钢桥面板焊接应力分析.pdf

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1、２０１５年第６期（总第１５９期）江西建材交通工程钢桥面板焊接应力分析■胡洋■江苏省交通规划设计院股份有限公司，江苏南京２１００１４摘要：焊接钢桥越来越广泛应用，焊接残余应力、变形是对桥梁结构质量与耐于室温状态，温度梯度很高，在有限元模拟时，在焊缝附近单元需要划久性影响较大。焊接过程中产生残余应力可能会降低桥梁的承载能力分得很小，在一般计算中要求单元的大小在２ｍｍ左右，且在焊缝厚度和疲劳强度甚至诱发裂纹导致灾难性事故，本文通过有限元方法计算了方向至少不少于３个单元。在本模型中，桥面板长度方向为１０ｍ，宽度某大桥桥面板焊接应力和分布情况。方向为２ｍ，为减小计算量，模型单元划分时，在远

2、离焊缝的位置适当增关键词：钢结构桥梁焊接残余应力有限元温度场大单元尺寸，在两者过渡段，采用自适应划分。同时，焊接过程是一１工程概况个非先性的多荷载步和某大桥为两跨连续时间步的计算过程，若完钢桁架－桁拱组合结构，全按照采用长度方向１跨径布置Ｌ＝６６ｍ＋个单元一时间步的计算１３５ｍ，结构为桁架拱，矢形式，因为整个焊接过程跨比为１∶６，肋高３．６ｍ。会有数千步的计算时长，两榀式桁架拱肋，拱肋中图１某钢桁架－桁拱组合大桥为减小计算工程量，在焊心距１９．４ｍ。拱下设柔图２有限元模型图缝方向上适当采用多个性吊杆悬挂桥面体系。桥面结构为箱梁系梁，横桥向为工字形横梁与单元一起焊接的方式。在满足计

3、算精度的情况下，要尽量简化模型。工字形小纵梁组成的格构体系，桥面部分为Ｕ型肋与１２ｍｍ钢桥面板桥面板Ｕ肋焊接的几何模型图如图２所示，桥面板、Ｕ肋和焊缝均上铺ＳＭＡ沥青面层。如图１。采用实体单元模拟，在焊缝区域，单元划分采用４ｍｍ的步长，长度方向２ＡＮＳＹＳ计算残余应力方法也为４ｍｍ的步长，其余部分采用１ｃｍ的单元大小。焊接有限元分析计算，具有以下特点：（１）采用三维有限元模式，焊计算单元采用ＳＨＥＬＬ５７号单元，根据实际焊接顺序、时间，依次对接区域内外温度场不同，冷却条件不同；而且由于模拟的过程是瞬态焊缝单元是加载热温度场，根据软件计算的然温度场计算得到温度荷的，在时间上温度梯度

4、场也是不同的。（２）材料的热一力特性是非线性载。再将ＳＨＥＬＬ５７单元转为ＳＨＥＬＬ６３号单元，根据焊接顺序，依次调的，材料的非线性导致计算的非线性；同时还需要考虑时程的积累。入焊接时计算的温度荷载，计算温度荷载下的结构应力。（３）外部的熔敷材料的凝结，会改变结构的连接，因而结构的边界条件４焊接部位及顺序也是变化的。（４）材料的状态变化是逐步的，是显微变化，逐步积累发根据钢结构加工单位提供的施工采用的焊接条件。ＣＯ２焊接，电生大的变化。流为１３０安～２８０安不等，电压为２２伏～３０伏，焊接速度为１２～３０厘因而，采用ＡＮＳＹＳ计算焊接过程的残余应力与应变的计算，一般米每分钟，根据

5、上述条件计算温度场。有两种方式：一是间接耦合，即根据结构的温度场，计算结构的温度应５计算结果与分析力，将温度应力转化为温度荷载，再计算结构的内力，变形。另外一种５．１桥面板应力就是直接耦合，即采用耦合单元，将温度作用于耦合单元进行热－结构计算结果表明，焊缝分析。本文采用的计算方法为间接耦合。之间区域普遍受压，而焊２．１边界条件缝区域普遍受拉，应力均采用ＡＮＳＹＳ进行焊接温度－结构分析，结构的边界条件是一个复杂的过程。为简化计算同时兼顾模拟的准确，采取的方法是将温度场较小，最大拉、压应力在的辐射和对流综合考虑，调整对流系数，焊接熔池、熔宽和焊接最高温１００ＭＰａ以内，大部分区度都有

6、微小影响，但经验证，影响并不明显。域应力在４０ＭＰａ左右。２．２相变潜热处理方法桥面板的Ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ应焊接过程中，由于温度场的变化，焊接过程有钢结构材料的汽化、力除焊缝和焊缝边缘附图３桥面板Ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ应力（０ＭＰａ～１００ＭＰａ）熔化、凝固等相变过程，而相变潜热对温度场分析会产生一定的影响。近区域较大外，其余部分应力均不大。在桥面板顶、底面均出现应力随与焊缝的距离增大而逐计算采取的处理相变潜热问题，采用的的方法是定义热焓。数学式为：Ｔ渐减少的规律。桥面板底面最大Ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ应力在１００ＭＰａ附近，而ΔＨ（Ｔ）＝∫ρｃ（ｔ）ｄτ其顶面最大Ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ应力在

7、５０ＭＰａ附近。０式中：Ｈ为热烩；ρ为材料密度；Ｔ为绝对温度；ｃ（τ）为材料的比热５．２Ｕ肋应力容。焊缝的焊接先后顺序对Ｕ肋纵向应力也有较大影响，最大压应力由于相变涉及金属冶金学，比较复杂，为简化计算，但又要接近实出现在最后一条焊缝位置，最大拉应力出现在最后一条焊缝对应Ｕ肋际情况，通过考虑材料在不同温度条件下的材料特性来替代金属相变前一焊缝位置；在Ｕ肋内、外侧，均呈现后焊的焊缝附近应力大的规律。的热焓。桥面板Ｕ肋Ｖｏｎ－Ｍｉｓｅｓ应力除焊缝和焊缝边缘附近区域较大外，２．３非线性的