馬家智 陳遠(yuǎn)久

摘要：鋼材焊接過程中產(chǎn)生的焊接殘余應(yīng)力會(huì)造成鋼材的塑性性能降低，使鋼結(jié)構(gòu)的抗震行為受到不利影響。文章利用ABAQUS軟件對(duì)鋼材焊接過程進(jìn)行仿真模擬，得出焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)分布，在此基礎(chǔ)上通過低周反復(fù)荷載加載得到該模型的滯回曲線。對(duì)比無焊接殘余應(yīng)力和有焊接殘余應(yīng)力的模型滯回曲線的差異，結(jié)果表明殘余應(yīng)力下的模型滯回曲線面積較小，耗能性能較差。為改善焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)一步分析了采用錘擊法處理后結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)分布和滯回曲線，分析結(jié)果表明采用錘擊法處理后的結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力峰值下降，提高了鋼箱拱的抗震性能。

[作者簡(jiǎn)介]馬家智（1995—），男，碩士，研究方向?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)行為。

鋼材由于其自身優(yōu)越的力學(xué)性能，成為大跨和高層結(jié)構(gòu)建造中的首選建筑材料，鋼結(jié)構(gòu)中構(gòu)件之間的連接可分為栓接和焊接2種方式。由于鋼材的強(qiáng)度高，其需要的受力尺寸較小，從而達(dá)到減輕恒載的目的，但受力尺寸較小時(shí)，又會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的剛度和局部穩(wěn)定性能，實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中常采用焊接局部加勁肋的方式提高結(jié)構(gòu)的剛度和局部穩(wěn)定性能。在焊接過程中會(huì)產(chǎn)生不均勻的溫度場(chǎng)，且鋼材具有熱脹冷縮效應(yīng)，從而焊接過程中不可避免地產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力，雖然殘余應(yīng)力不會(huì)影響鋼材的靜力強(qiáng)度，但會(huì)對(duì)鋼材的剛度和塑性性能等方面產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而影響到結(jié)構(gòu)的抗震性能。焊接殘余應(yīng)力在結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)為非線性分布的應(yīng)力場(chǎng)，為研究焊接殘余應(yīng)力對(duì)鋼箱拱拱腳部位的抗震性能的具體影響，可采用仿真分析軟件模擬鋼箱拱的焊接施工過程中的殘余應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，在焊接殘余應(yīng)力基礎(chǔ)上，可得到在低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線，結(jié)構(gòu)的滯回曲線反映了殘余應(yīng)力對(duì)焊接結(jié)構(gòu)抗震性能的影響程度。為降低焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，施工中需要采取措施對(duì)焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，主要有焊前預(yù)熱、焊后回火、錘擊矯正法等工藝來改善殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布。而錘擊法施工簡(jiǎn)便，已逐漸成為一種有效的處理殘余應(yīng)力工藝，研究錘擊法處理后的結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力改善程度和抗震性能提高程度，可為實(shí)際工程提供有價(jià)值的借鑒和參考。

1 有限元模型

鋼箱拱橋的拱腳部位在多種內(nèi)力的共同作用下受力復(fù)雜，因此選取結(jié)構(gòu)關(guān)鍵的拱腳部位建立空間模型，分析焊接過程產(chǎn)生的溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力場(chǎng)以及低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線。鋼箱拱腳尺寸為3 960 mm×5 960 mm×40 mm，加勁肋尺寸為380 mm×38 mm，對(duì)稱布置在鋼箱內(nèi)表面。而鋼箱拱厚度方向尺寸較小，進(jìn)行彈塑性分析時(shí)為保證計(jì)算結(jié)果的收斂性并節(jié)省計(jì)算時(shí)間，有限元模型全部采用S4四邊形線性薄殼單元，通過ABAQUS自動(dòng)劃分網(wǎng)格功能，建立的拱腳有限元模型如圖1所示。

1.1 材料熱物性參數(shù)

鋼箱拱采用的Q420qD鋼材的熱物理性能材料參數(shù)隨溫度改變發(fā)生變化，其熱物理性能參數(shù)如圖2所示[1-2]。

1.2 材料本構(gòu)

有限元仿真分析中鋼材本構(gòu)關(guān)系采用隨動(dòng)硬化模型，并簡(jiǎn)化了鋼材強(qiáng)化段的非線性行為。折線的第一段為鋼材的彈性段，彈性段斜率為鋼材本身的彈性模量;第二段為鋼材的強(qiáng)化段，強(qiáng)化段斜率約為彈性段斜率的1/1000，其中鋼材的屈服強(qiáng)度采用上屈服點(diǎn)強(qiáng)度，具體取值如圖3所示。

1.3 焊接熱源模型

熱源模型是模擬結(jié)構(gòu)焊接過程的重要組成部分，而移動(dòng)熱源模型能夠更好的仿真出真實(shí)的焊接過程和熱量傳導(dǎo)。為了簡(jiǎn)化焊接過程中的熱源分布，選擇Gauss提出的Gauss熱源模型[3]，如圖4所示。

