杜柏松,許振波,周文靜,鐘志權(quán)
(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,重慶 400074)
正交異性鋼橋面板因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于大跨徑斜拉橋和懸索橋中[1],成為不可替代的承力構(gòu)件。正交異性鋼橋面板在焊接過程中,焊縫區(qū)域會(huì)產(chǎn)生高幅值殘余應(yīng)力[2],使得焊縫區(qū)域抗疲勞性能較弱。高頻、重載行車作用下,橫隔板弧形切口處極易產(chǎn)生疲勞裂紋[3],影響橋梁正常使用性能并降低使用壽命??v肋與橫隔板焊接處的疲勞問題引起了研究者的關(guān)注[4],研究橫隔板弧形切口焊接殘余應(yīng)力的分布特性,對(duì)保障橋梁的長期正常運(yùn)營有重要意義。
目前國內(nèi)外的理論與試驗(yàn),往往集中在對(duì)頂板-縱肋焊接殘余應(yīng)力的研究[5-6],缺乏對(duì)橫隔板弧形切口焊接殘余應(yīng)力的研究。Y.GU等[7]用盲孔法對(duì)正交異性鋼橋面板進(jìn)行測(cè)試,得到焊接殘余應(yīng)力在構(gòu)件表面的分布形式;趙秋等[8]選取蘇通大橋節(jié)段鋼箱梁為研究對(duì)象,分析頂板-縱肋焊接殘余應(yīng)力,討論了縱肋及頂板幾何尺寸對(duì)殘余應(yīng)力的影響,得到了殘余應(yīng)力分布簡化圖。基于有限元法的數(shù)值計(jì)算,求解正交異性鋼橋面板連接焊縫處殘余應(yīng)力的方式已日趨成熟,崔闖等[9]以港珠澳大橋?yàn)檠芯繉?duì)象,采用數(shù)值模擬方法,研究參數(shù)變化對(duì)殘余應(yīng)力分布及數(shù)值的影響,得到殘余應(yīng)力分布經(jīng)驗(yàn)公式。
目前,研究者分析鋼橋面板焊接過程時(shí),通常忽略頂板下表面過焊孔及橫隔板弧形切口開孔對(duì)頂板-縱肋-橫隔板焊接殘余應(yīng)力的影響。筆者采用熱結(jié)構(gòu)順序耦合法,對(duì)頂板、縱肋、橫隔板參數(shù)化建模,進(jìn)行焊接溫度場(chǎng)和焊接殘余應(yīng)力數(shù)值模擬,以期得到橫隔板弧形切口焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律,為工程應(yīng)用提供借鑒意義。
鋼橋面板沿豎向成軸對(duì)稱,選擇對(duì)稱面建立1/2大小U肋實(shí)尺模型,頂板-縱肋-橫隔板結(jié)構(gòu)尺寸如圖1(a)。頂板縱向長度為200 mm,寬度為300 mm,厚度為12 mm;肋板上部寬為150 mm,下部寬為85 mm,肋板高度為280 mm,肋板厚度為8 mm,內(nèi)部圓曲線半徑分別為30、40 mm;橫隔板高度為450 mm,寬度為300 mm,厚度分別取8、10、12 mm,橫隔板與縱肋肋連接處弧形切口半徑為20 mm、倒角半徑為50 mm;3條焊縫交接處過焊孔半徑分別取15、20、25 mm;頂板與縱肋采用角焊縫連接,拼裝間隙為1 mm,焊趾高度為8 mm,熔透深度為6.8 mm(熔透率為85%),焊接坡口為60°;頂板與橫隔板采用直角焊縫連接,為保證熔透率達(dá)到80%又不致使焊件熔穿,焊接半徑為橫隔板厚度的0.8倍;縱肋與橫隔板采用角焊縫連接,焊接半徑為縱肋厚度的0.8倍。焊縫尺寸參照文獻(xiàn)[10]。
