鋼箱梁橋面板焊接殘余應力及疲勞性能研究

范和平

（忠縣暢達建設投資有限公司，重慶404300）

鋼箱梁橋面板采用垂直交叉的縱肋及橫肋共同組成結構受力體系，由于其承載能力優異且易于工廠裝配加工，因此在橋梁建設領域迅速推廣。不同形狀的鋼制板件需要進行焊接拼裝，焊縫及周圍母材將會產生分布各異的殘余應力場[1]。焊接殘余應力的存在將會降低橋面板使用過程中的性能[2]，如降低焊縫接頭的使用強度、結構的穩定性，加速鋼橋面板在行車疲勞荷載作用下出現疲勞裂紋的速率等。

國內外科研人員對橋面板焊縫接頭裂紋進行了大量的研究[3]。Wolchuk 通過試驗研究，指出了橋面板焊縫接頭的高峰值殘余應力導致了疲勞裂紋的開裂。余波[4]對U 肋焊縫開展了相關試驗研究，指出裂縫主要在焊縫位置開裂，焊縫處高等級的殘余應力值與疲勞壽命存在直接關系。數值模擬在保證數據精度的基礎上進一步增加了對全截面位置點的可測性，通過開展橋面板的有限元建模，降低試驗成本基礎并為橋面板焊接成型及后期使用壽命提供依據。本文通過建立橋面板模型，實現了橋面板典型U 肋接頭的焊接過程。通過加載標準疲勞車，進一步獲得了基于殘余應力的橋面板疲勞壽命。

1 焊接殘余應力的理論基礎

焊接過程中高密度的能量輸入使得熱源接頭產生瞬時高溫，焊劑及附近母材熔化。橋面板局部加熱，使得焊縫接頭產生了巨大的溫度梯度，接頭位置收到臨近母材的約束，膨脹受到制約。焊縫冷卻過程中，同樣因降溫收縮受母材抑制。焊接過程結束后，接頭內部產生了較高等級的殘余應力分布。

瞬時熱源加載結束后，將溫度場作為初荷載重新讀入，完成熱- 力耦合過程。為減少應力場求解難度，本文作出了以下幾點簡化：(1)母板及填充材料服從Mises 屈服準則;(2)焊道填充材料與母板均為Q345 橋梁鋼；(3) 忽略熔池內液態金屬的自重及表面張力；(4)應力、應變短時間內呈線性改變。

2 鋼橋面板U 肋殘余應力場

鋼橋面板典型U 肋模型沿垂向為對稱結構，為降低模型計算量，取一半進行建模分析，垂向施加對稱約束。

溫度場的仿真過程:

模型中焊縫長度取300mm，焊接速度設置為6mm/s。為表示電弧焊熔池形狀，熱源選擇雙橢球熱源模型。熱源前進通過生死單元實現。環境溫度取20℃。

通過U 肋溫度場分布云圖可知，焊接過程中焊道達到了材料熔點，并能有效的滿布填充焊道。熱源形狀呈前段大后端小的橢球狀，熱源前段溫度梯度遠大于熱源尾端。觀察圖1 縱肋及頂板溫度場分布，可以看到焊接過程中熱源的影響區域(寬度)有限。熱源加載過程中，熱源分布及溫度峰值較為穩定，最大值不超過1650℃。較為穩定的熔池形狀側面反映了熱源加載的合理性。

圖1 熱源加載至25s 時瞬時溫度場

圖2 50s 時Mises等效應力

模型應力場計算時，讀入溫度場荷載。邊界約束為：頂板施加豎向(Y 向)約束用以模擬支架的支持，對稱截面施加對稱約束，沿焊縫方向施加Z 向平行約束。選擇焊接結束時刻50s 對應Mises 應力，截取殘余應力如圖2 所示。

圖3 表示U 肋中截面上表面路徑節點殘余應力分布。焊縫中心線拉應力最大值不超過388.7 MPa，縱向拉應力主要分布在焊縫中心線周圍15mm 范圍內。距離中心線23mm 壓應力最大值為-132.3MPa。根據圖中應力分布可以明確的看到U 肋焊縫接頭存在較高等級的拉應力，這將成為降低U 肋疲勞壽命的限制性因素。

3 殘余應力對橋面板疲勞性能的影響

鋼橋面板疲勞裂紋的產生主要有兩方面組成。長時間的循環行車荷載對縱肋及橋面板產生交大的拉應力作用，產生的面外變形及次彎矩加重了裂紋的擴展；焊縫節點處存留的焊接殘余應力拉應力值較大。二者聯合作用下，高應力節點長時間作用使得鋼橋面板產生疲勞裂紋。根據已有橋面板殘余應力計算結果通過標準車加載，得到了橋面板的疲勞使用壽命。

3.1 荷載模型

為減少對車流的統計工作并考慮實車通行荷載譜，采用BS5400 標準疲勞車。行車加載位置采用單跡線加載，忽略相鄰車道的交互影響。疲勞車單軸重100KN，行車速度取72km/h。

疲勞荷載模型尺寸與焊接模型尺寸一致，取3 連U 肋組成的橋面板模型如圖4 所示，順橋長0.5m。

圖4 3 個U 肋組成的橋面板模型

圖5 U 肋加載應力時程曲線

3.2 行車荷載作用下的求解

選擇圖4 中間U 肋A,B,C,D 疲勞易損點進行標準車加載，所得易損點應力時程曲線為圖5 所示。通過Miner 準則將時程應力轉換為等效應力幅，U 肋易損點等效應力幅分別為29.23MPa，13.58MPa，53.81MPa，20.13MPa。

BS5400 對鋼橋不同位置作出了詳細的分級，U 肋與橋面板連接位置分級為D。

通過計算得疲勞式lgN=12.18-3lgσr，將C 點對應最大等效應力53.81MPa 帶入得到疲勞循環壽命N=9.76×106。

4 結論

4.1 熱源加載過程中溫度場恒定，電弧焊前段溫度梯度高于尾端。熔池與母材交界處溫度梯度較大，直接決定了熱- 力耦合過稱中殘余應力的分布。

4.2 焊縫中心線及其附近殘余應力值部分超過母材屈服強度，過高的焊接殘余應力不利于焊縫服役期間的疲勞使用壽命。距離熔合線20mm 位置壓應力最大為-132MPa，焊縫接頭同樣存在較大的殘余應力梯度。