組合工字型截面鋼梁焊接變形的定量分析

羅永赤 (長江大學城市建設學院,湖北荊州434023)

在鋼結構工程中,大型的實腹式構件多采用組合工字型截面,由于組合工字型截面是將鋼板通過電弧焊焊接而成,而電弧焊的施焊過程是一個不均勻的加熱與冷卻過程,因此在焊接完成后,一般都存在一定的焊接殘余變形。對于尺寸較大的組合工字型截面,其翼緣板和腹板一般較厚,拼焊后就會有較大的焊接變形產生,在工程制作中需要采用一定的矯正方法,如機械矯正、手工矯正和熱加工矯正等,對焊接后的構件進行整形處理。如果在組合工字型截面的拼焊中,采用不正確的焊接順序和焊接工藝,就會產生過大的焊接變形甚至可能出現焊接裂縫,從而造成工程構件在矯正過程中的矯正難度增大,甚至導致整個構件的報廢。因此,如何在焊接前準確地確定和控制組合工字型截面焊接變形,就成為保證鋼結構工程安全的一個關鍵性問題。筆者對某大型工字型組合截面的鋼梁施焊的焊接順序進行數值模擬,針對不同的焊接工藝方案,對工字型組合截面的焊接變形進行了定量分析,為實際工程中準確預測構件焊接后的變形提供了參考依據。

1 工字型組合截面焊接有限元模型

1.1 模型的幾何尺寸與網格劃分

工字型組合截面鋼梁長度為9m,截面尺寸為1028 mm×280 mm×8 mm×14mm(圖1)。由于工字型組合截面通過角焊縫將翼緣板與腹板拼接而成,所以在建立有限元模型時應將翼緣板與腹板分開,由角焊縫的有限元模型將其聯系起來,以便與實際情況一致 (圖2)。因為實際工程的鋼梁長度為9m,在滿足計算精度的前提下,為了減少計算時間,在劃分網格時對截面中距離焊縫較遠部分采用了較大尺寸的網格,對于焊縫和距離焊縫較近的部分采用了較小尺寸的網格(圖3),單元采用8節點六面體單元。

圖1 截面尺寸

圖2 焊縫及附近的有限元網格

圖3 網格劃分

1.2 材料的特性參數

工字型組合截面的鋼材為Q235鋼,采用的材性參數分別是[1]:屈服強度 fy=210MPa;抗拉強度fu=235M Pa;材料的彈性模量E=2.06×105M Pa。假定焊縫金屬的熱物理性能參數和母材相同,并考慮鋼板的物理性能和力學性能隨溫度變化[2,3]。

在進行有限元分析時,采用小位移和小應變模式。材料模式為熱彈塑性,遵循M ises屈服條件,塑性區內的行為服從流變法則和各向同性硬化,本構關系為雙線性硬化模式,其材料的力學性能隨溫度的變化而變化。

1.3 焊接熱源模型

在模擬角焊縫焊接熱源的移動時,將每條焊縫單元 (圖3)分成6個小時間段,通過利用單元生死的原理,對每條焊縫各小時間段內的單元逐步加熱,以此實現熱源的移動。焊接熱源是通過假設焊縫所在單元具有內部熱生成來模擬,焊縫的焊接速度按實際橫焊的焊接速度 (25cm/m in)來模擬。

2 確定焊接順序方案

2.1 定性分析

為了便于比較,采用了如下2種焊接順序方案 (圖4):①先下部焊縫后上部焊縫方式,其焊接順序為1→2→3→4。②對角跳焊方式,其焊接順序為1→4→2→3。采用①方案時,先焊接1、2焊縫時截面剛度較小,完成焊接后會有較大的反拱變形。隨后焊接3、4焊縫時截面剛度較大,焊接產生的變形較小,抵消不了焊接1、2焊縫時的反拱變形,所以完成4條焊縫焊接后,會有一定的反拱。采用②方案時,先焊接1焊縫,雖然截面剛度較小,但由于只是一條焊縫的焊接,所以反拱變形不大,而4焊縫的焊接產生的變形則可抵消1焊縫的反拱。在焊接3焊縫時,截面剛度增加,可以抵消隨后焊接2焊縫后產生的反拱。因此,采用對角跳焊可以消除側向的焊接變形。

圖4 焊縫順序

2.3 數值模擬結果與定量分析

焊接順序采用①方案時,各階段焊縫變形的分析結果如圖5所示。由圖5可知,在完成1焊縫時,產生較大的反拱彎曲變形與側向變形,總變形值為33.52mm,方向朝右側;完成2焊縫后,側向變形減小,但反拱彎曲變形變大,總變形值為19.28mm,方向朝右側;完成3焊縫后,出現反方向的側向變形,反拱彎曲變形有一定減小,總變形值為32.46mm,方向朝左側;完成4焊縫后,側向變形減少,同時反拱彎曲變形也有一定減小,總變形值為19.09mm,方向朝左側。總體看,該焊接順序側向變形少,但彎曲變形大,同時在完成3焊縫時,出現反方向的側向變形,所以在完成3焊縫后,構件出現扭轉翹曲,需要立即整型,否則無法進行后續焊縫的施焊。

圖5 焊縫順序為1→2→3→4時各階段變形

焊接順序采用②方案時,各階段焊縫變形的分析結果如圖6所示。由圖6可知,雖然完成焊縫1的結果與①方案的結果一樣,但是完成4焊縫時的變形與①方案有較大區別,表現為仍是同向的側向變形,構件全過程未出現扭轉翹曲。完成2焊縫和完成3焊縫時鋼梁的側向變形仍是一個方向,并且由2焊縫的22.71mm的總變形值,變為3焊縫的21.59mm的總變形值,沒有出現①方案反方向的側向變形問題,不需要中途進行整型。

圖6 焊縫順序為1→4→2→3時各階段變形

通過以上分析,可以看出在組合工字型截面鋼梁的2種焊接順序方案中,①方案在焊接過程中存在扭轉翹曲的變形,需要中途進行整型,才能完成最后一道焊縫的焊接,而完成最后一道焊縫后還需要再整型一次,才能得到合格的構件。②方案在焊接過程不存在扭轉翹曲,僅需要在完成最后一道焊縫后整型一次,就可得到合格的構件。因此,可確定②方案優于①方案。

3 結 語

對組合工字型截面鋼梁焊接的全過程通過數值模擬并進行定量分析,可以了解焊接各階段構件的具體變形值,解決了以前依靠定性分析焊縫順序所不能解決的問題,為制作其他異形構件鋼結構時預測各階段焊接變形的大小提供了定量分析方法。

[1]GB50017-2003,鋼結構設計規范 [S].

[2]中國機械工程學會焊接學會.焊接手冊:焊接結構 [M].北京:機械工業出版社,2001.

[3]陳祝年.焊接工程師手冊[M].北京:機械工業出版社,2002.