羅永赤 (長江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院,湖北荊州434023)

在鋼結(jié)構(gòu)工程中,大型的實腹式構(gòu)件多采用組合工字型截面,由于組合工字型截面是將鋼板通過電弧焊焊接而成,而電弧焊的施焊過程是一個不均勻的加熱與冷卻過程,因此在焊接完成后,一般都存在一定的焊接殘余變形。對于尺寸較大的組合工字型截面,其翼緣板和腹板一般較厚,拼焊后就會有較大的焊接變形產(chǎn)生,在工程制作中需要采用一定的矯正方法,如機械矯正、手工矯正和熱加工矯正等,對焊接后的構(gòu)件進行整形處理。如果在組合工字型截面的拼焊中,采用不正確的焊接順序和焊接工藝,就會產(chǎn)生過大的焊接變形甚至可能出現(xiàn)焊接裂縫,從而造成工程構(gòu)件在矯正過程中的矯正難度增大,甚至導(dǎo)致整個構(gòu)件的報廢。因此,如何在焊接前準確地確定和控制組合工字型截面焊接變形,就成為保證鋼結(jié)構(gòu)工程安全的一個關(guān)鍵性問題。筆者對某大型工字型組合截面的鋼梁施焊的焊接順序進行數(shù)值模擬,針對不同的焊接工藝方案,對工字型組合截面的焊接變形進行了定量分析,為實際工程中準確預(yù)測構(gòu)件焊接后的變形提供了參考依據(jù)。

1 工字型組合截面焊接有限元模型

1.1 模型的幾何尺寸與網(wǎng)格劃分

工字型組合截面鋼梁長度為9m,截面尺寸為1028 mm×280 mm×8 mm×14mm(圖1)。由于工字型組合截面通過角焊縫將翼緣板與腹板拼接而成,所以在建立有限元模型時應(yīng)將翼緣板與腹板分開,由角焊縫的有限元模型將其聯(lián)系起來,以便與實際情況一致 (圖2)。因為實際工程的鋼梁長度為9m,在滿足計算精度的前提下,為了減少計算時間,在劃分網(wǎng)格時對截面中距離焊縫較遠部分采用了較大尺寸的網(wǎng)格,對于焊縫和距離焊縫較近的部分采用了較小尺寸的網(wǎng)格(圖3),單元采用8節(jié)點六面體單元。

圖1 截面尺寸

圖2 焊縫及附近的有限元網(wǎng)格

圖3 網(wǎng)格劃分

1.2 材料的特性參數(shù)

工字型組合截面的鋼材為Q235鋼,采用的材性參數(shù)分別是[1]:屈服強度 fy=210MPa;抗拉強度fu=235M Pa;材料的彈性模量E=2.06×105M Pa。假定焊縫金屬的熱物理性能參數(shù)和母材相同,并考慮鋼板的物理性能和力學(xué)性能隨溫度變化[2,3]。

在進行有限元分析時,采用小位移和小應(yīng)變模式。材料模式為熱彈塑性,遵循M ises屈服條件,塑性區(qū)內(nèi)的行為服從流變法則和各向同性硬化,本構(gòu)關(guān)系為雙線性硬化模式,其材料的力學(xué)性能隨溫度的變化而變化。

1.3 焊接熱源模型

在模擬角焊縫焊接熱源的移動時,將每條焊縫單元 (圖3)分成6個小時間段,通過利用單元生死的原理,對每條焊縫各小時間段內(nèi)的單元逐步加熱,以此實現(xiàn)熱源的移動。焊接熱源是通過假設(shè)焊縫所在單元具有內(nèi)部熱生成來模擬,焊縫的焊接速度按實際橫焊的焊接速度 (25cm/m in)來模擬。

2 確定焊接順序方案

2.1 定性分析

為了便于比較,采用了如下2種焊接順序方案 (圖4):①先下部焊縫后上部焊縫方式,其焊接順序為1→2→3→4。②對角跳焊方式,其焊接順序為1→4→2→3。采用①方案時,先焊接1、2焊縫時截面剛度較小,完成焊接后會有較大的反拱變形。隨后焊接3、4焊縫時截面剛度較大,焊接產(chǎn)生的變形較小,抵消不了焊接1、2焊縫時的反拱變形,所以完成4條焊縫焊接后,會有一定的反拱。采用②方案時,先焊接1焊縫,雖然截面剛度較小,但由于只是一條焊縫的焊接,所以反拱變形不大,而4焊縫的焊接產(chǎn)生的變形則可抵消1焊縫的反拱。在焊接3焊縫時,截面剛度增加,可以抵消隨后焊接2焊縫后產(chǎn)生的反拱。因此,采用對角跳焊可以消除側(cè)向的焊接變形。

圖4 焊縫順序

2.3 數(shù)值模擬結(jié)果與定量分析

焊接順序采用①方案時,各階段焊縫變形的分析結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,在完成1焊縫時,產(chǎn)生較大的反拱彎曲變形與側(cè)向變形,總變形值為33.52mm,方向朝右側(cè);完成2焊縫后,側(cè)向變形減小,但反拱彎曲變形變大,總變形值為19.28mm,方向朝右側(cè);完成3焊縫后,出現(xiàn)反方向的側(cè)向變形,反拱彎曲變形有一定減小,總變形值為32.46mm,方向朝左側(cè);完成4焊縫后,側(cè)向變形減少,同時反拱彎曲變形也有一定減小,總變形值為19.09mm,方向朝左側(cè)?？傮w看,該焊接順序側(cè)向變形少,但彎曲變形大,同時在完成3焊縫時,出現(xiàn)反方向的側(cè)向變形,所以在完成3焊縫后,構(gòu)件出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)翹曲,需要立即整型,否則無法進行后續(xù)焊縫的施焊。

圖5 焊縫順序為1→2→3→4時各階段變形

焊接順序采用②方案時,各階段焊縫變形的分析結(jié)果如圖6所示。由圖6可知,雖然完成焊縫1的結(jié)果與①方案的結(jié)果一樣,但是完成4焊縫時的變形與①方案有較大區(qū)別,表現(xiàn)為仍是同向的側(cè)向變形,構(gòu)件全過程未出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)翹曲。完成2焊縫和完成3焊縫時鋼梁的側(cè)向變形仍是一個方向,并且由2焊縫的22.71mm的總變形值,變?yōu)?焊縫的21.59mm的總變形值,沒有出現(xiàn)①方案反方向的側(cè)向變形問題,不需要中途進行整型。

圖6 焊縫順序為1→4→2→3時各階段變形

通過以上分析,可以看出在組合工字型截面鋼梁的2種焊接順序方案中,①方案在焊接過程中存在扭轉(zhuǎn)翹曲的變形,需要中途進行整型,才能完成最后一道焊縫的焊接,而完成最后一道焊縫后還需要再整型一次,才能得到合格的構(gòu)件。②方案在焊接過程不存在扭轉(zhuǎn)翹曲,僅需要在完成最后一道焊縫后整型一次,就可得到合格的構(gòu)件。因此,可確定②方案優(yōu)于①方案。

3 結(jié) 語

對組合工字型截面鋼梁焊接的全過程通過數(shù)值模擬并進行定量分析,可以了解焊接各階段構(gòu)件的具體變形值,解決了以前依靠定性分析焊縫順序所不能解決的問題,為制作其他異形構(gòu)件鋼結(jié)構(gòu)時預(yù)測各階段焊接變形的大小提供了定量分析方法。

[1]GB50017-2003,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 [S].

[2]中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會.焊接手冊:焊接結(jié)構(gòu) [M].北京:機械工業(yè)出版社,2001.

[3]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.