鋼橋U肋模型有限元網(wǎng)格劃分如圖1(b),為加速有限元模型的求解速度并兼顧“熱點(diǎn)”區(qū)域的計(jì)算精度,圖1(b)中頂板-縱肋、頂板-橫隔板及縱肋-橫隔板位置連接焊縫及相鄰母材區(qū)的網(wǎng)格密度較大,單元網(wǎng)格尺寸最大值不超過2 mm,結(jié)構(gòu)剩余區(qū)域網(wǎng)格密度較小。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),焊縫區(qū)網(wǎng)格增加1倍,焊縫區(qū)殘余應(yīng)力計(jì)算結(jié)果的變化在5%以內(nèi),表明鋼橋面板焊接有限元模型網(wǎng)格劃分精度已經(jīng)滿足計(jì)算要求,無需加密網(wǎng)格。
圖1 1/2鋼橋U肋模型及對(duì)應(yīng)有限元網(wǎng)格劃分Fig. 1 U rib model of 1/2 steel bridge and the corresponding finiteelement mesh division
研究對(duì)象為Q345qD材質(zhì)的正交異性鋼橋面板,假設(shè)焊縫填料與母材相同,焊接加熱過程中材料性能隨溫度升降實(shí)時(shí)變化。鋼板選用Q345qD材料,材料屬性參數(shù)如圖2,不同溫度區(qū)間內(nèi)熱學(xué)和力學(xué)性能參數(shù)取值參考文獻(xiàn)[11]。
圖2 Q345qD材料參數(shù)隨溫度變化曲線Fig. 2 Variation curve of Q345qD material parameters changing withtemperature
1.3.1 溫度荷載及熱源方程
頂板-縱肋、頂板-橫隔板及縱肋-橫隔板通過焊縫施焊連接。為實(shí)現(xiàn)焊縫的有限元模擬,選擇ANSYS瞬態(tài)熱分析模塊,依次對(duì)焊縫單元施加瞬時(shí)雙橢球熱源[12],前、后半球熱流密度如式(1)、式(2)。焊縫金屬升溫膨脹、冷卻收縮受周圍板材的約束,無法實(shí)現(xiàn)形變自由,焊縫及近縫區(qū)產(chǎn)生塑性累積并形成高峰值應(yīng)力區(qū)。
(1)
(2)
式中:qf,qr分別為雙橢球熱源前、后半球熱流密度;l為熔池寬度;k為征熔池深度;n1、n2分別為橢球前后半部分長度參數(shù);rf、rr為前后半球能量系數(shù),且rf+rr=2;v為焊接速度;t為焊接加熱所需時(shí)間;x、y、z為熱源空間坐標(biāo)系的位置;P=ηUI,η為熱量效率,U為電壓,I為電流。
1.3.2 邊界條件
焊接溫度場(chǎng)溫度邊界設(shè)置為:除焊縫外,結(jié)構(gòu)與空氣接觸的區(qū)域均為散熱面,邊界外表面散熱系數(shù)為35 W/(m2·K)。
模型力學(xué)外邊界設(shè)置為:施加位移邊界約束時(shí),既保證結(jié)構(gòu)在熱源加載過程中不產(chǎn)生剛體位移,又可實(shí)現(xiàn)焊縫及近縫區(qū)母材自由變形。在縱肋內(nèi)側(cè)及頂板中部對(duì)稱截面施加對(duì)稱約束;順橋延伸為Y方向,頂板厚度方向?yàn)閆向,頂板四周外端點(diǎn)分別約束Y、Z向;橫隔板下端邊界設(shè)置順橋Y向位移約束。
鋼橋U肋焊接屬于典型的熱-力耦合過程。U肋不同焊縫焊接過程溫度場(chǎng)如圖3,根據(jù)正交異性板加工成型工藝,依次對(duì)頂板-縱肋圖〔3(a)〕、頂板-橫隔板〔圖3(b)〕、縱肋-橫隔板角焊縫〔圖3(c)〕順次施焊。焊縫加熱過程中,焊道內(nèi)溫度滿足材料熔點(diǎn) 1 400 ℃ 要求,并且焊縫內(nèi)熔池形狀滿布于對(duì)應(yīng)焊縫橫截面。各加熱瞬時(shí)溫度場(chǎng)云圖均滿足雙橢球狀分布,電弧能量的持續(xù)輸入使得熱源前端呈寬、鈍狀,尾部因能量散失呈窄、尖狀。3條焊縫相交位置受已有焊縫溫度場(chǎng)干擾,使末位縱肋-橫隔板焊縫散熱受限,冷卻階段過焊孔位置將出現(xiàn)溫度場(chǎng)梯度極值點(diǎn)。
