焊接殘余應力對鋼箱拱抗震性能影響

馬家智 陳遠久

摘要：鋼材焊接過程中產生的焊接殘余應力會造成鋼材的塑性性能降低，使鋼結構的抗震行為受到不利影響。文章利用ABAQUS軟件對鋼材焊接過程進行仿真模擬，得出焊接殘余應力場分布，在此基礎上通過低周反復荷載加載得到該模型的滯回曲線。對比無焊接殘余應力和有焊接殘余應力的模型滯回曲線的差異，結果表明殘余應力下的模型滯回曲線面積較小，耗能性能較差。為改善焊接殘余應力對結構的影響，進一步分析了采用錘擊法處理后結構的焊接殘余應力場分布和滯回曲線，分析結果表明采用錘擊法處理后的結構焊接殘余應力峰值下降，提高了鋼箱拱的抗震性能。

[作者簡介]馬家智（1995—），男，碩士，研究方向為橋梁結構行為。

鋼材由于其自身優越的力學性能，成為大跨和高層結構建造中的首選建筑材料，鋼結構中構件之間的連接可分為栓接和焊接2種方式。由于鋼材的強度高，其需要的受力尺寸較小，從而達到減輕恒載的目的，但受力尺寸較小時，又會影響到結構的剛度和局部穩定性能，實際工程結構中常采用焊接局部加勁肋的方式提高結構的剛度和局部穩定性能。在焊接過程中會產生不均勻的溫度場，且鋼材具有熱脹冷縮效應，從而焊接過程中不可避免地產生焊接殘余應力，雖然殘余應力不會影響鋼材的靜力強度，但會對鋼材的剛度和塑性性能等方面產生不利影響，進而影響到結構的抗震性能。焊接殘余應力在結構中表現為非線性分布的應力場，為研究焊接殘余應力對鋼箱拱拱腳部位的抗震性能的具體影響，可采用仿真分析軟件模擬鋼箱拱的焊接施工過程中的殘余應力場分布規律，在焊接殘余應力基礎上，可得到在低周反復荷載作用下的滯回曲線，結構的滯回曲線反映了殘余應力對焊接結構抗震性能的影響程度。為降低焊接殘余應力對結構的不利影響，施工中需要采取措施對焊接結構進行處理，主要有焊前預熱、焊后回火、錘擊矯正法等工藝來改善殘余應力場的分布。而錘擊法施工簡便，已逐漸成為一種有效的處理殘余應力工藝，研究錘擊法處理后的結構殘余應力改善程度和抗震性能提高程度，可為實際工程提供有價值的借鑒和參考。

1 有限元模型

鋼箱拱橋的拱腳部位在多種內力的共同作用下受力復雜，因此選取結構關鍵的拱腳部位建立空間模型，分析焊接過程產生的溫度場和殘余應力場以及低周反復荷載作用下的滯回曲線。鋼箱拱腳尺寸為3 960 mm×5 960 mm×40 mm，加勁肋尺寸為380 mm×38 mm，對稱布置在鋼箱內表面。而鋼箱拱厚度方向尺寸較小，進行彈塑性分析時為保證計算結果的收斂性并節省計算時間，有限元模型全部采用S4四邊形線性薄殼單元，通過ABAQUS自動劃分網格功能，建立的拱腳有限元模型如圖1所示。

1.1 材料熱物性參數

鋼箱拱采用的Q420qD鋼材的熱物理性能材料參數隨溫度改變發生變化，其熱物理性能參數如圖2所示[1-2]。

1.2 材料本構

有限元仿真分析中鋼材本構關系采用隨動硬化模型，并簡化了鋼材強化段的非線性行為。折線的第一段為鋼材的彈性段，彈性段斜率為鋼材本身的彈性模量;第二段為鋼材的強化段，強化段斜率約為彈性段斜率的1/1000，其中鋼材的屈服強度采用上屈服點強度，具體取值如圖3所示。