假設(shè)移動(dòng)熱源沿x方向以速度v移動(dòng)，熱源表達(dá)式：

式中：Q為熱源有效功率，取Q=mJ/s;K為熱源集中程度系數(shù)，取K=1/mm2。

在焊接中心處有峰值的熱通量，熱通量隨著與焊接中心的距離變化而迅速衰減。

1.4 其他條件設(shè)置

有限元計(jì)算中假設(shè)試件與外部環(huán)境進(jìn)行對(duì)流散熱和輻射散熱，并且不考慮熔池內(nèi)存在的化學(xué)反應(yīng)和攪拌流動(dòng)現(xiàn)象，模型的初始溫度設(shè)置為室溫20 ℃，斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)5.67×10-11mW/mm2·K4，絕對(duì)零度-273.15 ℃[4]。在模型的軸向方向上，為防止鋼箱拱模型在殘余應(yīng)力場(chǎng)分析過程中產(chǎn)生剛體移動(dòng)，將模型端部進(jìn)行固結(jié)處理。

2 仿真分析

2.1 焊接模擬

通過移動(dòng)的高斯熱源模擬鋼箱拱與加勁肋之間的焊接過程，由于鋼箱拱各側(cè)均設(shè)置多條加勁肋，故通過編寫子程序?qū)崿F(xiàn)多條加勁肋同時(shí)焊接，并對(duì)各條移動(dòng)高斯熱源之間進(jìn)行耦合來模擬焊接過程。

在焊接過程結(jié)束并充分冷卻后，模型溫度場(chǎng)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)提取模型的溫度場(chǎng)，以此作為初始溫度場(chǎng)進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)的求解。

2.2 加載方式

在有限元模型中保持軸力6 177.25 kN不變的同時(shí)施加往復(fù)的水平荷載，且水平荷載的幅值不斷改變，仿真分析中加載模式采用荷載-位移混合法，即達(dá)到模型屈服荷載前采取荷載加載的方式，達(dá)到屈服荷載后則采取位移加載的方式。為更好的控制非線性計(jì)算分析中的收斂，本次仿真分析全部采用位移加載模式，加載階段將水平荷載按照一定的比例轉(zhuǎn)化為位移進(jìn)行加載，位移加載幅值如圖5所示[5]。

3 仿真結(jié)果

利用ABAQUS對(duì)模型進(jìn)行焊縫焊接的模擬分析，先后得出溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分布結(jié)果。在此基礎(chǔ)上將位移加載幅值施加在控制點(diǎn)上進(jìn)行滯回曲線的仿真分析。

3.1 溫度場(chǎng)結(jié)果分析

選取焊縫處的積分點(diǎn)，輸出該點(diǎn)溫度隨焊接時(shí)間歷程的變化曲線，如圖6所示，從圖6可以看出，在移動(dòng)熱源到達(dá)該積分點(diǎn)時(shí)，溫度迅速上升到峰值溫度，當(dāng)熱源經(jīng)過后由于對(duì)流和輻射散熱效應(yīng)，溫度開始慢慢降低。焊接結(jié)束并冷卻100 s后，焊縫積分點(diǎn)處的溫度低于100 ℃并已基本趨于穩(wěn)定。并選取一條垂直于焊縫方向的橫向路徑Path1提取同一截面上各點(diǎn)經(jīng)冷卻后的溫度值，如圖7所示，圖中的橫坐標(biāo)值表示距離模型橫截面中軸線的距離（規(guī)定向右和向上為正）。從圖7可以看出，在橫截面的焊縫位置，溫度均有一個(gè)峰值溫度。當(dāng)遠(yuǎn)離焊縫時(shí)，兩側(cè)的溫度急劇下降并趨于室溫20 ℃。

3.2 應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果分析

導(dǎo)入上述溫度場(chǎng)進(jìn)行熱-力耦合分析后得到殘余應(yīng)力場(chǎng)的分布，選取一條垂直于焊縫方向的橫向路徑Path1輸出各點(diǎn)的應(yīng)力結(jié)果，其中一處焊縫附近的應(yīng)力場(chǎng)結(jié)果如圖8所示，其余各焊縫位置的殘余應(yīng)力場(chǎng)分布曲線均與圖8類似，圖中橫坐標(biāo)Δ值代表的是離焊縫的距離。

從圖8中可以看到殘余應(yīng)力場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布趨勢(shì)基本保持一致，在焊縫處產(chǎn)生最大的殘余拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力值為σmax=150.492 MPa;當(dāng)遠(yuǎn)離焊縫時(shí)，由于應(yīng)力的自平衡效應(yīng)，殘余拉應(yīng)力將會(huì)快速降低并轉(zhuǎn)變?yōu)橼呌诜€(wěn)定的壓應(yīng)力[6]。

