钢桥焊缝残余应力与变形分析一、概述钢桥是指上部结构主要承重部分是用钢材制成的桥梁，它自重较轻，跨越能力大，抗拉、抗压、抗剪强度高，可用于复杂桥型和景观桥。
在工程中，经常能见到的钢桥类型有：梁桥（I型板梁、桁梁、箱梁），拱桥（系杆拱，箱形拱、桁架拱），索桥（悬索桥和斜拉桥）。
我国迄今已建造了3600余座各式钢桥。
仅在长江上已有各种型式的桥梁30余座，其中接近半数为钢桥。
关于焊接钢桥，可以公路桥为对象作比较，按大跨径悬索桥的跨径L≥600m，大跨径斜拉桥L≥400m，进行不完全统计。
90年代以来中国已建成大跨径悬索桥7座，大跨径斜拉桥10座；同时期国外建成的大跨径悬索桥有10座（其中日本6座），大跨径斜拉桥有15座（其中日本6座）。
按跨径大小排序，在世界上建成的全部悬索桥中排名前十位的焊接钢桥中，中国有2座：江阴长江大桥（L=1385m）排名第四，香港青马大桥（L=1377m）排名第五；斜拉桥排名前十位的焊接钢桥中，日本的多多罗大桥L=890m，居首位；中国有6座桥，排名第三、四、五、六、七和第九（南京长江二桥L=628m，排第三位；武汉长江三桥L=618m，排第四位）。
钢桥是由钢板、型钢等组合连接制成基本构件，如梁、柱、桁架杆件等，运到工地后再通过安装连接组成整体结构。
连接在钢桥中占有很重要的地位。
钢桥中部件的连接方法主要有铆钉连接、螺栓连接和焊接三类。
焊接是现代钢桥最主要的连接方法，它是对钢材从任何方位、角度和形状相交都能方便使用，一般不需要附加连接板、连接角钢等零件，也不需要在钢材上开孔，不使截面受到削弱。
因此，它的构造简单，节省钢材，制作方便，并易于采用自动化操作，生产效率高。
此外，焊接的刚度较大，密封性较好。
常见的焊接方法有电弧焊、栓钉焊，电弧焊又常分为手工电弧焊、埋弧焊和气体保护焊。
焊缝连接中按焊体钢材的连接方式可分为对接接头、搭接接头、T型接头、角接接头等形式。
但焊接也存在着它不足的一面，焊缝附近钢材因焊接的高温作用而形成热影响区，其金相组织和机械性能发生变化，某些部位材质变脆；焊接过程中钢材受到不均匀的高温和冷却，使结构产生焊接残余应力和残余变形，影响结构的承载力、刚度和使用性能；焊缝可能出现气孔、夹渣、咬边、弧坑裂纹、根部收缩、接头不良等影响结构疲劳强度的缺陷。
二、残余应力与残余变形1、残余应力与残余变形的定义钢材在焊接和冷却的过程中，其局部形成一个很不均匀的温度场,由于膨胀和收缩的程度和速度不同,温度场内各部分钢材的变形相互制约，产生了不可逆转的塑性变形，导致焊件在完全冷却后,其上仍然存在着残余应力和残余变形，这样的残余应力和残余变形就称为焊接残余应力和焊接残余变形。
2、焊接残余应力的分类及其产生的原因（1）分类焊接残余应力分为沿焊缝方向的纵向焊接残余应力，垂直于焊缝方向的横向焊接残余应力和沿厚度方向的焊接残余应力。
（2）产生的原因纵向焊接残余应力产生的原因比较复杂，如图1。
当两块钢板被平面焊接时，钢板焊缝一侧受热升温,将沿焊缝方向纵向伸长,但受到钢板两侧未加热区域的限制,伸长量被压缩,产生热塑变形。
随着焊缝金属由熔融状态冷却到室温,焊缝将要纵向收缩,由于热塑变形不可逆转,焊缝金属将被纵向受拉,其内部产生纵向拉应力,而焊缝周围的主体金属由于受到焊缝的收缩压迫，其内部产生压应力。
这一自相平衡的内应力就是构件的纵向焊接残余应力,其分布如图1（b）所示。
图1焊接残余应力分析示意图横向残余应力产生的原因是：冷却后焊缝纵向收缩，使焊缝两侧钢板趋于形成反方向的弯曲变形,如图1(a)中虚线所示。
但实际上两块钢板已经连成一体,不能分开,于是两块钢板的焊缝中部将产生横向拉应力,而焊缝两端将产生横向压应力,如图1(c)所示。
