钢桥面板顶板与U肋接头焊接残余应力分析

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U肋双侧焊的钢桥面板残余应力数值分析

U肋双侧焊的钢桥面板残余应力数值分析李传习;肖雄;陈卓异【摘要】为研究U肋内焊正交异性钢桥面板焊接残余应力的分布规律,采用通用有限元软件ANSYS模拟U肋内焊过程,选用高斯热源模型并采用间接耦合法模拟焊接应力场.将U肋内焊的残余应力场与传统的U肋单侧焊的残余应力场进行了对比分析.研究结果表明:U肋内焊下的双侧焊虽能改变焊缝的偏心状态,但也产生了更加复杂和不利的残余应力场,同时,双侧焊的应力场分布规律与单侧焊的一致.双侧焊的残余应力大于单侧焊的残余应力,其差异在焊缝周围区域表现得更加明显.在设计时,应充分考虑其对结构的影响.【期刊名称】《交通科学与工程》【年(卷),期】2019(035)002【总页数】7页(P38-44)【关键词】正交异性钢桥面板;焊接残余应力;U肋内焊;数值模拟【作者】李传习;肖雄;陈卓异【作者单位】长沙理工大学土木工程学院,湖南长沙410114;长沙理工大学土木工程学院,湖南长沙410114;长沙理工大学土木工程学院,湖南长沙410114【正文语种】中文【中图分类】TU997正交异性钢桥面板因其具有自重较轻、施工周期短及极限承载力大等优势，被广泛运用于大、中跨度的桥梁中[1-2]。

但是，正交异性钢桥面板的构造相对复杂、焊缝有可能存在缺陷，在由焊接产生的残余应力和车轮荷载的反复作用下，钢桥面板易产生疲劳问题。

其中，钢桥面板与U肋间的连接焊缝是最易产生疲劳裂纹的细节之一，其裂纹发展会对结构寿命产生严重影响。

U肋内焊技术从结构上改变了U肋腹板的偏心受力状态，提高了桥面板抗疲劳性能。

在U肋内焊和U肋内衬全熔透焊技术推出之前，U肋与桥面板的连接焊缝只能采用具有一定熔深(如：80%)的单侧焊。

单侧焊的角焊缝对于U肋腹板呈偏心状态，使得车轮荷载通过桥面板作用于 U肋腹板角焊缝的弯曲正应力过大。

焊接残余拉应力的存在和焊根处可能出现未完全焊透的现象，使得焊根处易产生疲劳裂纹[3]。

在U肋内焊技术推广应用后，将U肋角焊缝由单侧焊改为双侧焊，从构造上改变了偏心状态，可大幅减小焊根处和桥面板焊趾处的拉应力，从而可大幅提高桥面板焊趾处的抗疲劳性能。

基于JTG D64-2015规范的钢桥正交异性板面板与U肋焊缝疲劳应力分析

摘要：为了研究铜桥正交异性板的面板与Ｕ肋焊缝的疲劳应力规律，采用有限元软件ＡＮＳＹＳ建立节段模型，依据＿ＪＴＧ —Ｄ６４（公路铜结构桥梁设计规范》中疲劳荷栽计算模型ＩＩＩ，对面板与Ｕ肋焊缝的焊趾处疲劳应力幅进行验算关键词：正交异性铜桥面板；焊缝焊趾；疲劳破坏；名义应力；等效常幅应力值
选川典『Ｆ交异性桥面板结构，纵ｆ办向取３跨，跨跨
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径２．８ｍ，在横向力‘ 选取６个Ｌ’肋，Ｌ．肋卡叵厚度取８１１１ｍ，高度２８０ｍｍ，肋间距为３００ｒａｎｌ；顶板厚度取Ｉ６ｒａｍ采用有限元软件ＡＮＳＹＳ建立仿真汁钎：模，采』｝Ｊ板壳单元模拟，弹性模量为２１０ＧＰａ，泊松比为０．３，有限兀模型如同１所永。
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基于ＪＴＧＤ６４—２０１５规范的钢桥正交异性板面板与Ｕ肋焊缝疲劳应力分析
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（１．＃｝１铁大桥科学研究院有限公司，湖北武汉４３００３４；２．桥，湖北武汉４３００３４）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｆａｔｉｇｕｅａｎｄＵｗｅｌｔｌｓｔｅｅｌｒｉｂｐａｎｅｌｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｃ［）ｌａｔｅｓＩｒｅｓｓｌａｗ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｓｅｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｕｓｉｎｇｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅＡＮＳＹＳｂａｓｅｄ（）ｎｔｈｅＪＴＧ —Ｄ６４ ”ｈｉｇｈｗａｙｂＩ’ｉｄｇｅｓｔｅｅｌｓｉｔ’ＩｌＣ，［ｕｒｅｄｅｓｉｇｎｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ” ｉｎｆａｔｉｇｕｅｌｏａｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｏｆＩＩＩ．ｔｈｅｗｅｈｔｔｏｅｏｆｗｅｈｔｓｔｉｆｆｅｎｅｄｐａｎｅｌｗｉｔｈＵｆａｔｉｇｕｅｓｔｔｅｓｓａｍｐｌｉｔｕｄｅｃｈｅｃｋｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｏｒｔｈｏｔｒｏｐｉｅｓｔｅｅｌｂｒｉｄｇｅｐａｎｅｌ；ｗｅｈｔｔｏｅ；ｆａｔｉｇｕｅｆａｉｌｕｒｅ；ｎｏｍｉｎａｌｓｈｅｓＳ；ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｃｏｎｓｔａｎｔａｍｐｌｉｔｕｄｅｓｔｒｅｓｓｖａｌｕｅ

