面板焊根圖5　z=100 mm橫截面上殘余應力的分布Fig.5　Residual stress distribution of cross-section at z=100 mm

由圖5可知,面板沿厚度的σx先減小后增加焊縫區域局部殘余應力峰值接近300 MPa,接近屈服應力,在服役期正常工作狀態下,恒活載疊加作用后其局部可能發生塑化.因此,上述焊縫x方向殘余應力與正常使用階段應力聯合作用會導致該構造細節疲勞性能顯著降低.

2.2　參數影響效應

為控制殘余應力值及分布對疲勞性能的影響效應,需對其敏感性參數進行進一步的研究.文獻[16]研究表明,散熱條件、焊接有效功率、熔池面積對殘余應力整體影響較大,對決定疲勞開裂的殘余拉應力峰值影響甚微.本文中不考慮上述條件的改變對殘余拉應力的影響,以沿面板開裂區域內對殘余應力影響最大的參數——面板厚度為研究對象,對其特定參數組合下的殘余應力大小和分布進行對比分析.

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數值模擬結果如圖6所示,其中：D表示面板;D后面的數字表示面板厚度,如“D12”表示面板厚度為12 mm；圖中坐標與圖5局部坐標系相同.

(b) 面板焊根圖6　面板沿厚度方向殘余應力分布Fig.6　Residual stress distribution across the thickness of the deck

由圖6可知：(1) 隨面板厚度的增加,面板焊趾處的橫向殘余應力峰值略有增加；當面板厚度由12 mm增加至22 mm時,焊趾處殘余應力增幅為19.8%.(2) 面板焊根處的橫向殘余應力隨面板厚度變化趨勢與焊趾處殘余應力變化趨勢一致；當面板厚度由12 mm增加至22 mm時,其殘余峰值應力較面板為12 mm時增加為21.2%.與焊趾相比,焊根處殘余應力峰值更大,且焊接質量難以保證,導致焊根部位更易出現疲勞裂紋.焊趾或焊跟部位裂紋起裂點處的殘余應力均超過200 MPa,在與恒活載應力場疊加后,局部可發生塑化,嚴重降低此處疲勞性能.

3　殘余應力分布經驗公式

為研究殘余應力對各焊接細節疲勞性能的影響,需確定殘余應力量值與其對應的分布特征.目前殘余應力求解主要采用數值方法,該方法計算時間長,計算機性能要求高,限制計算模型的大小,不適合在整體結構中考慮其對疲勞性能的影響.為此,提出了適用于疲勞分析的殘余應力經驗分布模型,在結構分析中可通過經驗分布模型來考慮殘余應力的影響,國內外學者[7,11]基于靜力行為研究提出了在整體結構和局部分析中的分布簡化模型,但用于疲勞分析的局部分析模型還未見報道.基于前述參數影響效應分析，建立直接影響面板與U肋連接焊縫開裂的殘余應力σx的經驗分布模型,為疲勞理論分析和優化設計提供支撐.

對港珠澳大橋正交異性鋼橋面板與縱肋連接部位殘余應力分布的分析表明,沿板件厚度方向殘余應力可采用式(1)計算.

(1)

式中：A為變化幅;

yc為初相位;

A0為偏距;

wc為與周期相關的系數.

為研究不同參數組合下的殘余應力分布，采用擬定的式(1)對不同參數組合下的殘余應力分布進行模擬，并根據焊接殘余應力自平衡的原則對模擬結果進行校核.典型參數組合下的殘余應力分布擬合結果見表1.

表1中經驗分布模型各參數值可為同類型橋面板抗疲勞設計提供支撐,此處所得式(1)僅適用于相關尺寸(U肋高度為300 mm;上口寬300 mm;下口寬180 mm)下不同板厚的參數組合,其他相關尺寸應用式(1)研究時,可采用此分布模型,在滿足殘余應力自平衡的原則下進行修正.

為驗證經驗分布模型的正確性，以港珠澳大橋典型參數組合為例，采用式(1)計算結果與圖5所示的數值分析對比，如圖7所示.結果表明，所擬定的分布模型能較好地反映焊縫局部區域殘余應力的分布狀態.

表1　理論分布模型參數Tab.1　Parameters of theoretical distribution model

(b) 面板焊根圖7　焊縫沿厚度方向殘余應力分布模擬結果Fig.7　Simulation of residual stress distribution at the local weld zone across the thickness

4　結　論

采用熱-結構弱耦合方法,以港珠澳大橋正交異性鋼橋面板與U肋連接構造為例,建立了連接焊接有限元模型,模擬了焊接全過程.研究結果如下:

(1) 在面板與U肋焊接熱塑區內,局部橫向殘余拉應力達300 MPa；在熱塑區范圍內,局部橫向應力已接近屈服；在正常工作狀態下，疊加的恒活載應力局部進入塑性階段,導致疲勞性能顯著降低.

(2) 面板與U肋連接焊縫區域橫向殘余應力(垂直于焊縫)沿板厚方向應力峰值隨面板厚度的增加而增加,增幅最大為21.2%.在疲勞裂紋起裂點處最小殘余應力達200 MPa.

(3) 焊縫局部區域橫向殘余應力沿板厚采用正弦函數能較好的擬合其理論計算值,其殘余應力屬于正弦分布.因此,可采用正弦函數作為其疲勞分析時的經驗分布模型.

(4) 在殘余應力分析時,未考慮恒活載產生的應力場與殘余應力疊加.因此,將殘余應力場和正常工作狀態的下應力場疊加,考慮殘余應力重分布后的影響效應,并以此進行鋼橋面板疲勞性能分析,將是下一階段研究的重點.

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