另外,施焊时是按一定顺序进行的,先焊好的焊缝冷却凝固后将阻碍后焊焊缝在横向自由膨胀,使其产生横向的塑性压缩变形,当后焊焊缝收缩时,受到已凝固的焊缝限制而产生横向拉应力,同时在先焊焊缝内产生横向压应力,如图1 (d)所示。
焊缝的横向焊接残余应力就是上述两种原因产生应力的合成结果,如图1(e)所示。
它也是一组自相平衡的内应力,由横向焊接残余应力成因可见,其分布状态、大小与施焊顺序及方向有关。
厚度方向焊接残余应力产生的原因：施焊时，如若焊接件较厚时，焊缝需要多层施焊，而外层焊缝因散热较快先冷却凝固，这样必然对内层后凝固的焊缝收缩产生限制，使焊缝产生沿厚度方向的残余应力。
三、残余应力和残余变形对钢桥结构性能的影响1、焊接残余应力对钢桁斜拉桥整体稳定性的影响同济大学博士研究生彭崇梅等人以郑州黄河公路铁路两用桥为背景，建立了桥塔与主桁连接部位的三维有限元模型，考虑材料热物理性能依赖于温度的变化，对桥塔焊趾处典型焊接细节的焊接温度场和焊接残余应力进行数值模拟，分析了焊接残余应力对结构整体稳定性的影响。
在分析焊接残余应力对整体稳定性影响时，应用梁单元模拟主桁杆件和桥塔，杆单元模拟斜拉索；初应力以初应变的形式施加到结构上，初应力施加对象为下横梁、桥塔及桥塔处中桁架上弦杆，并考虑各对象之间的不利组合。
工况Ⅰ为裸塔状态，验算荷载为一期恒载＋5年一遇的施工风荷载；工况Ⅱ为成桥运营状态，验算荷载为一期恒载＋二期恒载＋100年一遇的设计风荷载。
各工况计算结果见表1所示。
由计算结果可知，2种工况下失稳形式均表现为下横梁局部屈曲失稳；考虑双重非线性进行结构的第二类稳定分析时，安全系数约为第一类稳定结果的50%～60%。
由表1可以看出：考虑初应力的影响时，稳定系数均存在不同程度的下降，初应力施加于下横梁时，稳定系数降低很快，而在同时施加于上弦杆和下横梁时，影响最大，达到10%以上，初应力施加于桥塔处中桁上弦杆时，下降相对较慢；初应力施加于桥塔时，对稳定系数的影响最小，这主要是由于本桥的低阶失稳模态基本为下横梁失稳。
当焊接残余拉应力施加于下横梁时，相当于对横梁施加了预应力，加速了下横梁的失稳；而桥塔的失稳模态较高，故初应力施加于桥塔时，对低阶失稳模态影响很小，均在2%以内，其影响可以忽略。
对于工况Ⅰ，初应力施加于桥塔时，桥塔的稳定系数有所提高，这主要是桥塔以受压为主，施加残余拉应力时可以抵消部分轴向压屈荷载，但是贡献很小；而对施加到文章所述其他部位，则均对稳定起到不利的影响，最不利组合时，下降达到14%。
对于工况Ⅱ，焊接残余拉应力在本桥所施加的位置，对结构的稳定性均产生不利影响，当同时施加在下横梁和中桁架上弦杆时，影响最大，达13%，与裸塔时的最不利施加位置相同；这与周水兴在《钢管初应力对钢管混凝土拱桥承载力的影响研究》中表述的单肢钢管混凝土拱桥承载力在初应力系数控制为0.3时，承载力降低约10%的结果相近。
由上述结果可以看出，初应力对第一类失稳影响较大，而对第二类失稳影响相对较小。
2种工况下，第一类失稳时，考虑初应力与不考虑初应力时最大误差分别为-14.01%和-12.67%；第二类失稳时，2种情况下误差分别为-8.89%和-3.32%。
由此可见，初应力对极值点失稳的影响要小得多，这与有关文献结论相符。
2、焊接残余应力对铁路钢桥焊缝区域危险点列车振动动应力的影响武汉理工大学助理研究员刘嘉等以铜九线鄱阳湖铁路钢桁架桥梁为研究背景,采用符合电弧焊的双椭球热源模型,模拟出桥梁焊缝区域的焊接残余应力分布情况;同时叠加上铜九线鄱阳湖铁路钢桁架桥与焊缝节点连接的构件在列车过桥时的实测动应力,并将其施加在桥梁节点精确有限元模型上,分析得出在不同焊接残余应力作用下对鄱阳湖铁路钢桁架桥危险点的动应力响应的影响规律。
