陳澤強(qiáng)

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司 天津 300222）

1 引言

目前，為滿足承載力的要求，我國鋼結(jié)構(gòu)橋梁中使用鋼壓桿或鋼箱梁作為主要承重構(gòu)件［1-3］。這些構(gòu)件中，加勁肋的形式主要有板肋、T肋及U肋。在厚板結(jié)構(gòu)中，板肋與母板的焊接施工工藝相比更為方便，在熔透的工藝要求下，方便工地操作，因此近年來應(yīng)用較為廣泛。

怒江四線特大橋位于金剛元隧道與高黎貢山隧道之間，于大坪子附近跨越怒江，橋上設(shè)站，為四線特大橋，線間距5 m，橋梁全長1 024.2 m。主橋采用1-490 m上承式鋼桁拱跨越峽谷，鋼桁拱架由帶肋箱形截面鋼構(gòu)件組成（見圖1），且其桿件中鋼板最大板厚為52 mm。

圖1 典型帶肋箱形截面鋼構(gòu)件

殘余應(yīng)力作為影響鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的主要因素之一，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了廣泛研究。研究殘余應(yīng)力的主要方法為試驗(yàn)測試法與數(shù)值模擬法。近年來由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟及通用有限元軟件的普及，數(shù)值模擬法成為研究殘余應(yīng)力的主流方法。高占遠(yuǎn)［4］等對大型或復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了綜述，指出了焊接殘余應(yīng)力和變形問題將對工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、施工及安全有十分重要的意義。劉何亮［5］、趙秋［6］及王若林［7］等采用ANSYS對U肋與頂板連接的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究。付政［8］等采用熱彈塑性有限元法和焊縫收縮力法對T形焊接接頭進(jìn)行了焊接變形模擬，并就焊接順序?qū)附幼冃蔚挠绊戇M(jìn)行了參數(shù)討論。李學(xué)明［9］就焊接順序?qū)型鋼焊接變形的影響進(jìn)行了研究。曹寶雅［10］等采用ANSYS有限元模型研究了板件厚度對U肋加勁板殘余應(yīng)力的影響。然而，目前通過數(shù)值模擬方法對焊接過程的分析研究仍集中在U肋加勁板或?qū)雍缚p上，對類似板肋加勁板結(jié)構(gòu)涉及的T形焊接接頭報(bào)道較少。

本文的研究為怒江四線特大橋中帶肋箱形截面桿件殘余應(yīng)力研究的前期理論性探討，重點(diǎn)在于建立基于ANSYS-ABAQUS聯(lián)合仿真模擬板肋加勁板結(jié)構(gòu)T形接頭的參數(shù)化建模方法，并通過文獻(xiàn)中的算例對本文方法進(jìn)行驗(yàn)證，為后續(xù)實(shí)橋壓桿的殘余應(yīng)力分析作鋪墊性工作。

2 焊接基本理論

焊接過程是對焊接板件的瞬時(shí)大量熱輸入后又急速冷卻的過程，關(guān)系熱量、溫度等物理量在空間與時(shí)間維度上的變化，屬于非線性瞬態(tài)熱傳導(dǎo)問題。熱傳導(dǎo)的控制方程為［11］：

式中，c為比熱容；ρ為密度；v為傳導(dǎo)速率。

求解其溫度場時(shí)，可采用以下邊界條件：第一類邊界條件，邊界上溫度值已知：

第二類邊界條件，邊界上熱流密度分布已知：

第三類邊界條件，邊界與周圍環(huán)境的熱交換已知：

式中，qs為單位面積上的外部熱源輸入；β為表面換熱系數(shù)；Tα為邊界已知溫度；Ts為周圍介質(zhì)溫度。

焊接過程應(yīng)力場是由溫度作用下材料的不均勻收縮與邊界約束共同作用產(chǎn)生的。同時(shí)，由于焊接過程中在焊接熱影響區(qū)域溫度梯度較大，溫度較高，使部分材料出現(xiàn)屈服，并隨熱量的輸入出現(xiàn)反復(fù)強(qiáng)化。焊接應(yīng)力場的計(jì)算分析應(yīng)采用熱彈塑性理論。除此之外，溫度場與應(yīng)力場的求解過程還需考慮材料的熱、力物理性質(zhì)隨溫度的變化特征。