3.3 低周反復(fù)荷載模擬結(jié)果分析

基于求解出的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行考慮殘余應(yīng)力情況下的低周反復(fù)荷載仿真分析，得到結(jié)構(gòu)相應(yīng)的滯回曲線，數(shù)據(jù)為圖9中實(shí)曲線。

為分析殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)比仿真分析了無殘余應(yīng)力情況下的低周反復(fù)荷載作用下的滯回曲線，數(shù)據(jù)為圖9中虛曲線。

結(jié)構(gòu)的滯回曲線反映了結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下的變形特征、剛度退化和能量消耗，是非線性地震反應(yīng)分析的基礎(chǔ)，從圖9中可以看出：

（1）兩種情況下結(jié)構(gòu)的滯回曲線均呈現(xiàn)梭形，形狀飽滿;從一定程度上表明鋼箱拱結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的塑性變形能力、良好的抗震性能和耗能能力。當(dāng)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)入塑性段后，殘余應(yīng)力對(duì)塑性段剛度產(chǎn)生較為明顯的影響。

（2）當(dāng)控制點(diǎn)位移值為221.822 mm時(shí)，考慮殘余應(yīng)力情況下結(jié)構(gòu)能承受的荷載大小為F1=26 115.5 kN，無殘余應(yīng)力情況下結(jié)構(gòu)能承受的荷載大小為F2=30 555.9 kN，說明在殘余應(yīng)力影響下結(jié)構(gòu)能承受的荷載下降了14.532 %。

（3）滯回曲線所圍成的面積可表示為結(jié)構(gòu)在反復(fù)荷載作用下所消耗的能量，在殘余應(yīng)力影響下滯回曲線所圍成的面積為S1=5.1088×1010 N·mm，無殘余應(yīng)力的滯回曲線所圍成的面積為S2=5.4857×1010 N·mm，滯回曲線所圍成的面積降低了6.87 %，表明殘余應(yīng)力影響下結(jié)構(gòu)所消耗的能量有所下降。

（4）在應(yīng)力循環(huán)加載過程中結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力逐步降低，造成滯回曲線圖中殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的塑性性能影響偏小。經(jīng)多次變幅循環(huán)荷載作用后，結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力會(huì)逐漸降低，實(shí)際工程中可參考此結(jié)論改善焊接殘余應(yīng)力，如使用振動(dòng)器消除結(jié)構(gòu)的部分殘余應(yīng)力。

3.4 錘擊法改善殘余應(yīng)力分析

目前焊接加工中普遍采用錘擊法來改善殘余應(yīng)力的分布，即用鋼錘錘擊工件的殘余應(yīng)力積聚位置，金屬表面受到錘擊的壓應(yīng)力后發(fā)生局部塑性變形，從而降低殘余應(yīng)力峰值，達(dá)到改善和均衡工件殘余應(yīng)力分布的效果。

采用錘擊法處理后，從圖10中可以看出峰值殘余拉應(yīng)力從σ1max=150.492 MPa下降到了σ2max=35.877 MPa，同時(shí)應(yīng)力場(chǎng)分布更加均衡。

將經(jīng)過錘擊法處理后的殘余應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)入模型中進(jìn)行低周反復(fù)荷載仿真分析后，得到相應(yīng)的滯回曲線，數(shù)據(jù)為圖11中藍(lán)色實(shí)線。

從圖11中可以看出：

（1）當(dāng)控制點(diǎn)位移值為223.81 mm時(shí)，經(jīng)過錘擊法處理的結(jié)構(gòu)能承受的荷載大小為F1=28 480.9 kN，處理后結(jié)構(gòu)能承受的荷載增加了9.06 %。

（2）處理后滯回曲線所圍成的面積為S1=5.3183×1010 N·mm，經(jīng)過錘擊法處理的結(jié)構(gòu)所消耗的能量增加了4.1 %。

（3）錘擊法能夠有效的減小和改善結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分布，提高了結(jié)構(gòu)的塑性性能。

4 結(jié)論

基于焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)對(duì)鋼箱拱抗震性能影響的仿真分析結(jié)果，可得到結(jié)論：

（1）焊縫處產(chǎn)生最大殘余拉應(yīng)力，拉應(yīng)力隨著與焊接中心距離的加大而迅速衰減，在自平衡應(yīng)力約束效應(yīng)下遠(yuǎn)離焊縫處結(jié)構(gòu)應(yīng)力轉(zhuǎn)換為壓應(yīng)力。

（2）進(jìn)入塑性段后，焊接殘余應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度和抗震性能均產(chǎn)生不利影響，結(jié)構(gòu)能承受的荷載值降低，滯回曲線所圍成的面積減小，耗能性能更差。

（3）經(jīng)多次變幅循環(huán)荷載作用后，結(jié)構(gòu)中的焊接殘余應(yīng)力會(huì)逐漸降低，實(shí)際焊接施工中可采用錘擊法處理工藝，改善結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分布，提高結(jié)構(gòu)的塑性性能。

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