钢桥面板U肋焊接残余应力影响因素分析

世界桥梁㊀２０１９年第４７卷第１期(总第１９７期)钢桥面板U 肋焊接残余应力影响因素分析王会利１,王㊀犇１,２,谢常领１,秦泗凤３(１．大连理工大学桥梁研究所,辽宁大连１１６０２３;２．北京市市政工程设计研究总院,北京１０００８２;３．大连大学材料破坏力学数值试验研究中心,辽宁大连１１６０２２)摘㊀要:为了进行钢桥面板U 肋焊接残余应力精确计算及影响因素定量分析,以星海湾跨海大桥钢桥面板U 肋为研究对象,在A B A Q U S 有限元软件中,建立钢桥面板U 肋局部模型,通过自编的D f l u x 子程序,进行双椭球热源的加载,模拟V 型坡口焊的焊接过程,得到顶板与U 肋板残余应力分布,从而研究顶板板厚与焊接坡口角度２种因素对U 肋焊接残余应力的影响.结果表明:本文的分析方法得到的焊接残余应力计算结果与前人试验数据结果对比,两者吻合较好,本文分析方法有效;顶板与U 肋板在靠近焊缝处都出现最大残余拉应力,且均超过材料的屈服极限;随着顶板板厚增大,顶板与U 肋板的残余拉应力峰值增大;而随着坡口角度增大,顶板与U 肋板的残余拉应力峰值则减小.关键词:钢桥面板U 肋;板厚;焊接坡口角度;双椭球热源;V 型坡口焊;残余应力;数值模拟中图分类号:U ４４１．５;T G ４０４文献标志码:A文章编号:１６７１－７７６７(２０１９)０１－００５３－０６收稿日期:２０１８－０７－２５基金项目:辽宁省博士科研启动基金项目(２０１７０５２０１３８);辽宁省教育厅科学研究项目(L ２０１４０２７);中央高校基本科研业务费专项资金资助(D U T １５Q Y ３４)作者简介:王会利(１９７９－),男,副教授,２００１年毕业于大连理工大学水利水电建筑工程专业,工学学士,２００７年毕业于大连理工大学桥梁与隧道工程专业,工学博士(E Ｇm a i l :w a n gh u i l i ＠d l u t ．e d u ．c n ).１㊀引㊀言目前,钢桥面板U 肋的结构形式在桥面板结构中被广泛应用,钢桥面板U 肋与顶板由焊接而成,焊接过程中高温促使结构发生不均匀的塑性变形,当焊接温度恢复室温之后,结构必然存在难以消除的残余变形与由此产生的残余应力[１].残余应力的存在可能引起焊缝处发生断开,甚至引起结构发生整体断裂,因此需要重点分析焊接残余应力作用于结构产生的影响.K a i n u m a 等[２]通过切削与磁弹性实验法测量钢桥面板U 肋在不同的焊缝熔深下的焊接残余应力的分布规律,并与有限元法得到的数值结果进行比较,发现两者残余应力的分布趋势相近.此外,国内也有学者以苏通大桥钢桥面板为研究对象,通过切条法进行焊接残余应力试验分析,但是整个试验过程较为复杂,受很多条件的限制.然而在数值分析方法不断完善的情况下,应用有限元技术研究焊接残余应力成为可能.Z h a o 等[３]通过A N S Y S 数值模拟及试验研究了钢桥面板在焊接冷却之后顶板与U 肋板残余应力分布规律,其采用生死热源加载的方法进行模拟,方法较为简单,无法正确模拟实际焊接过程中热源不同部位热弧效应的变化,且没有研究U 肋焊接残余应力在不同坡口角度等参数的影响下的变化趋势.鉴于此,本文采用在分析焊接问题中最为精确的双椭球热源为加载方式,通过数值模拟,研究在不同顶板厚度与坡口角度下钢桥面板U 肋焊接残余应力的分布规律.２㊀U 肋焊接温度场模拟及分析本文通过数值模拟进行顺序耦合效应分析,即首先分析钢桥面板U 肋的传热问题,将得到的温度场作为已知条件作用在相同的有限元模型上,再进行热应力分析,得到最终的应力应变场[４Ｇ５].有限元模型以星海湾跨海大桥钢桥面板U 肋为研究对象,其顶板厚１６m m ,顶板宽６００m m ,U 肋厚８m m ,U 肋高２６２m m ,焊脚尺寸为８m m ,U 肋端头开坡口１０m m ,焊缝为２道焊,外侧为凸面,截面几何尺寸和焊缝细节如图１所示.有限元模型根据实际情况选取材料Q ３４５钢,图１㊀U 肋截面尺寸和焊缝细节３５世界桥梁㊀㊀２０１９,４７(１)在进行温度场模拟时,需要定义不同温度下材料的导热系数㊁密度㊁比热容㊁换热系数等参数,同时要给定用于研究显微组织状态场作用效应的相变潜热[６Ｇ７],Q ３４５钢材的相变潜热为２７００００J /k g,其固相线为１４６０ħ,液相线为１５３０ħ,其它材料热学性能随温度变化曲线如图２所示.图２㊀Q ３４５钢材热学性能随温度变化曲线为保证计算结果正确且减少计算量,将U 肋对称简化,取其一半建立有限元模型,模型长度取１００m m .为了加快模型计算效率,提高网络划分的质量,将模型焊缝附近处的单元加密划分.２．１㊀焊接温度场模拟为了模拟焊料的填充,以及保证最大的精度与实际的焊接熔池相吻合的条件,采用将生死单元与双椭球热源模型相结合的方式来模拟热源的加载,热输入方程分为前半部分椭球与后半部分椭球[８].双椭球热源模型如图３所示.图３㊀双椭球热源模型前半部分椭球热源表达式:F L U X (１)＝h e a t １ˑs h a pe １(１)h e a t １＝６３q f １a b c １ππ(２)s h a pe １＝e －３(x －x ０)２a ２＋(y －y ０－d )２c ２１＋(z －z ０)２b ２[](３)㊀㊀后半部分椭球热源表达式:F L U X (２)＝h e a t ２ˑs h a pe ２(４)h e a t ２＝６３q f ２a b c ２ππ(５)s h a pe ２＝e －３(x －x ０)２a ２＋(y －y ０－d )２c ２２＋(z －z ０)２b ２[](６)式中,F L U X (１)㊁F L U X (２)表示前后部分椭球的热流密度;q 为总功率,q ＝ηU I ,η为焊接效率,U 为焊接电压,I 为焊接电流;f １㊁f２为前后椭球的热能分布比例,f １＋f２＝１;a 为热源半宽;b 为热源深度;c １为椭球前半部分长度;c ２为椭球后半部分长度;x ０㊁y ０㊁z ０为焊接起点坐标;d 为热源移动距离.本文通过F o r t r a n 语言编制D f l u x 子程序,将D f l u x 子程序与A B A Q U S 关联,进而实现钢桥面板U 肋的焊接热源的加载.星海湾跨海大桥钢桥面板顶板与U 肋之间的焊缝为V 型坡口焊,焊缝为２层,焊接速度为８m m /s ,焊接电压为２４V ,电流为２２０A ,热效率为０．７５.当第一层焊缝结束并且冷却到２００ħ以下后开始进行第二层焊缝的焊接.２．２㊀温度场分析结果本文选取在２,６,１０,４０,４４,４８s 不同时刻,分析焊缝热源中心线处(沿焊缝方向)的整个温度分布情况,第一条焊缝焊接时,２,６,１０s 时刻焊缝热源中心线的温度分布曲线如图４所示.图４㊀２,６,１０s 时刻焊缝热源中心线处温度分布曲线第二条焊缝焊接时,４０,４４,４８s 时刻焊缝热源中心线的温度分布曲线如图５所示.图５㊀４０,４４,４８s 时刻焊缝热源中心线处温度分布曲线４５钢桥面板U肋焊接残余应力影响因素分析㊀㊀王会利,王㊀犇,谢常领,秦泗凤㊀㊀由图４㊁图５可知,在任何时刻,焊缝热源中心线的温度分布曲线趋势一致,靠近热源中心处达到最大温度值,第一条焊缝峰值温度为２３００ħ,第二条焊缝峰值温度达到２５００ħ,无论是打底焊缝还是填充焊缝,温度场都呈现出准稳态的特点,越靠近热源中心,焊接温度越高,与理论分析的特点相符合.３㊀焊接残余应力场模拟与分析３．１㊀残余应力场模拟在进行残余应力场分析时,泊松比㊁屈服应力与弹性模量是影响应力计算的主要力学性能参数. Q３４５钢材力学性能随温度变化曲线如图６所示.图６㊀Q３４５钢材力学性能随温度变化曲线结构边界条件需要与实际力学边界条件相符合,既不能使结构产生多余的约束变形,也不能缺少必要的约束自由度[９Ｇ１０].则模型的约束条件为:在钢桥面板U肋的对称面施加对称约束,在顶板的两条边线处施加y轴方向的位移约束,在垂直于焊缝的一个侧面施加x轴方向的位移.其中x轴为沿着焊缝方向,y轴为垂直于顶板向上的方向,z轴为垂直于焊缝沿顶板方向.结构焊接残余应力的产生是由温度场分布不均匀造成的.求解应力场需要将前面所得的温度场导入,作为预应力场作用在有限元模型上,在施加荷载之前,仍需要给定结构的初始温度场,即室温条件２０ħ,与实际情况相吻合.３．２㊀焊接有限元分析方法的验证Z h a o等[３]选取某钢箱梁桥面板U肋进行１/２．５的缩尺,采用切条法,测量了其顶板与U肋板的纵向残余应力.在此,通过本文的有限元方法建立同样的三维弹塑性模型进行焊接残余应力分析,其顶板纵向残余应力与试验数据对比如图７所示.由图７可知,两者数据结果相当吻合,实测证明了钢桥面板U肋三维数值模拟的准确性,虽然在距离顶板左端点０．０４５m与０．０７５m处的２点实测值图７㊀顶板纵向残余应力对比分析与理论值存在差异,但这种差异也是不可避免的,在试验过程中,必然存在结构模型制造的误差与测量误差.模拟计算得到的理论值为实测值提供了充足的数据结果,解决了在试验过程中部分位置无法测量的局限性,为研究钢桥面板U肋顶板的残余应力分布规律给出了数值参考.U肋板纵向残余应力理论计算值与试验数据对比如图８所示.图８㊀U肋板纵向残余应力对比分析由图８可知,在距离焊缝中心０．０７３m左右处(U肋板的弯曲处),实测值与理论值偏差较大,这主要是由于制造误差造成残余应力实测值比理论值大;除此以外,其它测点位置残余应力值吻合较好,由此可见,U肋板残余应力模拟计算值具有可靠性.３．３㊀残余应力场分析结果焊接残余应力场起源于构件的不均匀永久变形,其塑性行为主要体现在焊缝及其附近区域,其研究用于分析焊缝处的残余应力[１１].此处对２次焊接之后,冷却的最后一个分析步所得到的应力场结果即残余应力进行研究,分析顶板与U肋板的残余应力场分布规律.残余应力场分析主要流程如图９所示.为了分析顶板不同厚度处的残余应力场的分布规律,在顶板的不同厚度处设置３条路径来研究沿焊缝方向的残余应力场.设定顶板的３条路径分别为靠近焊缝的底面(路径１)㊁顶板的中线(路径２)与５５世界桥梁㊀㊀２０１９,４７(１)图９㊀残余应力场分析主要流程远离焊缝的顶面(路径３).沿焊缝方向的残余应力,即纵向残余应力,主要是由于结构的纵向收缩造成,其是影响结构疲劳与其它性能的主要原因,焊缝处的纵向残余应力大部分都超过了材料的屈服极限.顶板不同厚度处沿焊缝方向的残余应力场分布曲线如图１０所示.图１０㊀顶板不同厚度处沿焊缝方向的残余应力场分布曲线由图１０可知,在焊缝附近区域内存在大约０．０３m 的峰值区,在远焊缝区存在部分残余压应力,靠近焊缝的底面(路径１)最大残余拉应力达到４４９M P a ,约为材料屈服强度的１．３倍.顶板中线(路径２)处与远离焊缝的顶面(路径３)在距焊缝中心０．０２m 处残余压应力最大.在分析U 肋板不同厚度处的残余应力场时,依然定义３条路径:U 肋板内侧(路径１)㊁U 肋板中线(路径２)㊁U 肋板外侧(路径３),路径起点由焊缝坡口边线即焊缝与U 肋板连接处开始.U 肋板不同厚度处沿焊缝方向的残余应力场分布曲线如图１１所示.由图１１可知,U 肋板纵向残余应力沿板厚分布较为均匀,不同厚度处的纵向残余应力几乎吻合,差图１１㊀U 肋板不同厚度处沿焊缝方向的残余应力场分布曲线别不大.在近焊缝处残余拉应力最大,超过材料的屈服极限;在距焊缝中心大约３倍的U 肋板处的残余压应力最大,约为材料屈服极限的０．２倍.４㊀残余应力参数分析影响焊接残余应力的因素很多,本文主要分析在不同顶板板厚与不同焊缝坡口角度的条件下纵向焊接残余应力的分布规律.４．１㊀顶板板厚变化对残余应力的影响为了分析在不同顶板板厚下顶板与U 肋板焊接残余应力的分布规律,确定顶板板厚分别为１２,１４,１６,１８m m 时,其对应的残余应力分布曲线如图１２所示.由图１２可知,①顶板纵向残余拉应力峰值随着顶板厚度的不断增大而增大.②在焊缝附近处,U 肋板纵向残余拉应力随着顶板厚度的增大而增大;在距焊缝中心０．０３m 处出现残余压应力,残余压应力值随着顶板板厚的增大而不断减小.４．２㊀坡口角度变化对残余应力的影响在结构焊接过程中,焊缝的坡口角度对焊接残余应力的影响很大.钢桥面板U 肋在坡口角度分别为４０ʎ㊁４５ʎ㊁５０ʎ㊁５５ʎ的情况下,顶板与U 肋板焊接残余应力分布曲线如图１３所示.由图１３可知,①顶板纵向残余拉应力峰值随着坡口角度的增大而减小.②U 肋板也体现了和顶板相同的分布趋势,在焊接中心处,U 肋板的纵向残余拉应力随坡口角度的增大不断变小,而在距焊缝中心０．０３m 处出现的残余压应力值则随坡口角度增大而增大.５㊀结㊀论为了精确计算钢桥面板U 肋焊接残余应力,进而进行影响因素的定量分析,本文通过双椭球热源６５钢桥面板U 肋焊接残余应力影响因素分析㊀㊀王会利,王㊀犇,谢常领,秦泗凤图１２㊀不同顶板厚度下顶板与U 肋板焊接残余应力分布曲线图１３㊀不同焊接坡口角度下顶板与U 肋板焊接残余应力分布曲线加载的方式进行焊接数值模拟,将本文分析方法得到的计算结果与前人试验数据结果进行比较,结果吻合较好,证明分析方法有效,之后通过改变U 肋顶板厚度与坡口角度２种因素分析焊接残余应力变化规律,得到如下主要结论:(１)随着顶板厚度的不断增大,顶板与U 肋板残余拉应力峰值都不断增大,而在距U 肋板焊缝中心０．０３m 处出现的残余压应力值则不断减小.(２)随着坡口角度的不断增大,顶板与U 肋板残余拉应力值峰不断减小,而在距U 肋板焊缝中心０．０３m 处出现的残余压应力值则不断增大.(３)根据计算结果,钢桥面板U 肋顶板厚度在保证结构强度安全的前提下应该尽量做薄,避免过大的焊接残余应力;此外,焊接坡口角度应该尽量增大,同时也应该考虑实际情况的需要与焊接工艺的问题进行设置.参㊀考㊀文㊀献:[１]D e n g D ,M u r a k a w aH．P r e d i c t i o n o fW e l d i n g Di s t o r t i o n a n dR e s i d u a lS t r e s si na T h i n P l a t eB u t t ＧW e l d e dJ o i n t [J ]．C o m pu t a t i o n a l M a t e r i a l sS c i e n c e ,２００８,４３(２):３５３－３６５．[２]K a i n u m aS ,Y a n g M ,J e o n g YS ,e t a l ．E x pe r i m e n t o n F a t i gu eB e h a v i o r o fR i b Ｇt o ＧD e c k W e l dR o o t i nO r t h o t r o Ｇpi cS t e e lD e c k s [J ]．J o u r n a l o fC o n s t r u c t i o n a lS t e e lR e Ｇs e a r c h ,２０１６(１１９):１１３－１２２．[３]Z h a oQ ,G u oZ ,S h e nX ,e t a l ．T e s t S t u d y onR e s i d u a l S t r e s s D i s t r i b u t i o n o f H y b r i d S t e e l U ＧR i b S t i f f e n e d P l a t e s [J ]．J o u r n a lo f C o n s t r u c t i o n a lS t e e l R e s e a r c h ,２０１６(１２１):２６１－２６７．[４]卜一之,王一莹,崔㊀闯．新型正交异性钢桥面板关键部位疲劳性能研究[J ]．世界桥梁,２０１５,４３(５):２０－２４．[５]罗鹏军,张清华,龚代勋,等．钢桥面板U 肋与顶板双面焊连接疲劳性能研究[J ]．桥梁建设,２０１８,４８(２):１９－２４．[６]尹㊀红,严正贤．制作工艺对正交异性钢桥面板焊缝接头抗疲劳性能的影响[J ]．世界桥梁,２０１１(６):３４－３７．[７]D e n g D．F E M P r e d i c t i o n o fW e l d i n g Re s i d u a l S t r e s s a n d D i s t o r t i o n i nC a r b o nS t e e lC o n s i d e r i n g Ph a s eT r a n s f o r Ｇm a t i o nE f f e c t s [J ]．M a t e r i a l s &D e s i gn ,２００９,３０(２):３５９－３６６．[８]郭广飞,王㊀勇,韩㊀涛,等．双椭球热源参数调整在预测在役焊接熔池尺寸上的应用[J ]．压力容器,２０１３,３０(１):１５－１９,３９．[９]梅大鹏,廖贵星．新型镦边U 肋与面板连接焊缝切口应力分析[J ]．桥梁建设,２０１７,４７(１):６５－７０．[１０]陈一馨,吕彭民,李大涛．U 肋与横隔板焊接构造细节疲劳强度研究[J ]．桥梁建设,２０１４,４４(３):６３－６８．[１１]贾恩实,马润平,张㊀强．欧美规范中公路桥梁正交异性钢桥面板抗疲劳设计对比分析[J ]．世界桥梁,２０１３,４１(２):３１－３４．７５８５世界桥梁㊀㊀２０１９,４７(１)A n a l y s i s o f F a c t o r s I n f l u e n c i n g W e l d i n g R e s i d u a lS t r e s s e s i nUR i b s o f S t e e lD e c kP l a t eW A N G H u iＧl i１,W A N GB e n１,２,X I EC h a n gＧl i n g１,Q I NS iＧf e n g３(１．I n s t i t u t e o fB r i d g eE n g i n e e r i n g,D a l i a nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,D a l i a n１１６０２３,C h i n a;２．B e i j i n g G e n e r a lM u n i c i p a l E n g i n e e r i n g D e s i g n&R e s e a r c h I n s t i t u t eC o．,L t d．,B e i j i n g１０００８２,C h i n a;３．M a t e r i a l sF r a c t u r e M e c h a n i c sR e s e a r c hC e n t e r f o rN u m e r i c a lT e s t,D a l i a nU n i v e r s i t y,D a l i a n１１６０２２,C h i n a)A b s t r a c t:T o p r e c i s e l y c a l c u l a t ew e l d i n g r e s i d u a l s t r e s s e s i nUr i b s o f s t e e l d e c k p l a t e a n d c o nＧd u c t q u a n t i t a t i v e a n a l y s i s o f i n f l u e n t i a l f a c t o r s,t h eUr i b so f s t e e l d e c k p l a t eo fX i n g h a iB a y S e aＧC r o s s i n g B r i d g ew a s t a k e n a s t h e s t u d y o b j e c t．I n t h eA B A Q U S f i n i t e e l e m e n t s o f t w a r e,t h e l o c a l m o d e l s o fUr i b s o f s t e e l d e c k p l a t ew e r e e s t a b l i s h e d．L o a d sw e r e a p p l i e d t o t h e d o u b l e e l l i p s o i d a l h e a tm o d e l s v i a t h ec o m p i l e ds u b s i d i a r yD f l u x p r o g r a m m e．T h ew e l d i n gp r o c e s so f t h eVＧg r o o v e w e l d sw a sm o d e l e d,t oo b t a i n t h e r e s i d u a l s t r e s s e sd i s t r i b u t i o n i nt h e t o pp l a t e s a n dUr i b p l a t e s a n d t o s t u d y t h e i n f l u e n c eo f t h i c k n e s so f t o pp l a t ea n da n g l eo fw e l d i n gg r o o v e so nt h e r e s i d u a l s t r e s s e s i n t h eUr i b s．T h e r e s u l t s s h o wt h a t t h e c a l c u l a t e dd a t ao fw e l d i n g r e s i d u a l s t r e s s e so bＧt a i n e db y t h e a n a l y t i c a lm e t h o d p r o p o s e d i nt h i s p a p e r a g r e ew e l lw i t ht h e p r e v i o u se x p e r i m e n t a l d a t a,p r o v i n g t h a t t h em e t h o d i s e f f e c t i v e．T h em a x i m u mr e s i d u a l s t r e s s e s i n t h e t o p p l a t e s a n d t h e Ur i b p l a t e s a l l o c c u rn e a r t h ew e l d s,a n de x c e e dt h e y i e l d i n g l i m i t a t i o no f t h em a t e r i a l．A s t h e t h i c k n e s s o f t o p p l a t e i n c r e a s e s,t h e p e a k v a l u e s o f r e s i d u a l s t r e s s e s i n t h e t o pp l a t e s a n dUr i b s i nＧc r e a s e．H o w e v e r,t h e i n c r e a s e o f t h e a n g l e o f g r o o v e s r e s u l t s i n t h e d e c r e a s e o f t h e p e a kv a l u e s o f r e s i d u a l s t r e s s e s i n t h e t o pp l a t e s a n dUr i b p l a t e s．K e y w o r d s:Ur i b s o f s t e e l d e c k p l a t e;p l a t e t h i c k n e s s;a n g l e o fw e l d i n gg r o o v e;d o u b l e e l l i pＧs o i d a l h e a t s o u r c e;VＧg r o o v ew e l d i n g;r e s i d u a l s t r e s s;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n(编辑:刘海燕)。