1.3 焊接熱源模型

熱源模型是模擬結構焊接過程的重要組成部分，而移動熱源模型能夠更好的仿真出真實的焊接過程和熱量傳導。為了簡化焊接過程中的熱源分布，選擇Gauss提出的Gauss熱源模型[3]，如圖4所示。

假設移動熱源沿x方向以速度v移動，熱源表達式：

式中：Q為熱源有效功率，取Q=mJ/s;K為熱源集中程度系數，取K=1/mm2。

在焊接中心處有峰值的熱通量，熱通量隨著與焊接中心的距離變化而迅速衰減。

1.4 其他條件設置

有限元計算中假設試件與外部環境進行對流散熱和輻射散熱，并且不考慮熔池內存在的化學反應和攪拌流動現象，模型的初始溫度設置為室溫20 ℃，斯蒂芬-玻爾茲曼常數5.67×10-11mW/mm2·K4，絕對零度-273.15 ℃[4]。在模型的軸向方向上，為防止鋼箱拱模型在殘余應力場分析過程中產生剛體移動，將模型端部進行固結處理。

2 仿真分析

2.1 焊接模擬

通過移動的高斯熱源模擬鋼箱拱與加勁肋之間的焊接過程，由于鋼箱拱各側均設置多條加勁肋，故通過編寫子程序實現多條加勁肋同時焊接，并對各條移動高斯熱源之間進行耦合來模擬焊接過程。

在焊接過程結束并充分冷卻后，模型溫度場基本處于穩定狀態，此時提取模型的溫度場，以此作為初始溫度場進行應力場的求解。

2.2 加載方式

在有限元模型中保持軸力6 177.25 kN不變的同時施加往復的水平荷載，且水平荷載的幅值不斷改變，仿真分析中加載模式采用荷載-位移混合法，即達到模型屈服荷載前采取荷載加載的方式，達到屈服荷載后則采取位移加載的方式。為更好的控制非線性計算分析中的收斂，本次仿真分析全部采用位移加載模式，加載階段將水平荷載按照一定的比例轉化為位移進行加載，位移加載幅值如圖5所示[5]。

3 仿真結果

利用ABAQUS對模型進行焊縫焊接的模擬分析，先后得出溫度場和應力場分布結果。在此基礎上將位移加載幅值施加在控制點上進行滯回曲線的仿真分析。

3.1 溫度場結果分析

選取焊縫處的積分點，輸出該點溫度隨焊接時間歷程的變化曲線，如圖6所示，從圖6可以看出，在移動熱源到達該積分點時，溫度迅速上升到峰值溫度，當熱源經過后由于對流和輻射散熱效應，溫度開始慢慢降低。焊接結束并冷卻100 s后，焊縫積分點處的溫度低于100 ℃并已基本趨于穩定。并選取一條垂直于焊縫方向的橫向路徑Path1提取同一截面上各點經冷卻后的溫度值，如圖7所示，圖中的橫坐標值表示距離模型橫截面中軸線的距離（規定向右和向上為正）。從圖7可以看出，在橫截面的焊縫位置，溫度均有一個峰值溫度。當遠離焊縫時，兩側的溫度急劇下降并趨于室溫20 ℃。

3.2 應力場結果分析

導入上述溫度場進行熱-力耦合分析后得到殘余應力場的分布，選取一條垂直于焊縫方向的橫向路徑Path1輸出各點的應力結果，其中一處焊縫附近的應力場結果如圖8所示，其余各焊縫位置的殘余應力場分布曲線均與圖8類似，圖中橫坐標Δ值代表的是離焊縫的距離。

從圖8中可以看到殘余應力場與溫度場的分布趨勢基本保持一致，在焊縫處產生最大的殘余拉應力，最大拉應力值為σmax=150.492 MPa;當遠離焊縫時，由于應力的自平衡效應，殘余拉應力將會快速降低并轉變為趨于穩定的壓應力[6]。

