U肋加勁鋼橋面板焊接殘余應力分布及參數分析

宋 娟， 姚昌榮， 柳 青， 強 斌， 顧 穎， 李亞東

(1.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031；2.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川綿陽 621010)

正交異性鋼橋面板由于其輕質高強、便于工廠化制造等優點，常被應用于大跨度鋼橋的橋面結構中。閉口U肋加勁板已經成為鋼橋扁平鋼箱梁頂底板的重要構件之一[1]。焊接是連接面板與縱橫肋的主要方式，所形成的接頭形式構造細節復雜，并且伴隨有大量數值可觀的焊接殘余應力場。在車輛輪載的反復作用下，U肋加勁板構造細節的疲勞開裂問題十分突出，有必要對其焊接殘余應力的分布特征進行系統的精細化分析。

大型商業有限元軟件的發展使得對鋼橋大尺寸構件焊接應力場的模擬成為可能，為研究人員準確清楚地了解焊接殘余應力的分布提供了方便。趙秋等[1]利用ANSYS對面板厚為8 mm的U肋加勁板進行三維建模分析，得到了面板和U肋的縱向殘余應力分布，并用切條法測試了縮尺模型的殘余應力，得到的面板殘余應力試驗值與擬合值較為接近；肖雄[2]基于ANSYS模擬了U肋單側焊和雙側焊的有限元模型，對比分析了其應力場結果；顧穎[3]提出了一種雙橢球熱源模型參數的求解方法，探究了足尺U肋加勁鋼橋面板縱向焊接殘余應力的大小和分布，采用盲孔法測試了面板上下表面及U肋表面焊接殘余應力并與ANSYS模擬結果進行對比分析；王犇[4]借助ABAQUS建立大連星海灣大橋局部U肋模型，得到了焊接溫度場、應力場，并研究了不同板厚和坡口對面板及U肋外表面縱向殘余應力的影響；周思廷[5]研究了單面焊雙面成型的全熔透焊接技術下殘余應力的分布規律，并且從熔透率、焊接速度和面板厚度出發，進行了參數分析；曹寶雅等[6]利用ANSYS分析了板件厚度變化對焊接殘余應力的影響規律。

綜上所述，已有研究對于U肋加勁鋼橋面板構造細節中面板及U肋表面的焊接殘余應力分布進行了詳細的分析，但針對殘余應力場影響因素的研究卻相對較少。本文基于實際U肋加勁鋼橋面板構件模型，在ABAQUS軟件中對其焊接過程進行了仿真模擬，并采用已有殘余應力測試結果[3]對其進行了驗證；在此基礎上進一步開展了面板厚度、熔透率及外部約束條件對U肋加勁鋼橋面板殘余應力場的影響研究。

1 有限元模型建立

1.1 幾何模型

本文以實際U肋加勁鋼橋面板焊接接頭為研究對象(圖1)，該橋面板寬900 mm，長4 000 mm，面板厚14 mm；U肋高300 mm，厚度8 mm，上底寬300 mm，下底寬98 mm，鋼板材料為Q345qD，采用CO2氣體保護焊焊接完成。

圖1 U肋加勁鋼橋面板(單位:mm)

根據現行TB10091—2017《鐵路橋梁鋼結構設計規范》和JTGD64—2015《公路鋼結構橋 梁設計規范》規定，焊接熔透深度應至少達到U肋面板厚度的75%。具體面板與U肋焊接的細部構造如圖2所示，對應熔深為6.4 mm，坡口為64°。

圖2 U肋與面板焊接構造細節

在ABAQUS有限元軟件中建立上述U肋加勁鋼橋面板有限元模型，由于幾何對稱性，為了提高計算效率，僅在軟件中建立了1/2模型來進行焊接仿真分析，如圖3所示。為了防止剛體位移，同時不限制模型自由變形，設置如圖3所示約束：對稱面上約束y向位移；在面板下表面2個角點分別約束x、z和z方向線位移。

圖3 有限元模型

1.2 參數設置

焊接模擬采用單向耦合進行，先進行溫度場模擬，然后以節點歷史溫度場作為初始狀態再進行應力場模擬。溫度場和應力場計算時分別采用8節點六面體單元DC3D8和C3D8。熱邊界條件通過熱輻射和熱對流來定義：熱輻射系數取為0.85；對流交換系數取為15 W (mm2·℃)。相變潛熱取300 kJ/kg，初始外界溫度設置為25 ℃。采用單道焊完成焊接，整個焊接過程分為加熱和冷卻2個部分。由于焊接殘余應力在長焊縫中段基本穩定，為了提高計算效率縱向計算長度取376 mm進行模擬(該長度經試算能形成準穩態溫度場)。焊接速度為5 mm/s，對應的加熱時長75.2 s，冷卻時長為1 400 s。

1.2.1 熱源模型

采用Goldak[7]雙橢球熱源模型作為焊接熱源，如圖4所示，雙橢球熱源模型是以電弧中心為分界線，可反映焊接過程中溫度梯度不對稱的現象。

圖4 雙橢球熱源模型

其前后半球表達式見式(1)、式(2)。

前半球熱源分布函數為：

(1)