焊接接头残余应力分析与优化设计方法

焊接接头残余应力分析与优化设计方法焊接接头残余应力是焊接过程中普遍存在的问题，它对焊接接头的性能和寿命产生了重要影响。

因此，分析和优化设计焊接接头的残余应力成为焊接工程师和研究人员的重要任务之一。

本文将探讨焊接接头残余应力的分析方法和优化设计方法。

一、焊接接头残余应力的形成机制焊接接头残余应力主要由以下几个方面的因素引起：热应力、冷却收缩应力和相变应力。

1. 热应力焊接过程中，焊接接头受到高温热源的加热，导致局部区域温度升高。

当焊接过程结束后，焊接接头开始冷却，温度逐渐降低。

由于焊接接头不同部位的温度变化速度不同，会导致接头内部产生热应力。

2. 冷却收缩应力焊接接头冷却过程中，焊缝和母材会发生收缩，而周围未焊接部分的母材则不发生收缩。

这种差异会导致焊接接头产生冷却收缩应力。

3. 相变应力焊接接头在冷却过程中，焊缝和母材可能会发生相变，例如奥氏体转变为马氏体。

这种相变会引起焊接接头产生相变应力。

二、焊接接头残余应力的分析方法为了准确分析焊接接头的残余应力，可以采用以下几种方法：1. 数值模拟方法数值模拟方法是目前最常用的分析焊接接头残余应力的方法之一。

通过建立焊接接头的几何模型和材料性质，利用有限元法等数值计算方法，可以模拟焊接过程中的温度场和应力场，从而得到焊接接头的残余应力分布。

2. 实验测试方法实验测试方法是通过实际焊接接头的制备和测试，来获取焊接接头的残余应力信息。

常用的实验方法包括应变测量、X射线衍射和中子衍射等。

3. 经验公式方法经验公式方法是通过总结和归纳大量实验数据，建立经验公式，用于估算焊接接头的残余应力。

这种方法的优点是简单快捷，但精度相对较低。

三、焊接接头残余应力的优化设计方法为了减小焊接接头的残余应力，可以采用以下几种优化设计方法：1. 优化焊接工艺参数通过调整焊接工艺参数，如焊接电流、焊接速度和预热温度等，可以改变焊接接头的温度和应力分布，从而减小残余应力。

2. 使用预应力技术预应力技术是在焊接接头上施加一定的预应力，以抵消残余应力。

钢桥焊缝残余应力与变形分析

钢桥焊缝残余应力与变形分析一、概述钢桥是指上部结构主要承重部分是用钢材制成的桥梁，它自重较轻，跨越能力大，抗拉、抗压、抗剪强度高，可用于复杂桥型和景观桥。

在工程中，经常能见到的钢桥类型有：梁桥（I型板梁、桁梁、箱梁），拱桥（系杆拱，箱形拱、桁架拱），索桥（悬索桥和斜拉桥）。

我国迄今已建造了3600余座各式钢桥。

仅在长江上已有各种型式的桥梁30余座，其中接近半数为钢桥。

关于焊接钢桥，可以公路桥为对象作比较，按大跨径悬索桥的跨径L≥600m，大跨径斜拉桥L≥400m，进行不完全统计。

90年代以来中国已建成大跨径悬索桥7座，大跨径斜拉桥10座；同时期国外建成的大跨径悬索桥有10座（其中日本6座），大跨径斜拉桥有15座（其中日本6座）。

按跨径大小排序，在世界上建成的全部悬索桥中排名前十位的焊接钢桥中，中国有2座：江阴长江大桥（L=1385m）排名第四，香港青马大桥（L=1377m）排名第五；斜拉桥排名前十位的焊接钢桥中，日本的多多罗大桥L=890m，居首位；中国有6座桥，排名第三、四、五、六、七和第九（南京长江二桥L=628m，排第三位；武汉长江三桥L=618m，排第四位）。

钢桥是由钢板、型钢等组合连接制成基本构件，如梁、柱、桁架杆件等，运到工地后再通过安装连接组成整体结构。

连接在钢桥中占有很重要的地位。

钢桥中部件的连接方法主要有铆钉连接、螺栓连接和焊接三类。

焊接是现代钢桥最主要的连接方法，它是对钢材从任何方位、角度和形状相交都能方便使用，一般不需要附加连接板、连接角钢等零件，也不需要在钢材上开孔，不使截面受到削弱。

因此，它的构造简单，节省钢材，制作方便，并易于采用自动化操作，生产效率高。

此外，焊接的刚度较大，密封性较好。

常见的焊接方法有电弧焊、栓钉焊，电弧焊又常分为手工电弧焊、埋弧焊和气体保护焊。

焊缝连接中按焊体钢材的连接方式可分为对接接头、搭接接头、T型接头、角接接头等形式。

但焊接也存在着它不足的一面，焊缝附近钢材因焊接的高温作用而形成热影响区，其金相组织和机械性能发生变化，某些部位材质变脆；焊接过程中钢材受到不均匀的高温和冷却，使结构产生焊接残余应力和残余变形，影响结构的承载力、刚度和使用性能；焊缝可能出现气孔、夹渣、咬边、弧坑裂纹、根部收缩、接头不良等影响结构疲劳强度的缺陷。

考虑残余应力的钢桥面板-肋双面焊裂纹应力强度因子计算方法

第 55 卷第 2 期2024 年 2 月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.55 No.2Feb. 2024考虑残余应力的钢桥面板−肋双面焊裂纹应力强度因子计算方法肖新辉1，陈方怀1，张海萍1，刘扬2，肖康海1(1. 湖南工业大学土木工程学院，湖南株洲，412007；2. 长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙，410114)摘要：建立焊接分析有限元模型，对顶板−纵肋双面焊构造的焊接过程进行数值模拟，拟合得到顶板焊趾细节沿板厚方向分布的横向残余应力分布经验公式；建立钢桥面板断裂力学数值模型，结合统一的权函数表达式，推导适用于顶板焊趾处裂纹最深点和表面点应力强度因子的新权函数，并将权函数计算的应力强度因子与有限元计算的应力强度因子进行对比。

研究结果表明：顶板−纵肋双面焊顶板焊趾处残余应力沿板厚方向处于拉—压—拉状态，呈正弦函数分布；在二次应力分布下，权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.4%，表面点应力强度因子最大相对误差为4.1%；在焊接残余应力场下，权函数法与有限元法计算所得顶板焊趾处裂纹最深点应力强度因子最大相对误差为7.6%，表面点应力强度因子最大相对误差为8.6%；权函数法能有效计算钢桥面板−肋双面焊顶板焊趾处疲劳裂纹应力强度因子。

