钢箱梁桥面板焊接残余应力及疲劳性能研究

2020-04-02范和平

科学技术创新 2020年4期

范和平

（忠县畅达建设投资有限公司，重庆404300）

钢箱梁桥面板采用垂直交叉的纵肋及横肋共同组成结构受力体系，由于其承载能力优异且易于工厂装配加工，因此在桥梁建设领域迅速推广。不同形状的钢制板件需要进行焊接拼装，焊缝及周围母材将会产生分布各异的残余应力场[1]。焊接残余应力的存在将会降低桥面板使用过程中的性能[2]，如降低焊缝接头的使用强度、结构的稳定性，加速钢桥面板在行车疲劳荷载作用下出现疲劳裂纹的速率等。

国内外科研人员对桥面板焊缝接头裂纹进行了大量的研究[3]。Wolchuk 通过试验研究，指出了桥面板焊缝接头的高峰值残余应力导致了疲劳裂纹的开裂。余波[4]对U 肋焊缝开展了相关试验研究，指出裂缝主要在焊缝位置开裂，焊缝处高等级的残余应力值与疲劳寿命存在直接关系。数值模拟在保证数据精度的基础上进一步增加了对全截面位置点的可测性，通过开展桥面板的有限元建模，降低试验成本基础并为桥面板焊接成型及后期使用寿命提供依据。本文通过建立桥面板模型，实现了桥面板典型U 肋接头的焊接过程。通过加载标准疲劳车，进一步获得了基于残余应力的桥面板疲劳寿命。

1 焊接残余应力的理论基础

焊接过程中高密度的能量输入使得热源接头产生瞬时高温，焊剂及附近母材熔化。桥面板局部加热，使得焊缝接头产生了巨大的温度梯度，接头位置收到临近母材的约束，膨胀受到制约。焊缝冷却过程中，同样因降温收缩受母材抑制。焊接过程结束后，接头内部产生了较高等级的残余应力分布。

瞬时热源加载结束后，将温度场作为初荷载重新读入，完成热- 力耦合过程。为减少应力场求解难度，本文作出了以下几点简化：(1)母板及填充材料服从Mises 屈服准则;(2)焊道填充材料与母板均为Q345 桥梁钢；(3) 忽略熔池内液态金属的自重及表面张力；(4)应力、应变短时间内呈线性改变。

2 钢桥面板U 肋残余应力场

钢桥面板典型U 肋模型沿垂向为对称结构，为降低模型计算量，取一半进行建模分析，垂向施加对称约束。

温度场的仿真过程:

模型中焊缝长度取300mm，焊接速度设置为6mm/s。为表示电弧焊熔池形状，热源选择双椭球热源模型。热源前进通过生死单元实现。环境温度取20℃。

通过U 肋温度场分布云图可知，焊接过程中焊道达到了材料熔点，并能有效的满布填充焊道。热源形状呈前段大后端小的椭球状，热源前段温度梯度远大于热源尾端。观察图1 纵肋及顶板温度场分布，可以看到焊接过程中热源的影响区域(宽度)有限。热源加载过程中，热源分布及温度峰值较为稳定，最大值不超过1650℃。较为稳定的熔池形状侧面反映了热源加载的合理性。

图1 热源加载至25s 时瞬时温度场

图2 50s 时Mises等效应力

模型应力场计算时，读入温度场荷载。边界约束为：顶板施加竖向(Y 向)约束用以模拟支架的支持，对称截面施加对称约束，沿焊缝方向施加Z 向平行约束。选择焊接结束时刻50s 对应Mises 应力，截取残余应力如图2 所示。

图3 表示U 肋中截面上表面路径节点残余应力分布。焊缝中心线拉应力最大值不超过388.7 MPa，纵向拉应力主要分布在焊缝中心线周围15mm 范围内。距离中心线23mm 压应力最大值为-132.3MPa。根据图中应力分布可以明确的看到U 肋焊缝接头存在较高等级的拉应力，这将成为降低U 肋疲劳寿命的限制性因素。

3 残余应力对桥面板疲劳性能的影响

钢桥面板疲劳裂纹的产生主要有两方面组成。长时间的循环行车荷载对纵肋及桥面板产生交大的拉应力作用，产生的面外变形及次弯矩加重了裂纹的扩展；焊缝节点处存留的焊接残余应力拉应力值较大。二者联合作用下，高应力节点长时间作用使得钢桥面板产生疲劳裂纹。根据已有桥面板残余应力计算结果通过标准车加载，得到了桥面板的疲劳使用寿命。