圖3 焊接過程溫度場(chǎng)Fig. 3 Temperature field in welding process
鋼橋面板瞬時(shí)應(yīng)力及冷卻后殘余應(yīng)力服從Von-Mises屈服準(zhǔn)則。U肋不同焊縫的瞬時(shí)應(yīng)力及冷卻后焊接殘余應(yīng)力云圖如圖4。頂板-縱肋焊縫加熱過程主要使頂板內(nèi)應(yīng)力發(fā)生改變?nèi)鐖D4(a);頂板-橫隔板焊縫內(nèi)熱源加載后,頂板上表面已有應(yīng)力場(chǎng)分布發(fā)生改變?nèi)鐖D4(b);縱肋-橫隔板焊縫內(nèi)熱源行進(jìn)至73 s時(shí),頂板、橫隔板及部分縱肋經(jīng)施焊已連接成正交異形板,其內(nèi)部瞬時(shí)應(yīng)力仍隨焊接進(jìn)程實(shí)時(shí)變化如圖4(c);圖4(d)顯示正交異形板已冷卻至室溫,結(jié)構(gòu)內(nèi)部焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)趨于穩(wěn)定。由冷卻結(jié)束后〔圖4(d)〕殘余應(yīng)力場(chǎng)得到:焊縫起、收弧端等效應(yīng)力大于焊縫中部,近縫區(qū)應(yīng)力值大于焊縫區(qū)及母板區(qū)。
圖4 焊接瞬時(shí)應(yīng)力及冷卻后殘余應(yīng)力Fig. 4 Welding instantaneous stress and residual stress after cooling
頂板-橫隔板及縱肋-橫隔板連接焊縫實(shí)測(cè)值與有限元數(shù)值解對(duì)比如圖5,根據(jù)數(shù)值對(duì)比,驗(yàn)證模型熱-力耦合下焊接過程所得殘余應(yīng)力解的準(zhǔn)確性。為精簡表示3條焊縫,作出以下定義:頂板與縱肋焊縫為焊縫A、頂板與橫隔板焊縫為焊縫B、縱肋與橫隔板斜焊縫為焊縫C;焊接順序首先是焊縫A,其次是焊縫B,最后是焊縫C;以焊縫C為例,移動(dòng)熱源依次途經(jīng)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)C1-1,C1-2,…,C1-6。
參考文獻(xiàn)[13]盲孔法實(shí)測(cè)焊縫殘余應(yīng)力,沿焊縫B、C長度方向各設(shè)置6個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn),由起弧端開始每隔30 mm布置1個(gè)應(yīng)變實(shí)測(cè)點(diǎn),分別為B1-1~ B1-6,C1-1~C1-6,如圖5(a)。測(cè)點(diǎn)C1-1,C1-2在焊接加熱過程中損壞,剩余點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與數(shù)值解對(duì)比如圖5(b)。由圖5(b)可知:實(shí)測(cè)值分布于數(shù)值解兩側(cè),大小相近且分布趨勢(shì)相同。焊縫中部溫度場(chǎng)穩(wěn)定,殘余應(yīng)力值差異小,有限元計(jì)算值與應(yīng)變片實(shí)測(cè)值差值幅度變化不超過10%,表明基于熱彈塑性原理求解得到的鋼橋面板焊接殘余應(yīng)力可反映焊接殘余應(yīng)力的分布特性,且滿足實(shí)測(cè)要求。
圖5 應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)分布、實(shí)測(cè)值與數(shù)值解對(duì)比Fig. 5 Distribution of strain gauge measuring points, comparisonbetween measured values and numerical solutions