关键词：正交异性钢桥面板；权函数法；疲劳裂纹；应力强度因子；焊接残余应力中图分类号：U443.32 文献标志码：A 文章编号：1672-7207（2024）02-0810-12Calculation method of stress intensity factor for crack of rib-to-deck double-sided welded joints in steel bridge deck consideringresidual stressXIAO Xinhui 1, CHEN Fanghuai 1, ZHANG Haiping 1, LIU Yang 2, XIAO Kanghai 1(1. School of Civil Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China;2. School of Civil Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410114, China)收稿日期： 2023 −06 −22；修回日期： 2023 −08 −20基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51908068)；湖南省自然科学基金资助项目(2021JJ40171，2023JJ50188)；湖南省教育厅科学研究项目(23A0435, 22B0567, 22C0300)；长沙理工大学交通基础设施安全风险管理行业重点实验室(18KF04) (Project(51908068) supported by the National Natural Science Foundation of China; Projects(2021JJ40171, 2023JJ50188) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province; Projects(23A0435, 22B0567, 22C0300) supported by the Scientific Research Foundation of Education Department of Hunan Province; Project(18KF04) supported by the Open Fund of Industry Key Laboratory of Traffic Infrastructure Security Risk Management, Changsha University of Science & Technology)通信作者：陈方怀，博士，讲师，从事钢结构疲劳研究；E-mail ：********************.cnDOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2024.02.030引用格式：肖新辉, 陈方怀, 张海萍, 等. 考虑残余应力的钢桥面板−肋双面焊裂纹应力强度因子计算方法[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2024, 55(2): 810−821.Citation: XIAO Xinhui, CHEN Fanghuai, ZHANG Haiping, et al. Calculation method of stress intensity factor for crack of rib-to-deck double-sided welded joints in steel bridge deck considering residual stress[J]. Journal of Central South University(Science and Technology), 2024, 55(2): 810−821.第 2 期肖新辉，等：考虑残余应力的钢桥面板−肋双面焊裂纹应力强度因子计算方法Abstract:A finite element model of welding analysis was established to simulate the welding process of rib-to-deck double−sided joints, and an empirical formula for the transverse residual stress distribution along the direction of plate thickness was obtained. The weight functions for the stress intensity factor at the deepest point and surface point of the fatigue crack at the welded toe of the deck were fitted using a unified weight function expression and numerical analysis results from fracture mechanics of steel bridge decks. The stress intensity factors calculated by the weight function were compared with those calculated by finite element analysis. The results show that the residual stress at the weld toe of the rib-to-deck double−sided welded joints exhibits a tension−compression−tension state along the plate thickness direction, and follows a sinusoidal function distribution. Under the secondary stress distribution, the maximum relative error of the stress intensity factor at the deepest point of the crack calculated using the weight function method and the finite element method is 7.4%, and the maximum relative error of the stress intensity factor at the surface point of the crack is 4.1%. Under the welding residual stress field, the maximum relative error of the stress intensity factor at the deepest point of the crack at the weld toe calculated using the weight function method and the finite element method is 7.6%, and the maximum relative error of the stress intensity factor at the surface point of the crack is 8.6%. The weight function method can effectively calculate the stress intensity factor of fatigue crack at the welded toe of rib-to-deck double−sided welded joints in orthotropic steel decks.Key words: orthotropic steel deck; weight function method; fatigue crack; stress intensity factor; welding residual stress正交异性钢桥面板(简称“钢桥面板”)具有质量小、强度高、适用性范围广和工厂化程度高等优点，在大跨径钢箱梁斜拉桥和悬索桥等缆索支承桥梁中得到了广泛应用，但由于受焊接残余应力、焊接缺陷以及服役环境等诸多因素影响，导致其疲劳开裂问题突出[1−4]。

钢结构焊接中的残余应力分析方法

局部-整体法的优势
能够兼顾计算精度和计算效率，适用于大型复杂焊接结构的残余应力分析。
03
钢结构焊接中的残余应力测量技术
X射线衍射法
01
02
03
04
原理
利用X射线在晶体中的衍射现象，通过测量衍射角的变化来计算残余应力。
优点
非破坏性测量，对试样无损伤，可测量小区域和复杂形状的构件。
缺点
设备昂贵，操作复杂，需要专业人员进行操作和分析。
将数值模拟得到的残余应力分布结果与实验结果进行对比分析，验证模拟的准确性。
模拟结果优化
针对误差来源进行模拟结果的优化和改进，提高数值模拟的精度和可靠性。
ABCD
误差来源分析
分析数值模拟中可能存在的误差来源，如模型简化、材料参数不准确等，并提出改进措施。
工程应用探讨
探讨数值模拟在钢结构焊接残余应力分析中的工程应用前景和局限性。
原理
利用超声波在材料中的传播速度与应力之间的关系，通过测量超声波传播速度的变化来计
算残余应力。
优点
设备相对简单，操作方便，可实现在线测量。
缺点
对材料表面粗糙度和温度等因素敏感，测量结果易受干扰。
应用范围
适用于各种金属材料和构件的表面残余应力测量。
应变片法
原理
在构件表面粘贴应变片，通过测量应变片电阻值的变化来计算残余应力。
求解过程
采用合适的数值方法求解边界积分方程，得到焊接过程中的温度场和应力
场分布。
材料本构关系与热源模拟
定义材料的本构关系和焊接热源模型，以模拟焊接过程中的热力学行为。
结果分析与验证
对求解结果进行可视化处理和数据分析，评估残余应力的分布和影响，并与实验结果进行对比验证。

U肋与顶板连接焊缝残余应力的三维数值模拟的开题报告

U肋与顶板连接焊缝残余应力的三维数值模拟的开题报告一、研究背景焊接是现代工程中不可或缺的加工工艺之一，它在大量的工业制造中得到了广泛的应用。

焊接在各种结构中都扮演着至关重要的角色，因此把焊接连接件的强度提高到尽可能高的水平是很有必要的。

顶板作为大型钢结构工程的重要组成部分，其性能对整个结构的安全性、可靠性、稳定性等具有重要影响。

在实际施工中，焊接是提高钢结构强度和稳定性的关键技术，而焊接热影响区域及焊缝残余应力则是影响钢结构连接件整体强度的重要因素。

二、研究内容本论文将针对U肋与顶板连接的焊接焊缝残余应力进行三维数值模拟研究。

具体包括以下几个方面：1. 建立U肋与顶板连接焊缝残余应力的数学模型，并确定计算分析的范围和尺度。

选取适合的有限元分析软件，并进行建模，选定材料及材料性质参数。

2. 根据数学模型，通过有限元软件进行数值模拟计算，并对计算得到的焊缝残余应力场进行分析、对比和验证。

在分析中能够结合实际情况和工程要求，合理安排计算参数，对研究结果进行分析和判断。

3. 根据分析结果，结合实际工程情况，提出合理可行的焊接处理措施和工艺，以提高焊接连接件的整体强度和稳定性，同时保证工程施工的安全可靠。

三、研究意义通过本论文的数值模拟研究，可以更加深入地了解焊接过程中焊缝残余应力的产生机制和分布规律，揭示U肋与顶板连接的局部强度问题及成因。

通过针对问题的分析和研究，提出可行性的焊接处理措施和工艺，达到提高U肋与顶板连接整体强度的目的。

四、研究方法本论文采用有限元数值模拟方法，通过ANSYS等工程计算软件，对U肋与顶板连接的焊接焊缝残余应力进行三维数值模拟。

具体方法如下：1. 确定研究对象的材料及材料性质参数，根据U肋和顶板的实际尺寸进行建模。

2. 根据数学模型，利用有限元软件对U肋与顶板连接的焊接焊缝残余应力进行数值模拟，并分析得出焊接连接件的受力分布状况。

3. 根据数值模拟结果，分析U肋与顶板连接的强度问题，结合实际情况提出合理可行的焊接处理措施和工艺。

焊接接头的残余应力分析与消除技术

焊接接头的残余应力分析与消除技术焊接是一种常见的金属连接方式，广泛应用于工业生产和建筑领域。

然而，焊接过程中产生的残余应力可能会导致接头的变形、开裂和失效等问题。

因此，对焊接接头的残余应力进行分析和消除具有重要意义。

一、残余应力的形成原因焊接接头的残余应力主要来自于以下几个方面：1. 热应力：焊接过程中，焊缝周围的金属受到高温热源的加热，然后迅速冷却。

由于不同部位的金属冷却速度不同，会导致金属产生热应力。

2. 冷却收缩应力：焊接完成后，焊缝周围的金属在冷却过程中会发生收缩，由于焊缝两侧的金属受到约束，会产生冷却收缩应力。

3. 相变应力：某些金属在焊接过程中会发生相变，如奥氏体转变为马氏体，这种相变会引起金属的体积变化，从而产生相变应力。

二、残余应力的分析方法为了准确分析焊接接头的残余应力，可以采用以下几种方法：1. 数值模拟方法：利用有限元分析软件，对焊接接头进行模拟计算。

通过输入焊接过程中的热源参数、材料性能等数据，可以得到焊接接头在不同位置和方向上的残余应力分布情况。

2. 应力测量方法：利用应变计、应力计等仪器对焊接接头进行实时测量。

通过测量焊接接头的应变或应力，可以得到残余应力的大小和分布情况。

3. X射线衍射方法：通过对焊接接头进行X射线衍射分析，可以得到焊接接头中晶体的应变情况。

从而可以推导出残余应力的大小和分布情况。

三、残余应力的消除技术为了消除焊接接头的残余应力，可以采用以下几种技术：1. 预热与后热处理：通过在焊接前后对接头进行适当的预热和后热处理，可以改变接头的冷却速度，从而减小残余应力的大小。

2. 机械加工：通过对焊接接头进行机械加工，如磨削、切割等，可以改变接头的形状和尺寸，从而减小残余应力的大小。

3. 热处理：通过对焊接接头进行适当的热处理，如回火、退火等，可以改变接头的组织结构和性能，从而减小残余应力的大小。

4. 残余应力退火：通过对焊接接头进行退火处理，可以使接头中的残余应力得到释放，从而减小接头的变形和开裂风险。

钢桥面板顶板-纵肋双面焊的焊接残余应力分析与统一分布模型

第37卷第1期2021年2月结构工程师Structural Engineers Vol.37，No.1Feb.2021钢桥面板顶板-纵肋双面焊的焊接残余应力分析与统一分布模型王喆1丁幼亮1，*钟雯1耿方方2（1.东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京210096；2.南京工程学院建筑工程学院，南京211167）摘要通过有限元软件建立钢桥面板顶板-纵肋双面焊焊接节点模型，对双面焊焊接残余应力进行了数值模拟，得到其残余应力分布图，并分析双面焊焊接残余应力随板件厚度的变化规律。

分析结果表明，双面焊横向残余应力在焊缝侧顶板表面的外侧焊缝焊趾处达到最大值250MPa；纵向残余应力在焊缝侧顶板表面的内侧焊缝焊根处达到最大值445MPa，已超过材料的屈服强度。

横向残余应力在不同板件厚度下差别较大，顶板厚度为12mm时的横向残余应力比顶板厚度为20mm时小40%；而纵向残余应力变化不明显。

通过分析模拟结果，建立了双面焊焊接残余应力统一分布模型，有助于进一步研究双面焊钢桥面板疲劳性能。

关键词钢桥，双面焊，焊接残余应力，板件厚度，统一分布模型Analysis and Unified Distribution Model of Double-Sided WeldingResidual Stress of Steel Deck-RibWANG Zhe1DING Youliang1，*ZHONG Wen1GENG Fangfang2（1.Key Laboratory for Concrete and Pre-stressed Concrete Structures of Education of Ministry，Southeast University，Nanjing 210096，China；2.The Institute of Civil Engineering of Nanjing Institute of Technology，Nanjing211167，China）Abstract Finite element software is used to establish a double-sided welding joint model of steel deck-ribs，and residual stress of the double-sided welding is numerically simulated.This paper obtain the residual stress distribution of double-sided welding，and analyze the distribution law of double-sided welding residual stress for plates with different thickness.The results show that the transverse residual stress reaches a maximum of 250MPa at the weld toe of outer weld of weld side surface；the longitudinal residual stress reaches a maximum of445MPa at the weld roof of inner weld of weld side surface，which exceeds the material yield strength.The transverse residual stress is quite different under different plate thickness，and the transverse residual stress when the thickness of top plate is12mm is40%smaller than the one with a top plate thickness of20mm；the change of longitudinal stress is not obvious.According to the simulation results，the unified distribution model for double-sided welding residual stress is established，which is helpful for further study of fatigue properties of double-sided welded steel bridges.Keywords steel bridge，double-sided welding，welding residual stress，plate thickness，unified distribution model收稿日期：2019-10-28基金项目：国家自然科学基金资助项目（51978154，51608258），江苏省杰出青年基金项目（BK20190013）作者简介：王喆（1996-），女，研究生，要从事桥梁健康监测和智能运维研究。