后半球熱源分布函數為：

(2)

式中：f1、f2為前后半球的能量分配系數分別取f1、f2，且f1+f2=2。本文取f1=0.6，f2=1.4；上式中，Q=ηUI，η為焊接熱效率，U為焊接電壓(V)，I為焊接電流(A)；a1、a2、b、c為橢球的形狀參數(mm)，通過調整形狀參數可以獲得理想的熔池形狀，本文通過多次對比試算，最終選定的形狀參數見表1。

表1 雙橢球熱源形狀參數表(單位：mm)

1.2.2 熱物理和熱力學參數

焊接是涉及到熱學、力學和金相學等的一個復雜過程。在實際模擬時，假定焊縫填充金屬與母材的材料性能相同，由于Q345qD鋼在高溫下的材料參數尚不完善，本文借助已有文獻[8-10]中低碳鋼的高溫性能參數進行計算，相關參數的具體取值見圖5。

圖5 材料高溫性能參數

2 溫度場

圖6給出t=30 s時的焊接穩態溫度場。將模型中溫度超過1 500 ℃的部分視作熔池，熱源經歷起弧段后，其熔池的大小和形狀不再發生改變，形成了準穩態溫度場。隨著熱源的移動，當熱源經過焊縫對應的位置時，其溫度快速升高達到熔點，當熱源遠離時，其溫度緩慢下降，最終形成了明顯的溫度梯度。

圖6 t=30 s 時的焊接準穩態溫度場

3 殘余應力場

3.1 焊接殘余應力場驗證

為了進一步驗證焊接模擬過程的正確性，采用前期殘余應力測試結果[3]對模擬結果進行驗證。縱向焊接殘余應力(σx)通常指沿焊縫方向的應力，橫向焊接殘余應力(σy)指垂直于焊縫方向上的應力。圖7 展示了試板上表面縱向焊接殘余應力(σx)實測值與模擬值的對比。分布路徑沿板寬(y向)方向，起點為U肋加勁板對稱邊界。

圖7 殘余應力模擬值與實測值對比(單位：MPa)

從圖7中可以看出，縱向焊接殘余應力(σx)在焊縫附近(150 mm)處出現最大拉應力359 MPa，其峰值接近Q345qD鋼的名義屈服應力，隨著距焊縫距離的增加，殘余拉應力逐漸減小，最終轉變為壓應力。此外，圖中縱向焊接殘余應力的模擬與實測值在總體分布趨勢和具體數值上都吻合較好，說明文中所建立的分析模型和相關參數選擇較為準確。在此基礎上，可進一步對相關因素對殘余應力的影響進行系統分析。

3.2 焊接殘余應力場分布

圖8給出了面板上下表面沿板寬方向分布的縱向和橫向焊接殘余應力。可以看出縱向焊接殘余應力在焊縫處為拉應力，峰值接近400 MPa，遠離焊縫位置，殘余應力逐漸減少到壓應力；橫向焊接殘余應力峰值同樣出現在焊根和焊趾位置，對應峰值接近100 MPa，隨著距焊縫距離的增加，其數值逐漸減小到0值附近，橫向焊接殘余應力在數值上遠小于縱向焊接殘余應力?？傮w來看，殘余應力在焊縫附近的分布梯度較大，縱向殘余拉應力的分布范圍約為100 mm。

圖8 頂板上下表面殘余應力分布(單位：MPa)

圖9展示了U肋外表面的焊接殘余應力的分布曲線，對應橫坐標的起始點為焊趾處。從圖9中可以看出，U肋外表面縱向殘余應力的分布趨勢與面板表面較為接近，其峰值拉應力為342 MPa；橫向焊接殘余應力在零軸附近呈現小幅波動，對應拉應力峰值較小，約為30 MPa。

圖9 U肋外表面殘余應力分布(單位：MPa)

4 影響參數分析

影響焊接殘余應力分布狀態的因素有很多，下文主要從U肋加勁板面板厚度、熔透率和焊接約束條件這3個方面來研究其對焊接殘余應力的影響規律。

4.1 面板板厚對焊接殘余應力的影響

鋼橋設計時常會通過增加面板厚度來提高U肋加勁鋼橋面板的承載能力并改善其疲勞性能。在ABAQUS中分別建立面板厚度為12 mm、14 mm和16 mm 3種U肋加勁板模型，來進一步探究面板厚度對焊接殘余應力的影響(圖10～圖12)。

圖10 不同板厚面板上表面殘余應力分布(單位：MPa)

圖11 不同板厚面板下表面殘余應力分布(單位：MPa)

圖12 不同板厚U肋外表面殘余應力分布(單位：MPa)

從圖10～圖12可以看出，板厚的增加對于縱向殘余應力的影響不明顯：3種板厚情況下，縱向殘余應力的分布曲線幾乎重合，拉應力主要分布在焊縫周邊50 mm的范圍內，剩余區域主要為殘余壓應力。對于上下表面橫向殘余應力，隨著板厚的增加，殘余應力在焊縫區域的峰值也大體上增大；遠離焊縫區域，板厚的增加使得殘余拉應力也隨之減小。面板厚度的改變對U肋外表面縱向和橫向焊接殘余應力的影響不明顯。U肋外表面的縱向殘余應力在面板與U肋連接處達到峰值，之后迅速降低，在50 mm附近表現為壓應力，隨板厚的增加壓應力峰值呈現微小的下降。