3 軟件聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)方法及模型

3.1 聯(lián)合仿真實(shí)現(xiàn)方法

根據(jù)既有研究成果，焊接過程的分析采用有限元軟件進(jìn)行求解時(shí)，計(jì)算效率更高，應(yīng)力計(jì)算也更容易收斂。

本文采用相關(guān)有限元軟件聯(lián)合仿真對T型焊接接頭的焊接過程進(jìn)行分析。并采用熱-結(jié)構(gòu)間接耦合方法進(jìn)行求解，即首先對構(gòu)件求解溫度場，將溫度場結(jié)果作為荷載再施加到構(gòu)件的靜力模型中，求解應(yīng)力場（見圖2）。具體步驟：

（1）以板件厚度、寬度、長度等作為參數(shù)，建立有限元模型。網(wǎng)格劃分結(jié)束后，定義焊縫組，以方便通過生死單元法模擬焊縫填充的過程。模型建立結(jié)束后，保存文件。

（2）單元類型轉(zhuǎn)化，并輸入熱量，選取橢球熱源模型［6］，用于求解溫度場。

（3）待溫度場求解結(jié)束后，將單元類型修改為結(jié)構(gòu)單元，添加位移邊界條件，求解應(yīng)力場。

圖2 軟件聯(lián)合仿真流程

3.2 分析模型

以文獻(xiàn)［7］中板肋加勁板的幾何尺寸作為參考，考慮試件的對稱性，建立其三維實(shí)體單元有限元模型。Ma等［12］基于2D實(shí)體單元及平面應(yīng)變單元模型，并考慮試件的對稱性進(jìn)行分析，圖3為加勁板的幾何尺寸有限元模型。試件材料采用高強(qiáng)度鋼材，屈服強(qiáng)度達(dá)到400 MPa。焊縫采用角焊縫形式，焊趾長6 mm。

溫度場有限元模型的邊界主要考慮室內(nèi)溫度。而用于熱彈塑性分析時(shí)，其邊界條件應(yīng)考慮加勁板受到的位移約束，考慮實(shí)際焊接裝卡情況，設(shè)加勁板有限元模型坐標(biāo)系方向?yàn)椋貉睾缚p方向?yàn)閦方向，截面高度方向?yàn)閥方向，寬度方向?yàn)閤方向。在母板和板肋對稱線處約束x向平動位移、y及z向轉(zhuǎn)動位移，實(shí)現(xiàn)對稱邊界條件的模擬；母板側(cè)邊底邊緣約束x及y向的平動位移。

圖3 加勁板有限元模型

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 溫度場計(jì)算結(jié)果

提取焊接過程中試件的溫度場變化情況（見圖4）。從圖中可以看出，在焊接過程中，試件在開始階段升溫比較明顯，隨焊料的填充、熱量的穩(wěn)定輸入，溫度場趨于穩(wěn)定，形成準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場。該溫度場以當(dāng)前電弧前方（對應(yīng)有限元模型焊縫單元激活的位置）的溫度最高，與周圍鋼材形成一定的溫度梯度。準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)溫度場將維持一段時(shí)間，直到施焊結(jié)束，并進(jìn)入冷卻階段。冷卻過程中，溫度場在開始階段溫度急劇降低，而后趨于穩(wěn)定。本文設(shè)置的最終冷卻時(shí)間為10 000 s，試件基本回復(fù)到室溫。