钢桥面板U形肋与面板连接部分熔透焊缝受力分析

接焊缝的焊趾和焊根处产生很大的集中应力，还是容
收稿日期：２０１６－１１ — ２０；修回日期：２０１７・０２ — １５
元外，其余部位采用板壳单元； ② 采用等效结构，即直
板壳单元不能真实模拟其实际受力状态，因此本文在
进行受力分析时全部采用三维实体单元进行有限元
（ａ）过去采用的贴角焊缝（ｂ）现在采用的坡１３角焊缝
计算。钢箱梁几何尺寸很大，受计算能力的限制，全部采
鲜荣，鞠晓臣，曾志斌，代希华
（１．广东省公路建设有限公司，广东广州５１０６２３；２．中国铁道科学研究院，北京１０００８１）
摘要
ｕ形肋与面板之间连接焊缝的疲劳裂纹是正交异性钢桥面板最典型的疲劳裂纹之一。该焊缝
透深度究竟对该部位的受力和抗疲劳性能有多大影
响，需要深入研究。本文采用大型通用有限元分析软件Ａｂａｑｕｓ，针对８ｍｍ厚ｕ形肋与１６ｍｍ厚面板之间
的连接焊缝，计算分析了熔透率分别为６５％，７５％，
的应力。研究成果为规定此种焊缝的制造误差提供；有限元分析；Ｕ形肋与面板连接；局部应力

焊接残余应力分析

残余应力分析
姓名：宫建平学号：120616114 成型121
焊接残余应力分析
焊接残余应力的存在，会直接影响到钢混结构的承载能力。

为了保证焊接结构的安全可靠，准确的推断出焊接过程中的力学行为和残余应力是十分重要的。

对于焊接残余应力，以往多是采用切割、钻孔等实验测量方法，不但费时费力，而且受很多条件的限制，结果数据误差也很大。

首先，焊接构件是由焊接而产生的内应力称为焊接应力，按作用时间可分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。

焊接残余应力分为热应力，相变应力可以叠加在其上。

其次，焊接残余应力产生的原因是一个先局部加热，然后在冷却的过程。

焊件在焊接时产生的变形称为热变形，焊件冷却后产生的变形称为焊接残余应力变形，这时焊件中的应力称为焊接残余应力。

焊接应力包括沿焊缝长度方向的纵向焊接应力，垂直于焊缝长度
方向的横向焊接应力和沿厚度方向的焊接应力。

焊接残余应力产生的主要原因是由焊接过程中不均匀的加热所引起的。

焊接应力按其产。

由于焊接过程是一个局部的不均匀加热、冷却的过程，受焊缝极其近缝区温度场的影响，焊件内部也会出现大小不等、分布不均匀的残余应力，在焊接过程中，焊件结构中的残余应力和其所受的载荷引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余盈利的重新分布。

焊接残余应力与变形是直接影响焊接结构性能、安全可靠性的重要因素，在一定条件下，会对结构的断裂特性、疲劳强度和形状尺寸精度等产生十分不利的影响。

焊接接头的残余应力分析与控制

焊接接头的残余应力分析与控制焊接接头是工程中常见的连接方式之一，它通过熔化两个或多个金属工件并使其冷却固化，形成一个稳定的连接。

然而，焊接过程中会产生残余应力，这些应力可能会导致接头的变形、裂纹和失效。

因此，对焊接接头的残余应力进行分析与控制是非常重要的。

首先，我们需要了解焊接接头残余应力的形成原因。

焊接过程中，高温会使金属发生热膨胀，而冷却过程中又会发生热收缩。

这种热膨胀和热收缩的不均匀性会导致接头产生应力。

此外，在焊接接头中，还存在着熔化金属和固态金属之间的相互转化，这也会引起残余应力的产生。

接下来，我们来分析焊接接头残余应力的影响。

首先，残余应力会导致接头的变形。

由于应力的存在，接头可能会发生弯曲、扭曲等变形现象，从而影响其正常的使用。

其次，残余应力还会增加接头的脆性，使其更容易发生裂纹。

一旦裂纹形成，接头的强度和耐久性将大大降低，甚至可能导致接头的失效。

此外，残余应力还可能引起接头材料的变质和变色，从而影响其外观和质量。

为了控制焊接接头的残余应力，我们可以采取一些措施。

首先，合理选择焊接参数是非常重要的。

焊接参数包括焊接电流、焊接速度、焊接时间等，通过调整这些参数，可以控制焊接过程中的温度和冷却速度，从而减小残余应力的产生。

其次，采用适当的焊接方法也可以有效控制残余应力。

例如，采用预热和后热处理可以缓解焊接接头的应力，减小残余应力的程度。

此外，选择合适的焊接材料和焊接工艺也是控制残余应力的关键。

除了上述方法，还可以通过残余应力分析来控制焊接接头的质量。

残余应力分析是通过数值模拟或实验测试来评估接头中的残余应力分布和大小。

通过分析残余应力的分布情况，可以确定应力集中区域，并采取相应的措施进行改进。

例如，可以通过增加填充材料或改变焊接顺序来减小应力集中区域的应力。

此外，还可以通过优化焊接接头的设计来减小残余应力的产生。

例如，采用圆角设计可以减小应力集中，从而减小残余应力的程度。

综上所述，焊接接头的残余应力分析与控制是确保接头质量和可靠性的重要环节。

焊接残余应力分析及消除方法

焊接残余应力分析及消除方法一、什么是焊接应力焊接应力，是焊接构件由于焊接而产生的应力。

焊接过程中焊件中产生的内应力和焊接热过程引起的焊件的形状和尺寸变化。

焊接过程的不均匀温度场以及由它引起的局部塑性变形和比容不同的组织是产生焊接应力和变形的根本原因。

当焊接引起的不均匀温度场尚未消失时，焊件中的这种应力和变形称为瞬态焊接应力和变形；焊接温度场消失后的应力和变形称为残余焊接应力和变形。

在没有外力作用的条件下，焊接应力在焊件内部是平衡的。

焊接应力和变形在一定条件下会影响焊件的功能和外观。

二、焊接应力的危害焊接残余应力对焊件有 6个方面的影响：①对强度的影响：如果在高残余拉应力区中存在严重的缺陷，而焊件又在低于脆性转变温度下工作，则焊接残余应力将使静载强度降低。

在循环应力作用下，如果在应力集中处存在着残余拉应力，则焊接残余拉应力将使焊件的疲劳强度降低。

焊件的疲劳强度除与残余应力的大小有关外，还与焊件的应力集中系数应力循环特征系数和循环应力的最大值有关其影响随应力集中系数的降低而减弱，随的降低而加剧，随的增加而减弱。

当接近于屈服强度时，残余应力的影响逐渐消失。

②对刚度的影响：焊接残余应力与外载引起的应力相叠加，可能使焊件局部提前屈服产生塑性变形。

焊件的刚度会因此而降低。

③对受压焊件稳定性的影响：焊接杆件受压时，焊接残余应力与外载所引起的应力相叠加，可能使杆件局部屈服或使杆件局部失稳，杆件的整体稳定性将因此而降低。

残余应力对稳定性的影响取决于杆件的几何形状和内应力分布。

残余应力对非封闭截面（如工字形截面）杆件的影响比封闭截面（如箱形截面）的影响大。

④对加工精度的影响：焊接残余应力的存在对焊件的加工精度有不同程度的影响。

焊件的刚度越小，加工量越大，对精度的影响也越大。

⑤对尺寸稳定性的影响：焊接残余应力随时间发生一定的变化，焊件的尺寸也随之变化。

焊件的尺寸稳定性又受到残余应力稳定性的影响。

⑥对耐腐蚀性的影响：焊接残余应力和载荷应力一样也能导致应力腐蚀开裂。

钢桥面板U肋一顶板连接焊缝疲劳细节分析方法

２０１８年１月
第３４卷第１期
沈阳建筑大学学报( 自然科学版)
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｅｎｙａｎｇＪｉａｎｚｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ( ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ)
文章编号:２０９５－１９２２(２０１８)０１－００５３－１３
Ｊａｎ . ２０１８
Ｖｏｌ . ３４ ꎬ Ｎｏ. １
系统研究ꎬ探讨有限元模型中关注细节附近网格划分大小以及疲劳荷载的加载方式
对关注细节应力提取结果的影响ꎬ确定Ｕ肋－顶板连接焊缝细节的应力幅分析过
程. 方法应用有限元软件ＡＢＡＱＵＳ建立了局部的钢箱梁节段模型ꎬ利用壳单元对Ｕ
肋－顶板连接焊缝细节进行疲劳分析ꎬ与实体单元的分析结果差别不大. 结果横向
肋与桥面板处的疲劳裂纹. 王秀伟等 [１３] 对正
交异性钢桥面板整体模型进行了有限元分
析. 顶板－纵肋连接处的纵向和横向应力影
响线很短ꎬ当荷载位于目标细节正上方时ꎬ应
其中最为突出的一个问题就是钢面板的疲劳
力绝对值达到最大. 增加顶板厚度可大大降
开裂问题. 而疲劳开裂的部位大多数位于焊
低顶板的应力幅ꎬ铺装层的完整性对钢桥面
缝位置ꎬ经过国内外大量研究发现钢桥面板
板十分重要. ＪＩＢ等 [１４] 建立了正交异性钢桥
共有４个相关部位上的６个疲劳细节出现裂
纹的概率最大
[５－８]
. 其中出现最多且危害较
面板局部有限元模型对横隔板处焊根－顶板
裂缝进行分析当每一个轴载位于横隔板正上
大的是钢桥面板顶板与纵肋连接焊缝处的疲
中图分类号ＴＵ３１８ꎻＵ４４２文献标志码Ａ
ＡｎａｌｙｓｉｓＭｅｔｈｏｄｆｏｒＦａｔｉｇｕｅＤｅｔａｉｌｓｏｆＵＲｉｂ