為了清楚表示焊接殘余應(yīng)力在焊件不同部位的分布,定義6條應(yīng)力參考路徑(圖6):①路徑P1:由焊縫C起弧端焊趾至熄弧端焊趾,長度為184 mm;②路徑P2:弧形切口邊緣,長度為31 mm;③路徑P3:焊縫C焊根至橫隔板外邊緣,長度為144 mm;④路徑P4:過焊孔處焊縫C焊根沿縱肋厚度方向,長度為8 mm;⑤路徑P5:焊縫C過焊孔焊根,沿橫隔板厚度方向,長度為橫隔板厚度加橫隔板兩側(cè)焊縫寬度之和;⑥路徑P6:焊縫B過焊孔焊根,沿橫隔板厚度方向,長度同P5。
將路徑P2等分成10 份,共11個(gè)測(cè)點(diǎn),每個(gè)測(cè)點(diǎn)沿弧形切口邊緣的切向應(yīng)力,由X向和Z向應(yīng)力經(jīng)過正交分解得到,兩個(gè)相鄰測(cè)點(diǎn)間夾角均為18°。
圖6 應(yīng)力參考路徑示意Fig. 6 Schematic diagram of stress reference path
角焊縫(焊縫A)產(chǎn)生的初始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)斜焊縫(焊縫C)的殘余應(yīng)力有較大的影響。路徑P1殘余應(yīng)力分布如圖7,圖中“焊縫A-B-C”表示焊縫A、B、C共同作用下的殘余應(yīng)力;“焊縫B-C”表示焊縫B、C共同作用下的殘余應(yīng)力;“焊縫A”表示焊縫A單獨(dú)作用下的殘余應(yīng)力;存在橫向殘余應(yīng)力(圖中簡稱橫向)和縱向殘余應(yīng)力(圖中簡稱縱向)。由圖7可知:沿路徑P1方向,在起弧段20 mm范圍內(nèi),僅考慮焊縫A(頂板-縱肋焊縫)焊接過程,焊縫A的縱、橫向殘余應(yīng)力與平板對(duì)接焊殘余應(yīng)力分布形式相似;而考慮焊縫B、C共同焊接作用后,參考路徑P1焊接殘余應(yīng)力分布特性變化較大。在起弧段20 mm范圍內(nèi),焊縫A、B、C共同作用產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力大于焊縫B、C共同作用下產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力,兩者最大值相差150 MPa。隨著距初始角焊縫距離增大,焊縫A、B、C共同作用下產(chǎn)生的縱、橫向殘余應(yīng)力與焊縫B、焊縫C共同作用產(chǎn)生的縱、橫向殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)一致、數(shù)值相差較小。這是由于受焊縫A 施焊影響,路徑P1起弧段產(chǎn)生較大的縱向壓縮塑性變形,橫向壓縮塑性變形受到橫隔板產(chǎn)生的橫向剛度抑制,當(dāng)焊縫C焊接加熱時(shí),起弧段再次縱向熱脹變形與先前的壓縮變形兩者相互抵消,使得冷卻后最終的縱向殘余變形減少,縱向殘余拉應(yīng)力降低。焊接冷卻過程中,焊縫A、B、C共同作用下的塑性變形比焊縫B、C共同作用下的塑性變形受到的抑制大,所以冷卻后最終的橫向殘余變形大,橫向殘余應(yīng)力大。隨著距頂板-縱肋角焊縫距離的增大,角焊縫產(chǎn)生的初始應(yīng)力影響逐漸減弱,由圖7可知:距焊縫C的起弧段30 mm后,頂板-縱肋角焊縫初始應(yīng)力對(duì)斜焊縫C殘余應(yīng)力無影響。
圖7 路徑P1殘余應(yīng)力比較Fig. 7 Comparison of residual stresses in path P1