4.2 熔透率的影響

U肋加勁板部分熔透焊時焊趾處存在天然裂縫，易產生較大的集中應力和疲勞開裂問題當前普遍通過全熔透焊接工藝來改善面板與U肋焊接構造細節的疲勞開裂現象。下文進一步分析了不同熔透率(60%、80%和100%)下U肋加勁板焊接殘余應力的分布狀態(圖13～圖15)。

圖13 不同熔透率面板上表面焊接殘余應力(單位：MPa)

圖14 不同熔透率面板下表面焊接殘余應力(單位：MPa)

圖15 不同熔透率下U肋外表面焊接殘余應力(單位：MPa)

從圖13～圖15 中可以看出：3種不同熔透率對U肋加勁板上下表面及U肋表面的縱向殘余應力影響不明顯，3條殘余應力演化曲線較為接近，不同熔透率對上下表面橫向焊接殘余應力的影響較為明顯，面板上下表面的橫向殘余應力在焊縫處呈拉應力，并且峰值均不超過150 MPa，面板下表面橫向拉應力峰值隨著熔透率增加而減小，60%熔透率和100%熔透率下焊根焊趾處峰值相差30 MPa；在遠離焊縫處，焊接殘余應力迅速下降，呈現明顯的應力梯度，熔透率的增加使得遠離焊縫處的橫向拉應力數值上也發生增長。不同熔透率下，U肋外表面橫向殘余應力彼此重合，呈先增大后減小的分布趨勢，峰值應力出現在距焊縫50 mm位置處，數值約為30 MPa。

4.3 邊界條件對殘余應力的影響

U肋加勁鋼橋面板焊接時外部夾持狀態會影響焊接殘余應力分布，下文通過設置不同的邊界條件A、B(圖16)來分析其對焊接殘余應力的影響。

圖16 焊接夾持邊界條件

除了在對稱面均設置了對稱約束外，邊界A在面板2個角點分別施加x和z方向的約束，既能防止剛體位移，又不會過分阻礙焊接變形；邊界B在面板側面設置固定約束。其中邊界A為已有模擬分析[11-12]中常用的邊界條件；邊界B主要用來模擬實際工廠中U肋加勁鋼橋面板焊接時的胎架約束[5](圖17～圖19)。

圖17 不同邊界條件面板上表面焊接殘余應力(單位：MPa)

圖18 不同邊界條件面板下表面焊接殘余應力(單位：MPa)

圖19 不同邊界條件U肋外表面焊接殘余應力(單位：MPa)

圖17～圖19中可以看到不同邊界條件下沿頂板上、下表面和U肋外表面的橫向與縱向殘余應力分布。在頂板上表面焊縫中心附近，邊界B相較于邊界A情況下，縱向殘余應力峰值稍有提高，橫向殘余應力峰值提高較大(接近50%)；在頂板下表面處，邊界B較邊界A縱向殘余應力峰值變化不大，橫向殘余應力沿整個路徑方向均明顯低于邊界A情況下的殘余應力；在U肋外表面d=50 mm處，邊界B的橫向與縱向殘余應力值稍大于邊界A情況?？傊煌吔缂s束條件對于殘余應力的幅值和分布范圍均有影響，實際焊接時應注意選擇合適的夾持條件。

5 結論

本文基于ABAQUS模擬了實際U肋加勁板模型，得到了其焊接溫度場、應力場分布，并與先前試驗結果[3]對比驗證，二者吻合較好。在此基礎上研究了不同面板厚度、熔透率和邊界約束條件下焊接殘余應力的分布規律，具體可得出結論：

(1) U肋加勁鋼橋面板表面的縱向焊接殘余應力峰值接近材料的屈服強度，隨著距焊縫距離的增加，縱向殘余應力逐漸減小，直至轉變為壓應力；橫向焊接殘余應力在數值上相對較小，面板峰值約為120 MPa；U肋峰值約為30 MPa。

(2)面板厚度的對于縱向殘余應力的影響不明顯；對于上下表面橫向殘余應力，隨著板厚的增加，殘余應力在焊縫區域的峰值大體上增大；遠離焊縫區域，板厚的增加使得橫向殘余拉應力隨之減小。面板厚度的改變對U肋外表面縱向和橫向殘余應力的影響不明顯。

(3)不同熔透率對U肋加勁板上下表面及U肋表面的縱向殘余應力影響不明顯；面板下表面橫向拉應力峰值隨著熔透率增加而減小，遠離焊縫處的橫向拉應力在數值上也發生了增長；不同熔透率下，U肋外表面橫向殘余應力彼此重合。

(4)U肋加勁鋼橋面板在焊接時夾持條件的改變對焊接殘余應力的分布大小和范圍均有影響，焊接時宜選擇合理的邊界約束方式。