Q370qE钢桥面板顶板-纵肋焊接残余应力试验研究

Q370qE钢桥面板顶板-纵肋焊接残余应力试验研究钟雯;丁幼亮;王立彬;宋永生【摘要】为研究Q370qE钢桥面板顶板-纵肋焊接细节残余应力,采用钻孔应变法对足尺正交异性钢桥面板试件进行了试验研究,得到了顶板表面纵、横焊接残余应力分布,分析了不同强度钢材对残余应力分布模型的影响.结果表明:顶板下表面的纵向残余应力σz约为上表面的2倍,而横向残余应力σx则差别不大;由于残余应力受焊接顺序影响较大,导致较晚施工的焊缝所在顶板上表面σz减小而σx增大,而顶板下表面σz增大而σx减小.基于实测数据和数值模拟结果,提出了适用于Q370qE钢的纵向残余应力分布模型,其较Q235A或Q345钢材在焊缝附近具有更高的应力峰值和更大的应力梯度,在远离焊接区域则具有较小的压应力值.【期刊名称】《东南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(048)005【总页数】7页(P857-863)【关键词】Q370qE;焊接残余应力;钻孔法;顶板-纵肋;分布模型【作者】钟雯;丁幼亮;王立彬;宋永生【作者单位】东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室,南京210096;东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室,南京210096;南京林业大学土木工程学院,南京210037;金陵科技学院建筑工程学院,南京211196【正文语种】中文【中图分类】TU381;U442带正交异性钢桥面板的扁平钢箱梁具有自重轻、承载力高、施工方便、气动性能好等优点，近年来逐渐成为大跨度桥梁主梁结构的主要形式[1].然而，早年应用于公路桥梁的正交异性钢桥面板显露出较为严重的疲劳问题.在钢桥面板的各种疲劳病害中，顶板-纵肋焊接细节的疲劳裂纹最为常见[2].钢桥面板制造过程中大量采用焊接工艺，焊接过程中产生的不均匀温度场以及局部塑性变形无法避免地产生残余应力，焊缝处高值残余应力的存在可能会引起结构疲劳强度及稳定承载力的降低[3]. 国内外学者对正交异性钢桥面板顶板-纵肋焊接细节处残余应力分布进行了大量数值模拟研究[4-6]，得出残余应力分布的规律，但模拟结果的准确性无法检验.赵秋等[7]基于苏通大桥钢箱梁对钢桥面板进行了焊接残余应力测试，但均为缩尺试验，试验试件与真实钢桥面板存在差异，无法准确测量出焊接细节处残余应力的实际大小；北田俊行等[8-10]采用切条法对U肋加劲结构进行了焊接残余应力测试，但所测应变实际上是切条宽度以内残余应变的综合效应，而不是测点真实的残余应变.随着Q370qE桥梁结构钢的广泛使用，其焊接性能逐渐成为国内外学者关注的热点.然而，目前针对Q370qE桥梁钢的残余应力试验研究较少.本文以南京大胜关长江大桥为研究对象，采用钻孔法对Q370qE钢桥面板足尺模型进行了试验研究，重点分析其纵、横向残余应力分布规律.通过总结国内外其他不同强度钢材焊接箱形截面残余应力的试验数据，研究钢材强度对残余应力分布模型的影响，研究成果为钢桥面板焊接细节残余应力的研究与设计提供参考.1 试验1.1 试件设计为研究钢桥面板顶板-纵肋焊接细节处残余应力分布，试件按照大胜关大桥钢桥面板典型细节等比例制造，如图1所示.试件宽度为300 mm，长度为1 200 mm，由1块顶板和2个U肋组成，顶板厚度为16 mm，纵肋厚度为6 mm，材质均为Q370qE钢，钢材屈服强度下限值fy=370 MPa.焊缝采用CO2气体保护焊，开坡口角度为50°±5°.焊接电压为(29±1)V，焊接电流为(320±10)A，焊接速度为(10±1)mm/s.焊丝采用E501T-1型号φ1.6 mm药芯焊丝.4条焊缝横向焊接顺序为焊缝1→焊缝2→焊缝3→焊缝4，纵向焊接顺序保持一致.图1 钢桥面板试件(倒置)断面图(单位：mm)1.2 量测方法及应变释放系数本文测量焊接残余应力的方法为钻孔应变法.如图2所示，假设试件周围存在残余应力场(σ1和σ2)，在应力场内任意位置钻一直径为d的小孔，该处金属连同其中的残余应力会随之释放，原有的残余应力也失去平衡，这时孔洞周围将产生一定量的释放应变，其大小与被释放的应力对应[11].通过式(1)将应变计测得的释放应变(ε1，ε2和ε3)换算成测点的残余应力，即(1)式中，ε1，ε2，ε3分别为直角应变花水平方向、45°方向和垂直方向的3个应变计所测得的释放应变；A，B为标定常数，可通过标定试验得到；θ为顺时针方向最大主应力与1#应变花之间的夹角.图2 直角应变花示意图标定试样所用的材料与待测材料相同.在由同批16 mm厚Q370qE钢板焊接加工而成的顶板-纵肋焊接试件上，沿着钢板轧制的方向分别切取3根标定试件，按照GB/T 31310—2014规范[12]进行制作，标定试件详细尺寸见图3.在试件两侧粘贴监视应变片，以确保标定过程中试件受力均匀，试件中轴线上间隔30 mm共贴3个电阻应变花.将试件夹持到万能试验机上，加载至分级制定荷载，记录加载过程中的应变读数.然后取下试件，使用钻孔设备在测点处打孔，再将试样重新安装到试验机上进行加载，分别记录对应级别荷载下的应变读数.经过试验测得标定常数A，B的平均值分别为-0.264和-0.853 Pa.图3 标定试件尺寸(单位：mm)1.3 量测内容及设备试验钻孔设备为捷甬达ZNC-450型电火花钻孔机.与标定试验相同，钻孔直径为1.5 mm，孔深为2.0 mm.应变测量计选用BE120-1CG型残余应力专用三向直角应变花(见图4).释放应变选用TDS-530 型静态应变测试仪进行采集.图4 试验设备图设顶板-纵肋焊接试件长度方向为X方向，宽度方向为Z方向，纵肋截面高度方向为Y方向，且与图5中有限元模型坐标系一致.试验中，孔间距取30 mm，焊接残余应力测点布置路径及各路径上钻孔位置照片见图5.设顶板上表面长度方向为路径P1，下表面长度方向为路径P4，路径P1上布置测点B1～B31，路径P4上布置测点D1～D8.沿顶板宽度方向距起弧端135，465，1 065 mm设置路径P2(P5)、路径P3和路径P6，路径P2和路径P3在顶板上表面焊缝中心处布置测点Z1～Z12，路径P5和路径P6在顶板下表面焊脚处布置测点Z13～Z24.(a) 剖面图(b) 俯视图(单位：mm)(c) 路径 P1～P3(d) 路径P4～P6图5 顶板-纵肋焊接细节残余应力测点2 试验结果与分析根据各测点的测试应变，采用式(1)进行换算,得到路径P1～P6上纵、横向残余应力测试值，结果见图6和图7.图中，纵向残余应力σZ为沿着焊缝方向的应力，横向残余应力σX为垂直于焊缝方向的应力.2.1 纵向残余应力分布路径P1和P4上共有实测有效测点36个.(a)路径P1和P4(b) 路径P2和P5图6 纵向残余应力分布曲线(a)路径P1和P4(b) 路径P2和P5图7 横向残余应力分布曲线由于钻孔设备无法在顶板下表面焊缝附近和U肋间隙中钻孔，因此，路径P4上的测试值均为压应力.由图6(a)可知，顶板上表面P1路径上σZ分布趋势总体表现为离焊缝越近，应力值越大.测试曲线包括4个拉应力峰值点，均出现在焊缝附近，大小在0.37fy～0.52fy；σZ在远离焊缝区域呈现压应力，P1和P4路径上压应力分布趋势大致相同，均为-0.14fy左右.σZ在焊缝周围存在较大的应力梯度，例如，焊缝3在P1路径上的σZ峰值达到158.2 MPa，但在距离其约30 mm的测点处则急剧降低为负值.本试验中，焊接顺序为焊缝1→焊缝2→焊缝3→焊缝4.P1路径上σZ测试峰值为202.3 MPa，发生在最先焊接的焊缝1处，其余焊缝的σZ峰值都比焊缝1小，究其原因在于，先焊焊缝对后焊焊缝的预热作用使得后焊焊缝的σZ减小.P2(P5)与P3(P6)路径均为测量纵向残余应力而设置的路径，有限元模拟结果表明两者差别不明显.下面以P2(P5)路径为例说明应力分布，将P3(P6)路径上的测试结果作为增补测点.顶板上(P2和P5)、下(P3和P6)表面路径上实际有效测点共计13个.由于顶板端部(Z=0，300 mm)处残余应力无法测出，为了呈现曲线的完整性，假设该处的残余应力为0.由图6(b)可知，顶板上、下表面σZ变化趋势大致相同，在焊缝中段基本相等，在起、落弧段σZ逐渐减小至零.顶板下表面的σZ约为上表面的2倍，在顶板上表面P2路径上保持为175 MPa左右(约为0.47fy)，在顶板下表面P5路径上则为350 MPa左右(约为0.96fy).2.2 横向残余应力分布P1(P4)和P2(P5)路径上横向残余应力σX测试值见图7.由图7(a)可知，顶板上表面P1路径上σX分布趋势与σZ大致相同.曲线在各焊缝处拉应力测试峰值约为0.44fy，远离焊缝处σX接近于零.与σZ有所不同，P1路径上焊缝3和焊缝4的σx测试峰值较焊缝1和焊缝2有所增大，且各焊缝间的应力也随焊接顺序逐渐增大，甚至从压应力逐渐增大为拉应力.但在顶板下表面P4路径上，远离焊缝位置的应力均为压应力，并随焊接顺序逐渐增大，说明先焊焊缝对后焊焊缝的预热作用会使后焊焊缝顶板上表面的拉应力σZ减小，σX增大，而顶板下表面压应力σX增大.由图7(b)可知，顶板上、下表面平行于焊缝方向的σX变化趋势基本相同，曲线在中间段呈现出一段较长的平台，在起、落弧段σX逐渐减小为零.顶板上表面P2路径上σX均保持为167 MPa左右(约为0.45fy)，在顶板下表面P5路径上则为156 MPa左右(约为0.42fy).3 残余应力分布模型3.1 有限元分析验证3.1.1 有限元模型基于热弹-塑性有限元法，建立与试验试件相同的顶板-纵肋焊接细节钢桥面板模型(见图8).采用八节点实体单元，单元总数为152 548，节点总数为163 955.考虑钢桥面板在实际焊接中的安装情况，于顶板原点侧对称中心线处施加对称约束，顶板沿长度方向两侧节点施加Y方向位移约束，顶板沿宽度方向一侧节点施加Z方向位移约束(见图8(a)).为减小单元数目并保证计算精度，焊缝及热影响区采用较密的网格，最小单元尺寸为0.5 mm；而远离焊缝的部分采用相对稀疏的网格，最大单元尺寸为8 mm，单元网格疏密过渡如图8(b)所示.(a)边界条件(b) 焊缝区网格过渡图8 正交异性钢桥面板顶板-纵肋焊接细节有限元模型正交异性钢桥面板顶板-纵肋焊接细节残余应力数值分析包括焊接过程温度场分析和焊接过程应力场分析.焊缝长度为300 mm，焊接速度设为10 mm/s，每条焊缝焊接时间为30 s.表1列出了不同温度条件下Q370qE钢材的本构关系及热物理参数[13-14].3.1.2 温度场模拟结果焊接过程温度场分析属于瞬态热分析，初始温度值设为20 ℃.本文模型以生热率的形式施加温度荷载[7]，采用生死单元法实现对焊缝的熔化-凝固过程的模拟.图9为模型焊接及冷却全过程的温度变化云图，1～30 s，331～360 s，661～690 s，991～1 020 s依次为4条焊缝的焊接时间段，2条焊缝间冷却时间为300 s，最后一条焊缝完成焊接后冷却2 400 s.图9(e)为t=1 020 s时焊件截面温度场的分布情况，图中黑色虚线以内部分为高于熔点的区域，该区域形状与图1中的焊缝接近，说明模型热源热量施加合理.在整个焊接温度场模拟过程中，虽然随着热源的移动，试件上各点温度会发生变化，但温度场始终保持稳定的形态.表1 不同温度下Q370qE钢材的本构关系及热物理参数温度/℃导热系数/(W·m-1·℃-1)密度/(kg·m-3)比热容/(J·kg-1·℃-1)泊松比线性膨胀系数/10-5 ℃弹性模量/GPa屈服应力/MPa切线模量/GPa205078204600.281.102053702.050250477 7004800.291.221872801.870500407 6105300.311.391502131.5001 000307 4906700.401.3420130.2001 500357 3506600.451.33210.0202 000457 3007500.481.321.510.0153 000507 1008000.501.310.110.001(a) t=30 s(b) t=150 s(c) t=360 s(d) t=1 020 s(e) t=1 020 s焊接熔池形状(f) t=3 420 s图9 顶板-纵肋焊接细节温度场变化云图4.1.3 应力场模拟结果与试验结果对比图10和图11分别给出了P1，P2和P4，P5路径上纵、横向残余应力测试结果与有限元模拟结果对比.由图10可知，顶板上表面(P1)纵、横向残余应力的计算值与测试值总体上符合较好.在图10(a)中，焊缝周围σZ测试值为拉应力，应力峰值测试值与计算值的最大偏差小于15 MPa.在非焊缝区，测试值基本为压应力，少量测点存在较小的拉应力.在图10(b)中，σX 随焊接顺序逐渐增大，应力峰值测试值与计算值的最大偏差小于10 MPa.数值模拟结果补充了顶板下表面中试验无法采集测点的残余应力，在P4路径上σZ和σX的模拟峰值应力分别约为1.09fy和0.47fy.由图11可知，在焊缝中间段，顶板上、下表面纵、横向残余应力测试值在计算值上下浮动，但两者最大偏差不超过28 MPa.顶板下表面的σZ约为上表面的2倍，σX差别则不明显.综上可知，本文所提出的顶板-纵肋焊接残余应力分布模型模拟结果与实际测试数据吻合较好.(a)σZ(b) σX图10 路径P1和P4上残余应力分布曲线(a)σZ(b) σX图11 路径P2和P5上残余应力分布曲线3.2 钢材强度影响我国现行钢结构设计规范没有给出关于钢桥面板焊接残余应力分布规律的分布模型.本文通过将Q370qE钢桥面板焊接细节残余应力分布模型与现有文献中Q235A[8]，Q345[9]钢材残余应力试验结果进行对比分析，发现Q370qE钢材在P4路径上的纵向残余应力与其他钢材差距较大.图12给出了3种不同钢材纵向残余应力分布模型对比.图中，W为1/2U肋所对应顶板的长度；bw为顶板焊缝宽度.由图可知，本文建立的残余应力模型更为精细，与Q235A，Q345钢材相比，焊缝附近的应力峰值和应力梯度更大，远离焊接区域的压应力值更小.其σZ的拉应力峰值为1.09fy，压应力值为0.11 fy, 焊接影响区从0.306W或0.21W缩小到3bw.纵向残余应力峰值在焊缝中心达到最大值，超过370 MPa.究其原因在于，文献中Q370qE 钢材的屈服强度默认为370 MPa，但实际上370 MPa仅仅为钢材的屈服强度下限值.Q345钢材残余应力峰值较小的原因在于，其测试方法为切条法，所测应变实际上是切条宽度以内残余应变的平均值，而不是测点真实的残余应变.因此，采用本文提出纵向残余应力的分布模型更适合Q370qE级桥梁钢，且钻孔应变法能更为真实地反应测点的残余应力大小.图12 不同材质钢桥面板顶板-纵肋焊接细节纵向焊接残余应力分布模型对比4 结论1)采用钻孔应变法测量Q370qE钢桥面板顶板-纵肋典型焊接细节试件的残余应力，得到顶板纵向、横向残余应力分布情况.结果表明，顶板下表面σZ约为上表面的2倍，而σX差别不明显.顶板上、下表面垂直于焊缝方向的σZ分别约为0.37fy～0.52fy和1.09fy，平行于焊缝方向的σZ分别约为0.47fy和0.96fy；顶板上、下表面垂直于焊缝方向的σX约为0.45fy，平行于焊缝方向的σX约为0.42fy.2)模拟结果与试验数据吻合度较好，前者还包含试验无法采集到的顶板下表面测点的残余应力分布数据，由此证明了该模拟方法的可行性.焊接残余应力大小随焊缝焊接先后而改变.先焊焊缝对后焊焊缝的预热作用会使后焊的焊缝顶板上表面的σZ 减小而σX增大，下表面σZ增大而σX减小.3)基于试验结果和数值模拟，提出了更适合Q370qE钢的纵向残余应力模型，较Q235A，Q345钢材在焊缝附近具有更高的应力峰值和更大的应力梯度，而在远离焊接区域具有更小的压应力值.其σZ拉应力峰值为1.09fy，压应力值为0.11fy，焊接影响区从0.306W或0.21W缩小到3bw.参考文献 (References)【相关文献】[1] Hu N, Dai G L, Yan B, et al. 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焊接残余应力产生原因分析及消除方法