沿縱肋厚度方向路徑P3的殘余應(yīng)務(wù)分布如圖8(a),橫隔板厚度方向路徑P5的殘余應(yīng)力分布如圖8(b)。由圖8可知:沿路徑P3,焊縫A、B、C共同作用產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力與焊縫B、C共同作用產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力相差較大,前者大于后者,在焊根處均表現(xiàn)為較大的拉應(yīng)力,相差150 MPa。兩者的縱向應(yīng)力相差較小,且隨著遠(yuǎn)離焊縫,縱、橫向拉應(yīng)力急劇降低。
沿路徑P5,焊縫A、B、C共同作用產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力與焊縫B、C共同作用產(chǎn)生的橫向殘余應(yīng)力相比差值較大。焊縫A、B、C共同作用產(chǎn)生的峰值橫向應(yīng)力位于焊縫內(nèi)部,最大值為365 MPa,已經(jīng)超過鋼材的屈服下限,橫隔板區(qū)域最小值接近0。焊縫B、C共同作用產(chǎn)生的橫向應(yīng)力小于焊縫A、B、C共同作用產(chǎn)生的橫向應(yīng)力,最大值為270 MPa。兩者的縱向應(yīng)力差別沒有橫向應(yīng)力差別明顯。忽略初始焊縫A會(huì)使得到的焊接殘余應(yīng)力偏小,因此鋼橋頂板-縱肋-橫隔板焊接數(shù)值模擬時(shí)不能忽略初始?xì)堄鄳?yīng)力的影響。
橫隔板兩側(cè)焊縫在現(xiàn)場(chǎng)通常采用人工施焊,為避免“仰焊”降低焊縫質(zhì)量,比較橫隔板兩側(cè)焊縫同時(shí)施焊與間接施焊兩種工況產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。以減小焊接殘余應(yīng)力為目的,提取弧形切口邊緣11個(gè)測(cè)點(diǎn)的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù),正交分解得到殘余應(yīng)力沿圓周切向的應(yīng)力值。橫隔板-縱肋的側(cè)視圖如圖9。
圖9 橫隔板-縱肋側(cè)視圖Fig. 9 Diaphragm-longitudinal ribbed side view
橫隔板弧形切口沿路徑P2切向應(yīng)力如圖10,由圖10可知:測(cè)點(diǎn)1~11弧形切口范圍內(nèi),切向應(yīng)力變化趨勢(shì)可擬合為余弦函數(shù)分布。在圖10中,弧形切口內(nèi)測(cè)點(diǎn)1為縱肋、橫隔板相交點(diǎn),測(cè)點(diǎn)6的法向與縱肋平行。以測(cè)點(diǎn)6 為中心,11個(gè)測(cè)點(diǎn)殘余應(yīng)力值呈非對(duì)稱分布,測(cè)點(diǎn)6 的殘余應(yīng)力值最大為365 MPa。比較兩條應(yīng)力擬合曲線可知:同時(shí)焊殘余應(yīng)力振幅大,間接焊殘余應(yīng)力振幅小。間接施焊對(duì)控制焊接質(zhì)量并降低殘余應(yīng)力有益,建議縱肋、橫隔板焊接連接工序采取間接法施焊。
圖10 路徑P2切向應(yīng)力Fig. 10 Tangential stress in path P2
