范和平

（忠縣暢達建設(shè)投資有限公司，重慶404300）

鋼箱梁橋面板采用垂直交叉的縱肋及橫肋共同組成結(jié)構(gòu)受力體系，由于其承載能力優(yōu)異且易于工廠裝配加工，因此在橋梁建設(shè)領(lǐng)域迅速推廣。不同形狀的鋼制板件需要進行焊接拼裝，焊縫及周圍母材將會產(chǎn)生分布各異的殘余應力場[1]。焊接殘余應力的存在將會降低橋面板使用過程中的性能[2]，如降低焊縫接頭的使用強度、結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，加速鋼橋面板在行車疲勞荷載作用下出現(xiàn)疲勞裂紋的速率等。

國內(nèi)外科研人員對橋面板焊縫接頭裂紋進行了大量的研究[3]。Wolchuk 通過試驗研究，指出了橋面板焊縫接頭的高峰值殘余應力導致了疲勞裂紋的開裂。余波[4]對U 肋焊縫開展了相關(guān)試驗研究，指出裂縫主要在焊縫位置開裂，焊縫處高等級的殘余應力值與疲勞壽命存在直接關(guān)系。數(shù)值模擬在保證數(shù)據(jù)精度的基礎(chǔ)上進一步增加了對全截面位置點的可測性，通過開展橋面板的有限元建模，降低試驗成本基礎(chǔ)并為橋面板焊接成型及后期使用壽命提供依據(jù)。本文通過建立橋面板模型，實現(xiàn)了橋面板典型U 肋接頭的焊接過程。通過加載標準疲勞車，進一步獲得了基于殘余應力的橋面板疲勞壽命。

1 焊接殘余應力的理論基礎(chǔ)

焊接過程中高密度的能量輸入使得熱源接頭產(chǎn)生瞬時高溫，焊劑及附近母材熔化。橋面板局部加熱，使得焊縫接頭產(chǎn)生了巨大的溫度梯度，接頭位置收到臨近母材的約束，膨脹受到制約。焊縫冷卻過程中，同樣因降溫收縮受母材抑制。焊接過程結(jié)束后，接頭內(nèi)部產(chǎn)生了較高等級的殘余應力分布。

瞬時熱源加載結(jié)束后，將溫度場作為初荷載重新讀入，完成熱- 力耦合過程。為減少應力場求解難度，本文作出了以下幾點簡化：(1)母板及填充材料服從Mises 屈服準則;(2)焊道填充材料與母板均為Q345 橋梁鋼；(3) 忽略熔池內(nèi)液態(tài)金屬的自重及表面張力；(4)應力、應變短時間內(nèi)呈線性改變。

2 鋼橋面板U 肋殘余應力場

鋼橋面板典型U 肋模型沿垂向為對稱結(jié)構(gòu)，為降低模型計算量，取一半進行建模分析，垂向施加對稱約束。

溫度場的仿真過程:

模型中焊縫長度取300mm，焊接速度設(shè)置為6mm/s。為表示電弧焊熔池形狀，熱源選擇雙橢球熱源模型。熱源前進通過生死單元實現(xiàn)。環(huán)境溫度取20℃。

通過U 肋溫度場分布云圖可知，焊接過程中焊道達到了材料熔點，并能有效的滿布填充焊道。熱源形狀呈前段大后端小的橢球狀，熱源前段溫度梯度遠大于熱源尾端。觀察圖1 縱肋及頂板溫度場分布，可以看到焊接過程中熱源的影響區(qū)域(寬度)有限。熱源加載過程中，熱源分布及溫度峰值較為穩(wěn)定，最大值不超過1650℃。較為穩(wěn)定的熔池形狀側(cè)面反映了熱源加載的合理性。

圖1 熱源加載至25s 時瞬時溫度場

圖2 50s 時Mises等效應力

模型應力場計算時，讀入溫度場荷載。邊界約束為：頂板施加豎向(Y 向)約束用以模擬支架的支持，對稱截面施加對稱約束，沿焊縫方向施加Z 向平行約束。選擇焊接結(jié)束時刻50s 對應Mises 應力，截取殘余應力如圖2 所示。

圖3 表示U 肋中截面上表面路徑節(jié)點殘余應力分布。焊縫中心線拉應力最大值不超過388.7 MPa，縱向拉應力主要分布在焊縫中心線周圍15mm 范圍內(nèi)。距離中心線23mm 壓應力最大值為-132.3MPa。根據(jù)圖中應力分布可以明確的看到U 肋焊縫接頭存在較高等級的拉應力，這將成為降低U 肋疲勞壽命的限制性因素。

3 殘余應力對橋面板疲勞性能的影響

鋼橋面板疲勞裂紋的產(chǎn)生主要有兩方面組成。長時間的循環(huán)行車荷載對縱肋及橋面板產(chǎn)生交大的拉應力作用，產(chǎn)生的面外變形及次彎矩加重了裂紋的擴展；焊縫節(jié)點處存留的焊接殘余應力拉應力值較大。二者聯(lián)合作用下，高應力節(jié)點長時間作用使得鋼橋面板產(chǎn)生疲勞裂紋。根據(jù)已有橋面板殘余應力計算結(jié)果通過標準車加載，得到了橋面板的疲勞使用壽命。

3.1 荷載模型

為減少對車流的統(tǒng)計工作并考慮實車通行荷載譜，采用BS5400 標準疲勞車。行車加載位置采用單跡線加載，忽略相鄰車道的交互影響。疲勞車單軸重100KN，行車速度取72km/h。

疲勞荷載模型尺寸與焊接模型尺寸一致，取3 連U 肋組成的橋面板模型如圖4 所示，順橋長0.5m。

圖4 3 個U 肋組成的橋面板模型

圖5 U 肋加載應力時程曲線

3.2 行車荷載作用下的求解

選擇圖4 中間U 肋A,B,C,D 疲勞易損點進行標準車加載，所得易損點應力時程曲線為圖5 所示。通過Miner 準則將時程應力轉(zhuǎn)換為等效應力幅，U 肋易損點等效應力幅分別為29.23MPa，13.58MPa，53.81MPa，20.13MPa。

BS5400 對鋼橋不同位置作出了詳細的分級，U 肋與橋面板連接位置分級為D。

通過計算得疲勞式lgN=12.18-3lgσr，將C 點對應最大等效應力53.81MPa 帶入得到疲勞循環(huán)壽命N=9.76×106。

4 結(jié)論

4.1 熱源加載過程中溫度場恒定，電弧焊前段溫度梯度高于尾端。熔池與母材交界處溫度梯度較大，直接決定了熱- 力耦合過稱中殘余應力的分布。

4.2 焊縫中心線及其附近殘余應力值部分超過母材屈服強度，過高的焊接殘余應力不利于焊縫服役期間的疲勞使用壽命。距離熔合線20mm 位置壓應力最大為-132MPa，焊縫接頭同樣存在較大的殘余應力梯度。