焊接残余应力产生原因分析及消除方法摘要：焊接应力即是在焊接结构时由于焊接而产生的内应力，它可以依据产生作用的时间被分为焊接瞬时应力和焊接残余应力。

所谓焊接瞬时应力是指在焊接的过程中某一个焊接瞬时产生的焊接应力，它是会跟着时间的变化而发生变化的，而在焊接之后，某一个受到焊接的焊件内还残留的焊接应力被称为焊接残余应力。

关键词：焊接残余应力；原因；消除方法1产生焊接残余应力的原因之所以会产生焊接残余应力，主要是由于焊件在焊接的过程中所受到的加热是不均匀的。

按照焊接残余应力的发生来源，可将焊接残余应力分为直接应力、间接应力和组织应力三种。

（1）直接的焊接应力是焊接残余应力所产生的最主要的原因，它是受到不均匀的加热和冷却之后所产生的，根据加热和冷却时的温度梯度而发生变化。

（2）间接的焊接应力则是焊件由于焊前的加工状况造成的应力。

焊件在受到轧制和拉拔时会产生一定的残余应力。

间接的残余应力如果在某一种场合下叠加到焊接的残余应力上去，焊件受到焊接发生变形，也会将其影响附加到焊接残余应力上去。

而且，焊件一旦受到外来的某一种约束，产生相应的附加应力，也属于间接应力的范畴。

（3）组织应力也就是由相变造成的比容变化而产生的应力，它的产生是由于焊件的组织发生了变化。

虽说组织应力会由于含碳量和材料其他成分的不同而产生差异，但我们一般都会将其所产生的影响进行分析研究。

2焊接残余应力控制方法2.1焊接结构焊接是产生焊接残余应力的根本原因，减少焊缝数量和尺寸能有效减少焊接量，通过控制焊接量可有效减少应力。

在同等焊接强度下，焊缝尺寸较小的，其焊接残余应力较小。

应尽量避免多条焊缝在同一部位集中，焊缝距离过近时，焊缝间会产生耦合，形成复杂残余应力场，焊缝间距离一般应大于3倍板厚且不小于100mm。

应尽量采用刚度较小的焊接接头形式，其结构拘束度小，能够通过变形释放焊接应力，残余应力较小。

2.2焊接工艺结构组件拆分、焊前预热、焊接参数设置、焊接顺序等对焊接应力影响较大。

钢桥面板顶板与U肋接头焊接残余应力分析

钢桥面板顶板与U肋接头焊接残余应力分析吉伯海;李坤坤;傅中秋【摘要】对钢桥面板顶板与U肋接头焊接残余应力进行分析.采用热-结构直接耦合方法,分析了构件焊接温度场及应力场,得到构件中心截面母板纵向、母板横向、U肋纵向及焊缝中心竖向的残余应力分布曲线.结果表明:母板及U肋近焊缝区存在较大的残余拉应力,残余拉应力峰值接近材料屈服强度;自焊缝中心往外,残余拉应力值下降并转变为压应力;热影响区之外,母板及U肋纵向残余应力主要表现为压应力,并向两端缓慢下降;母板横向残余应力主要表现为拉应力,近焊缝区存在应力突变;沿焊缝竖向纵、横向应力变化趋势基本相同.【期刊名称】《江南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(014)002【总页数】5页(P197-201)【关键词】钢桥面板;顶板与U肋接头;焊接残余应力;热循环曲线;应力场【作者】吉伯海;李坤坤;傅中秋【作者单位】河海大学土木与交通学院,江苏南京210098;河海大学土木与交通学院,江苏南京210098;河海大学土木与交通学院,江苏南京210098【正文语种】中文【中图分类】U441.5钢桥面板制造过程中大量采用焊接工艺，焊接过程的不均匀温度场以及由其引起的局部塑性变形不可避免地产生残余应力，焊接残余应力的存在直接影响到钢桥面板结构的承载能力及耐久性，特别是焊缝区域高的拉伸应力可能导致疲劳强度降低［1-2］。

近年来，国内外多座桥梁的钢桥面板出现疲劳损伤，且疲劳裂纹多出现在板件焊缝连接处，尤其在U形纵肋与桥面板的连接焊缝处，十分容易出现裂纹［3］。

因此，有必要定性或定量分析钢桥面板顶板与U肋接头焊接残余应力分布状态，以研究其对钢桥面板疲劳强度的影响。

20世纪90年代以来，国内外学者先后对日本多多罗大桥、国内苏通大桥做了钢主梁设计残余应力测试试验［4-5］，国内学者亦通过顺序耦合方法针对钢主梁U 肋加劲板焊接残余应力进行分析［6］，但数量有限的分析研究难以揭示钢桥面板焊接残余应力分布的普遍规律，且不十分完善。

板件厚度对钢桥面板顶板纵肋焊接残余应力的影响分析

板件厚度对钢桥面板顶板纵肋焊接残余应力的影响分析曹宝雅;丁幼亮【摘要】为考察板件厚度变化对正交异性钢桥面板顶板纵肋焊接残余应力的影响规律，采用 AN-SYS 有限元软件的生死单元技术和热结构耦合分析方法，对顶板纵肋焊接细节进行了数值模拟，得到其焊接残余应力分布，并重点分析了板件厚度变化对焊接残余应力的影响规律。