橫隔板厚度改變對(duì)路徑P5、P6的縱、橫向殘余應(yīng)力影響如圖11。圖11中“P5-D8”為沿路徑P5對(duì)應(yīng)橫隔板厚度取8 mm時(shí)工況,“P6-D10”為沿路徑P6對(duì)應(yīng)橫隔板厚度取10 mm時(shí)的工況,以此類推。由圖11可知:橫隔板厚度越大,沿橫隔板厚度分布的路徑P5、P6殘余應(yīng)力越小,但橫隔板厚度改變對(duì)殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)無影響,對(duì)殘余應(yīng)力數(shù)值改變小。沿橫隔板厚度方向,焊趾處殘余應(yīng)力值大于焊根處殘余應(yīng)力值,路徑P6焊趾位置縱向殘余應(yīng)力最大值為348 MPa,殘余應(yīng)力值已超過材料屈服強(qiáng)度值。焊縫與頂板連接的厚度方向,殘余應(yīng)力變化差異大、應(yīng)力梯度明顯,交變荷載作用下焊根與橫隔板切面將成為裂紋萌生源。
圖11 橫隔板厚度改變對(duì)殘余應(yīng)力的影響Fig. 11 Influence of diaphragm thickness change on residual stress
橫隔板與頂板、縱肋連接位置橫截面內(nèi)過焊孔半徑分布位置R1,R2(R2>R1)如圖12,焊縫A外側(cè)通常設(shè)置弧形過焊孔,以減少移動(dòng)荷載作用下縱肋撓曲引起的橫隔板面外變形[14]。過焊孔焊趾殘余應(yīng)力與外加荷載共同作用下極易引發(fā)疲勞裂紋。頂板下表面過焊孔半徑增大,不僅可以減小橫隔板對(duì)縱肋變形的約束強(qiáng)度,還可減小焊趾殘余應(yīng)力值。
圖12 正交異性板橫截面Fig. 12 Cross section of orthotropic plate
圖13 過焊孔半徑對(duì)殘余應(yīng)力的影響Fig. 13 Influence of through weld hole radius on residual stress
過焊孔半徑改變對(duì)殘余應(yīng)力的影響如圖13,“縱向R=15”為過焊孔半徑取15 mm對(duì)應(yīng)縱向殘余應(yīng)力,同理“橫向R=20”為過焊孔半徑取20 mm時(shí)橫向殘余應(yīng)力值。由圖13可知:路徑P3起點(diǎn)過焊孔半徑越大,焊縫C起弧端焊趾位置殘余應(yīng)力值越小。R=15 mm時(shí),路徑P3橫向應(yīng)力先減小后增大,橫向應(yīng)力值增大是因?yàn)槭艿胶缚pB應(yīng)力場(chǎng)影響。過焊孔半徑的改變,不影響路徑P3殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。考慮到焊縫C起弧端縱、橫向應(yīng)力值較大,為減少焊接殘余應(yīng)力對(duì)縱肋-橫隔板連接焊縫疲勞性能的影響,在不破壞橫隔板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,建議適當(dāng)增大橫隔板與頂板、縱肋連接位置橫截面內(nèi)過焊孔半徑尺寸。
1)縱肋-橫隔板焊縫在起弧端20 mm范圍內(nèi),頂板-縱肋焊縫初始?xì)堄鄳?yīng)力對(duì)其橫向殘余應(yīng)力影響顯著,隨距初始角焊縫距離的增加,初始應(yīng)力對(duì)其殘余應(yīng)力影響可以忽略。
2)縱肋-橫隔板焊縫間接焊產(chǎn)生的殘余應(yīng)力振幅較小?;⌒吻锌?~180°測(cè)點(diǎn)的切向應(yīng)力分布趨勢(shì)符合余弦函數(shù)在一個(gè)周期內(nèi)變化規(guī)律,其中,法向與縱肋平行測(cè)點(diǎn)的切向應(yīng)力值最大。
3)橫隔板厚度變化對(duì)過焊孔位置殘余應(yīng)力變化不明顯。頂板下表面過焊孔殘余應(yīng)力極值點(diǎn)、應(yīng)力梯度極值點(diǎn)分別位于橫隔板起弧端焊趾、焊根部位。
4)在不影響鋼橋面板構(gòu)造完整性的基礎(chǔ)上,適當(dāng)?shù)脑龃筮^焊孔半徑可降低開口焊接殘余應(yīng)力值。