圖4 溫度場隨時(shí)間變化云圖

圖5為試件跨中截面焊縫區(qū)域的溫度監(jiān)測點(diǎn)。圖6給出了測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況。從圖中可以看出，各點(diǎn)的溫度變化具有一定的不均勻性。比較測點(diǎn)1與點(diǎn)7可知，位于焊縫內(nèi)的測點(diǎn)溫度較外側(cè)溫度高。各測點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化情況具有相似的趨勢，即隨熱源的移動，施焊位置的溫度會急劇升高，而隨熱源的離開，溫度將降至室內(nèi)溫度。由這些曲線的變化趨勢可以看出熱傳導(dǎo)過程有明顯的非線性特征。

圖5 焊縫截面溫度測點(diǎn)位置

圖6 焊件1/2截面各點(diǎn)熱循環(huán)曲線

4.2 應(yīng)力場計(jì)算結(jié)果

焊接溫度場求解結(jié)束后，將熱單元類型改為結(jié)構(gòu)單元，并修改相應(yīng)的荷載步為靜力荷載步即可求解焊接應(yīng)力場。圖7為焊接過程板肋加勁板的等效應(yīng)力隨時(shí)間變化云圖。從圖中可以看出，隨著熱源的移動，焊縫被不斷填充，由于溫度梯度的作用，使周圍金屬受到不同程度的約束作用，焊縫熱源處由于溫度極高，使得該處的材料性能呈現(xiàn)出液態(tài)，等效應(yīng)力接近于0，而周圍金屬材料則出現(xiàn)不同程度得拉伸、壓縮，甚至出現(xiàn)應(yīng)力屈服狀態(tài)。

4.3 焊接殘余應(yīng)力

圖8給出了本文模型計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果的對比情況。對比數(shù)據(jù)中包含了Arpan等［13］采用ANSYS模擬的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看出，本文計(jì)算結(jié)果x、y及z向拉應(yīng)力幅值與文獻(xiàn)結(jié)果總體一致，僅其中橫向應(yīng)力值略微偏高，x、y及z向壓應(yīng)力吻合較好，z向殘余應(yīng)力介于文獻(xiàn)結(jié)果之間。誤差可能在彈塑性分析時(shí)邊界條件不完全相同引起的，但從殘余應(yīng)力橫向分布特征及應(yīng)力分布范圍來看，通過本文模型在參數(shù)完全確定的情況下對焊接殘余應(yīng)力的預(yù)測具有較高的可靠性。

焊接殘余應(yīng)力是溫度場與應(yīng)力場耦合反應(yīng)的結(jié)果，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中應(yīng)注意控制焊接殘余應(yīng)力，以降低其對構(gòu)件性能產(chǎn)生的不利影響。圖9為焊接殘余應(yīng)力控制的施焊現(xiàn)場。

圖7 焊接過程等效應(yīng)力場隨時(shí)間變化云圖

圖8 試件殘余應(yīng)力分布

圖9 現(xiàn)場焊接控制

5 結(jié)束語

（1）基于焊接溫度場分析的基本理論，包括熱分析中經(jīng)典的傳熱方程、有限元基本方程及熱源模型，采用了軟件聯(lián)合仿真的熱-結(jié)構(gòu)間接耦合方法，該法能夠充分利用其命令建模參數(shù)化的方便性與非線性求解的高效性。

（2）采用該法建立了既有文獻(xiàn)中的板肋加勁板有限元模型，分析了T形接頭焊接溫度場、應(yīng)力場與殘余應(yīng)力的分布特征。溫度場的分析結(jié)果表明，在焊接過程中焊縫處形成了穩(wěn)定的溫度場，其變化過程也比較符合實(shí)際情況。焊接殘余應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果表明，殘余應(yīng)力的高應(yīng)力區(qū)集中在焊縫及其熱影響區(qū)。殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，本文模型對比文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果吻合度較好，說明本文建立的模型較為合理。

（3）將該模型應(yīng)用于怒江四線特大橋帶肋箱形截面中加勁板的殘余應(yīng)力分析，并對殘余應(yīng)力的影響因素進(jìn)行討論，提出合理的用于受壓穩(wěn)定性分析殘余應(yīng)力模式是下一階段研究的重點(diǎn)。