研究结果表明，横向残余应力在焊趾和焊根附近达到最大值，其数值约为材料屈服强度的2／3；纵向残余应力在焊缝中心处达到最大值，其数值已超过材料屈服点。

板件厚度变化对纵向残余应力影响不明显，对横向残余应力影响较大，当顶板件厚度由12 mm 增大到20 mm 时，横向残余应力最大值增加45％。

基于分析结果，建立了不同板件厚度的焊接残余应力统一分布模型，为顶板纵肋焊接残余应力的研究与设计提供参考。

%In order to study the influence rule of the plate thickness variation on the welding residual stress of the deck-rib of the orthotropic steel bridge,the element birth and death technology in the fi-nite element software ANSYS and the thermal-structure coupling analysis method are used to simulate the welding details of the deck-rib,and the distribution of the welding residual stress is obtained. The influence rule of the plate thickness variation on the residual stress is mainly analyzed.The re-sults show that the transverse residual stress reaches the maximum near the weld toe and the weld roof,and the corresponding value is about two-thirds of the material yield strength.The longitudinal residual stress reaches the maximum in the weld center,and the corresponding value is larger than the material yield strength.The plate thickness variation has little effect on the longitudinal residual stress,butlarge effect on the transverse residual stress.The maximum transverse residual stress in-creases by 45% when the thickness of the top plate increases from 12 to 20 mm.According to these results,the unified distribution model for the welding residual stress with different plate thicknesses is established,providing a reference for research and design of the welding residual stress.【期刊名称】《东南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(018)003【总页数】7页(P565-571)【关键词】钢桥;焊接残余应力;疲劳;板件厚度;顶板;纵肋;统一分布模型【作者】曹宝雅;丁幼亮【作者单位】东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京210096;东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京 210096【正文语种】中文【中图分类】TU318;U442正交异性钢桥面板顶板-纵肋焊接细节存在复杂的焊接残余应力场,可能会引起结构疲劳强度及稳定极限承载力的降低.目前,工程上主要通过增加板件厚度来降低车辆荷载下的应力,从而提高钢桥的疲劳和稳定性能.但板件厚度的增加会对钢桥产生较大的约束刚度,可能会增大焊接细节残余应力值,从而降低焊接细节的疲劳强度和稳定承载力.因此,板件厚度的增加对钢桥疲劳和稳定性能的影响尚不明确,考察钢桥面板顶板-纵肋焊接残余应力随板件厚度的变化规律,对研究钢桥疲劳和稳定承载性能具有重要意义.焊接模拟需要考虑不同温度下材料、几何及状态的非线性特性.国内外学者对此进行了大量研究. Mitra等[1]对800 mm厚钢埋弧焊件的残余应力进行了评估;Lee 等[2-6]针对不同结构形式的焊接节点进行了数值模拟;赵秋等[7]分析了某一板件厚度下顶板纵肋焊接纵向残余应力的分布情况;邵珂夫[8]针对钢桥焊接细节不同接头形式,给出了焊接残余应力分布图.以上研究并未考虑板件厚度变化,或仅粗略分析了几种焊接接头的残余应力分布,关于钢桥面板焊接残余应力分布特征及其随板件厚度变化规律仍缺乏深入的研究.鉴于此,本文采用有限元软件ANSYS建立了不同板件厚度的钢桥顶板纵肋足尺模型,分析了横向及纵向焊接残余应力分布特征,研究了焊接残余应力随板件厚度的变化规律,给出了不同板件厚度的焊接残余应力分布统一模型,为顶板-纵肋焊接残余应力的研究与设计提供参考.1.1 有限元模型1.1.1 网格划分图1(a)为焊件截面图,图1(b)为焊缝细节图,纵肋与顶板间隙小于2 mm.图2为顶板纵肋有限元模型,其顶板厚度为16 mm,肋板厚度为8 mm.采用8节点实体单元,根据对称性,取一半进行建模,单元总数为59 526,节点总数为63 412.焊缝区应力变化较大,采用较细密网格(见图2(a)),网格尺寸最小为0.5 mm;远离焊缝区则采用较稀疏网格,网格尺寸最大为8 mm.1.1.2 位移边界条件有限元模型坐标系设置如图2(b)所示:坐标原点位于顶板左上角,宽度方向为X方向(横向),纵肋截面高度方向为Y方向(肋高方向),沿焊缝方向为Z方向(纵向).焊接残余应力数值模拟的位移边界条件要求如下:① 不产生刚体位移;② 不严重阻碍焊接过程中的自由变形.如图2(b)所示,在顶板和纵肋对称中心线处施加对称约束,顶板左右两侧施加Y方向约束,顶板横截面一侧施加Z方向约束.1.1.3 材料热物理与力学参数表1给出了顶板、纵肋所用材料Q345钢的热物理与力学参数[9-10].焊条选用E50型,其热物理、力学参数与Q345钢相同.1.1.4 温度场模拟构件初始温度为20 ℃,于外表面施加对流换热边界条件.采用生死单元模拟焊料填充过程.计算开始前,将焊缝所有单元“杀死”;计算过程中,按顺序将被“杀死”的单元“激活”,模拟焊缝金属的填充.以向焊缝单元施加生热率的方法模拟焊接热源,生热率计算公式如下:式中,G为生热率;Q为焊接电弧的有效功率;A为焊缝的横截面积;v为焊接速度.温度场模拟采用SOLID70单元,焊件长度为500 mm,焊接速度为10 mm/s,50 s 完成焊接,2 500 s冷却至室温.1.1.5 应力场模拟焊接过程中温度场和应力场相互耦合,焊接温度场决定了结构分析的应力场,而焊接应力场对温度场影响较小.因此,采用热-应力顺序耦合法,即通过热分析求得温度场,然后将热分析结果作为体载荷施加到节点上,进行结构分析.应力场模拟采用SOLID185单元.1.2 焊接残余应力分析1.2.1 纵向分布图3为顶板焊接残余应力沿纵向分布图.图中,左侧焊趾、右侧焊根位置参照图2(a);z为节点的Z方向坐标值.由图可知:① 横向和纵向残余应力变化趋势相同,曲线在中间段呈现一段长平台,在离焊缝始、末端0.03 m处迅速下降,说明焊接长度对残余应力影响不大.在实际工程中,一段纵肋长度约为3 m,远大于0.03 m,因此可忽略两端边界条件的影响,取沿焊缝方向中段横截面(本文取z=0.25 m处横截面)的残余应力进行研究.② 横向残余应力在焊趾处达到最大值200 MPa;纵向残余应力在焊缝中心处达到最大值400 MPa,纵向残余应力约为横向的2倍.1.2.2 横向分布图4为顶板焊接残余应力沿横向分布曲线.图中,x为节点的X方向坐标值.由图4(a)可知:① 顶板横向残余应力离焊缝越近,应力值越大.② 焊缝区顶板上、下表面为拉应力,顶板中线为压应力.③ 焊缝侧顶板表面的横向残余应力值最大,曲线包含2个峰值点,分别位于焊趾和焊根处,最大值约150 MPa.由图4(b)可知:① 顶板纵向残余应力在中心区域为拉应力,两边为压应力,离焊缝越近,拉应力越大.② 纵向残余应力由焊缝侧到焊缝外侧依次递减.③ 纵向残余应力在焊缝中心达到最大值,约为375 MPa,已超过材料屈服点;究其原因在于,本文采用的本构模型为双线性等向强化(BISO),考虑了材料的应变硬化.1.2.3 肋高方向分布图5为纵肋焊接残余应力沿肋高方向的分布曲线.图中,yL为纵肋上节点沿板件到焊缝中心的距离.由图可知:① 横向、纵向残余应力均在焊缝附近达到最大值,分别约为140和370 MPa,均小于顶板相应残余应力最大值.② 在焊缝附近,残余应力值从纵肋外侧到内侧依次递减;随着与焊缝距离的增加,残余应力值迅速减小.③ 纵肋末端内、外侧表面存在约25 MPa的横向残余应力,这是因为末端存在约束,而焊接会使钢板产生一定变形,从而在纵肋末端形成约束应力.1.3 试验验证数值模拟结果与文献[7]的试验结果对比见图6.图中,顶板理论计算值采用的是图4(b)中3条曲线的平均值,纵肋理论计算值采用的是图5(b)中的纵肋中线值.数值模拟与试验采用相同的结构和焊接形式,但模型尺寸不同.本文中数值模型根据大胜关大桥实际尺寸建立,而文献[7]采用的是顶板厚度8 mm、肋板厚度4 mm的缩尺模型,所提模型中的板件厚度为文献[7]中试验模型板件厚度的1.5倍.由图6可知:① 数值模拟结果与试验结果变化规律一致,即纵向残余应力在焊缝附近为拉应力,在远离焊缝区为压应力.② 由于试验与数值模型尺寸不同,顶板远离焊缝区的残余应力理论计算值大于试验值.数值模拟结果与试验结果吻合较好,试验点围绕在理论计算值附近,说明本文数值模拟结果可靠.由1.2节分析可知,焊缝侧顶板表面的残余应力值最大,分析时最不利,因此本节分析中取焊缝侧顶板表面的残余应力.纵肋残余应力最大值略小于顶板残余应力最大值,因此本节只对顶板残余应力进行分析.以下为表达方便,将顶板和肋板分别简记为D和L,板件D12L6表示顶板厚度为12 mm、肋板厚度为6 mm的板件,其余以此类推.2.1 顶板厚度变化的影响当肋板厚度固定为8 mm,仅顶板厚度变化时,焊接残余应力沿横向分布曲线如图7所示.由图7(a)可知:① 不同顶板厚度的横向残余应力变化规律相同,沿横向均为拉应力,曲线有2个峰值点,分别位于焊趾和焊根附近,峰值应力为230 MPa,约为材料屈服应力的2/3.因此,进行顶板纵肋焊接细节疲劳分析时,应着重分析顶板表面焊趾、焊根处是否会发生疲劳损伤.② 焊缝中心处应力值约为焊趾处的1/2.③ 板件D20L8与板件D12L8的峰值应力相差72 MPa.④ 在远离焊缝区,应力值随板件厚度的增加而减小;在焊缝区,应力值随板件厚度的增加而增大.由图7(b)可知:① 不同顶板厚度的纵向残余应力变化规律相同,纵向残余应力在焊缝侧顶板表面的焊缝中心处达到最大值390 MPa,已超过材料屈服点,焊缝区高值残余拉应力的存在可能会降低构件稳定极限承载力,应引起注意.② 板件D20L8与板件D12L8的峰值应力相差19 MPa.③ 纵向残余应力随顶板厚度的增加而增大.2.2 纵肋厚度变化的影响当顶板厚度固定为16 mm,仅纵肋厚度变化时,焊接残余应力沿横向分布曲线见图8. 由图8(a)可知:① 不同肋板厚度的横向残余应力变化规律相同. ② 板件D16L8与板件D16L6峰值应力仅相差7 MPa.③ 沿顶板表面,应力值随肋板厚度的增加而增加.由图8(b)可知:① 不同顶板厚度的纵向残余应力变化规律相同.② 板件D16L8与板件D16L6峰值应力仅相差1 MPa.③ 在远离焊缝区,应力值随肋板厚度的增加而减小;在焊缝区,应力值随肋板厚度的增加而增大.当肋板厚度分别取6和8 mm时,焊接残余应力最大值随顶板厚度变化的拟合曲线见图9.拟合方程如下:式中,h1表示顶板厚度L8分别表示肋板厚度为6,8 mm时的横向残余应力最大值L8分别表示肋板厚度为6,8 mm时的纵向残余应力最大值.由图9(a)可知: ① 肋板厚度固定时,横向残余应力最大值随顶板厚度的增加而增大;当肋厚为8 mm,顶板厚度由12 mm增大到20 mm时,横向残余应力最大值增大72 MPa,即增大约45%.② 顶板厚度固定时,横向残余应力最大值随肋板厚度的增加而增大;当顶板厚度为20 mm,肋板厚度由6 mm增大到8 mm时,横向残余应力最大值增大16 MPa,即增大约8%.③ 顶板厚度的增加会显著增大焊接细节的横向残余应力,但由于顶板厚度的增加会降低车辆荷载下的应力,因此板件厚度增加对疲劳性能的影响需要进一步研究.由图9(b)可知:① 肋板厚度固定时,纵向残余应力最大值随顶板厚度的增加而增大;当肋厚为8 mm,顶板厚度由12 mm增大到20 mm时,横向残余应力最大值增大19 MPa,即增大约5%.② 顶板厚度固定时,随肋板厚度的增加,纵向残余应力最大值基本不变.③ 板件厚度的增加对纵向残余应力影响较小,但由于增加板件厚度会减小车辆荷载作用下的应力,因此增加板件厚度对桥梁稳定承载力分析是有利的.图10和图11分别为顶板纵肋横向、纵向焊接残余应力统一分布模型.图中,B为顶板宽度;bw顶板焊缝宽度;H为纵肋高度;hw为纵肋焊缝高度为截面横向残余拉应力最大值;σxt1为顶板焊缝中心处横向残余拉应力,且;σxt2为顶板远离焊缝区横向残余拉应力,且σxt2=15～50 MPa(顶板厚度为12 mm时取下限值,顶板厚度为20mm时取上限值,其间线性插值);σxc1为纵肋焊缝区横向残余压应力,此处σxc1=40 MPa;σxc2为纵肋翼缘横向残余压应力,此处σxc2=25 为截面纵向残余拉应力最大值;σzc1为顶板远离焊缝区纵向残余压应力,此处σzc1=25 MPa;σzc2为纵肋翼缘板纵向残余压应力,此处σzc2=20 MPa.焊接残余应力统一分布模型具有以下特点:① 横向残余应力曲线包含2个峰值点,分别位于顶板焊缝两侧焊趾、焊根附近2 mm范围内,模型近似认为位于焊趾、焊根处;两峰值相差不大,因此,统一模型认为两峰值相等,都为应力最大值.② 纵向残余应力在焊缝中心达到最大值.③ 纵肋上,横向与纵向焊接残余应力峰值点均位于纵肋焊缝端部,其数值略小于顶板残余应力最大值;此处取纵肋与顶板残余应力最大值相等.④ 对于远离焊缝区数值较小的残余应力,只给出了近似值或分布范围.⑤ 统一分布模型适用于材料为Q345钢、肋板厚度为6,8 mm、顶板厚度为12～20 mm的顶板-纵肋焊接残余应力计算,为钢桥面板顶板纵肋焊接细节的研究与设计提供参考.1) 横向残余应力在焊缝侧顶板表面焊趾、焊根处达到最大值230 MPa,约为材料屈服应力的2/3.因此,进行顶板纵肋焊接细节疲劳分析时,应着重分析顶板表面焊趾、焊根处是否会发生疲劳损伤.2) 纵向残余应力在焊缝侧顶板表面的焊缝中心处达到最大值390 MPa,已超过材料屈服点,焊缝区高值残余拉应力的存在可能会降低构件稳定极限承载力,应引起注意.3) 肋板厚度固定时,横向残余应力值随顶板厚度的增加而增加;当顶板厚度由12 mm增加到20 mm时,横向残余应力最大值增加约45%.顶板厚度固定时,横向残余应力值随肋板厚度的增加而增大;当顶板厚度由6 mm增加到8 mm时,横向残余应力最大值增大约8%.因此,顶板厚度的增加会显著增大焊接细节的横向残余应力,但由于顶板厚度的增加会降低车辆荷载下的应力,因此板件厚度增加对疲劳性能的影响需要进一步研究.4) 肋板厚度固定时,纵向残余应力值随顶板厚度的增加而增加;当顶板件厚度由12mm增大到20 mm时,纵向残余应力最大值增大约5%.顶板厚度固定时,随肋板厚度的增加纵向残余应力基本不变.板件厚度改变对纵向残余应力影响较小,但由于增加板件厚度会减小车辆荷载作用下的应力,因此增加板件厚度对桥梁稳定承载力分析是有利的.5) 统一分布模型适用于材料为Q345钢、肋板厚度为6,8 mm、顶板厚度为12～20 mm的顶板-纵肋焊接残余应力计算,为钢桥面板顶板纵肋焊接细节的研究与设计提供参考.【相关文献】[1]Mitra A, Siva Prasad N, Janaki Ram G D. 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