3.3 低周反復荷載模擬結果分析

基于求解出的應力場進行考慮殘余應力情況下的低周反復荷載仿真分析，得到結構相應的滯回曲線，數據為圖9中實曲線。

為分析殘余應力對結構的影響，對比仿真分析了無殘余應力情況下的低周反復荷載作用下的滯回曲線，數據為圖9中虛曲線。

結構的滯回曲線反映了結構在反復荷載作用下的變形特征、剛度退化和能量消耗，是非線性地震反應分析的基礎，從圖9中可以看出：

（1）兩種情況下結構的滯回曲線均呈現梭形，形狀飽滿;從一定程度上表明鋼箱拱結構具有較強的塑性變形能力、良好的抗震性能和耗能能力。當結構模型進入塑性段后，殘余應力對塑性段剛度產生較為明顯的影響。

（2）當控制點位移值為221.822 mm時，考慮殘余應力情況下結構能承受的荷載大小為F1=26 115.5 kN，無殘余應力情況下結構能承受的荷載大小為F2=30 555.9 kN，說明在殘余應力影響下結構能承受的荷載下降了14.532 %。

（3）滯回曲線所圍成的面積可表示為結構在反復荷載作用下所消耗的能量，在殘余應力影響下滯回曲線所圍成的面積為S1=5.1088×1010 N·mm，無殘余應力的滯回曲線所圍成的面積為S2=5.4857×1010 N·mm，滯回曲線所圍成的面積降低了6.87 %，表明殘余應力影響下結構所消耗的能量有所下降。

（4）在應力循環加載過程中結構的殘余應力逐步降低，造成滯回曲線圖中殘余應力對結構的塑性性能影響偏小。經多次變幅循環荷載作用后，結構中的殘余應力會逐漸降低，實際工程中可參考此結論改善焊接殘余應力，如使用振動器消除結構的部分殘余應力。

3.4 錘擊法改善殘余應力分析

目前焊接加工中普遍采用錘擊法來改善殘余應力的分布，即用鋼錘錘擊工件的殘余應力積聚位置，金屬表面受到錘擊的壓應力后發生局部塑性變形，從而降低殘余應力峰值，達到改善和均衡工件殘余應力分布的效果。

采用錘擊法處理后，從圖10中可以看出峰值殘余拉應力從σ1max=150.492 MPa下降到了σ2max=35.877 MPa，同時應力場分布更加均衡。

將經過錘擊法處理后的殘余應力場導入模型中進行低周反復荷載仿真分析后，得到相應的滯回曲線，數據為圖11中藍色實線。

從圖11中可以看出：

（1）當控制點位移值為223.81 mm時，經過錘擊法處理的結構能承受的荷載大小為F1=28 480.9 kN，處理后結構能承受的荷載增加了9.06 %。

（2）處理后滯回曲線所圍成的面積為S1=5.3183×1010 N·mm，經過錘擊法處理的結構所消耗的能量增加了4.1 %。

（3）錘擊法能夠有效的減小和改善結構的殘余應力分布，提高了結構的塑性性能。

4 結論

基于焊接殘余應力場對鋼箱拱抗震性能影響的仿真分析結果，可得到結論：

（1）焊縫處產生最大殘余拉應力，拉應力隨著與焊接中心距離的加大而迅速衰減，在自平衡應力約束效應下遠離焊縫處結構應力轉換為壓應力。

（2）進入塑性段后，焊接殘余應力對結構的剛度和抗震性能均產生不利影響，結構能承受的荷載值降低，滯回曲線所圍成的面積減小，耗能性能更差。

（3）經多次變幅循環荷載作用后，結構中的焊接殘余應力會逐漸降低，實際焊接施工中可采用錘擊法處理工藝，改善結構的殘余應力分布，提高結構的塑性性能。

參考文獻

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