首先，对焊接残余应力进行模拟。
采用两步骤：先分析出在焊接热源作用下桥梁节点焊缝区域的温度场时程曲线,然后将温度时程曲线作为力学模型的荷载计算出焊缝区域的应力时程曲线,取常温下的应力作为桥梁节点焊缝区域的残余应力。
用ansys有限元分析软件分别建立焊接热源模型、桥梁节点有限元模型和焊接温度场模型，将所保留的温度场时程作为荷载施加到该节点力学有限元模型上,可实现对该节点的焊接应力的分析,取冷却完全后的结构应力作为该桥梁节点的焊接残余应力。
当时间为t=3674 s时,冷却阶段结束,焊件的温度接近预先设定的环境温度,此时的应力可近似认为是焊接残余应力。
图2给出Von Mises等效残余应力云图。
图2 残余应力Von Mises等效应力云图从图中可以看出,焊接残余应力主要分布于焊缝及附近区域,由于焊接模拟过程没有采用消除残余应力的措施,该处有应力集中现象明显。
其中最大焊接Von Mises等效残余应力值为511MPa,超过了钢材的屈服强度,最大焊接残余应力位于桥梁节点圆弧过渡处与上盖板的焊趾处。
其次，分析焊接残余应力对铁路钢桥焊缝节点区域动应力的影响。
在鄱阳湖铁路钢桁架桥焊缝节点有限元精确模型中读入焊接残余应力作为初始应力,然后施加计算所得到的外荷载,可对整个节点列车振动动应力响应进行分析。
本研究计算了当一列具有1节车头56节货车车厢的列车以70 km/h的速度经过铜九线鄱阳湖大桥钢桁架桥时,该下弦节点在六种不同初始焊接残余应力数值下的动应力响应,其中提取危险点(图2所示)的Von-Mises等效应力曲线如图3所示。
图3 六种情况下危险点Von-Mises等效应力时程曲线由图3(a)和图3(f)对比可知,当焊接节点考虑焊接残余应力作用时,两种情况下危险点的Von-Mises等效应力曲线变化规律相似,但是两者大小相差约十倍,这说明焊接残余应力起到了很大的作用,不能将其忽略。
由图3(b)、3(c)、3(d)、3(e)可知,四种情况下危险点的Von-Mises等效应力曲线变化规律同样相似。
焊接残余应力消除得越多,危险点的Von-Mises等效应力曲线变化的幅度即应力幅越小。
图3(b)中等效应力曲线的应力幅约为35MPa,图3(c)中等效应力曲线的应力幅约为25MPa,图3(d)中等效应力曲线的应力幅约为12MPa, 3(e)中等效应力曲线的应力幅约为5MPa。
按照焊接残余应力场分析中取消除40%后3的结果为节点模型的实际焊接残余应力,由图3(c)可知该节点模型在列车行驶作用下,其危险点的Von-Mises等效应力超过了高强度钢的屈服强度(345Mpa),危险点将发生低周应变疲劳破坏。
3、焊接残余应力对钢结构疲劳性能和裂纹扩展的影响西安南交通大学博士研究生周张义等针对机车车辆各焊接承载部件的结构疲劳性能，在广泛参考和借鉴国际上动态承载焊接结构的疲劳研究成果，并对各种现行国内外工业设计标准或规范进行对比研究的基础上，主要就焊接残余应力的结构疲劳性能影响及其考虑方式相关内容进行了详细和深入的研究。
经过研究，他们得出，在实际焊接承载部件中，残余拉应力对结构疲劳强度的不利影响可归结为以下一些定性结论：①压缩为主加载下的影响程度大于拉伸为主加载；②常幅加载下的影响程度大于变幅加载；③轴向加载下的影响程度大于弯曲加载；④高周加载下的影响程度大于低周加载；⑤接头应力集中低时的影响程度大于应力集中高时；⑥残余及外加应力多轴率高时的影响程度大于多轴率低时；⑦对复杂、厚壁结构的影响程度大于简单、薄壁结构。