钢箱梁焊接节点残余应力与车致结构应力耦合计算方法

摘要

本发明公开了钢箱梁焊接节点残余应力与车致结构应力耦合计算方法，包括步骤1）：建立焊接残余应力与车致结构应力耦合效应简化模型；步骤2）基于典型顶板纵肋焊接细节残余应力分布模型，计算得到焊接引起的关键节点残余应力值；步骤3）对整体钢箱梁多尺度有限元模型进行车载效应模拟，采用简化节点力结构应力法，得到车载引起的关键节点结构应力值；步骤4）将结果代入步骤1）所建立的简化模型，得到车载作用下焊缝附近关键节点真实应力值。本发明可以高效的考虑焊接残余应力与车辆荷载双重作用对钢箱梁焊接节点疲劳性能的影响，为进一步提高此类焊接结构疲劳寿命评估的准确性奠定基础。

说明书

技术领域

本发明涉及钢箱梁焊接节点残余应力与车致结构应力耦合计算方法，主要用于钢箱桥梁疲劳损伤计算与寿命预测领域。

背景技术

带正交异性钢桥面板的扁平钢箱梁具有自重轻、承载力高、施工方便、气动性能好等优点，近年来广泛应用于各类大跨度桥梁、城市桥梁及改建加固桥梁的主梁结构。然而，正交异性钢桥面板构造复杂，其疲劳寿命主要由各类焊接细节共同决定，其中顶板与纵肋焊接节点疲劳裂纹对桥面系安全使用危害大且修复困难。已有测试表明，顶板焊缝区的残余应力水平接近材料屈服强度，与车辆荷载的双重作用是该类焊接节点疲劳损伤的主要诱因。因此，准确计算车载应力作用下焊接节点的真实应力水平是该类桥面系进行疲劳损伤评估和寿命预测的前提，也是当前桥梁工程领域的热点之一。

钢箱梁焊接节点附近残余应力分布本身具有高度非线性，其在车载作用下的耦合效应更为复杂，无论是采用试验测试还是数值方法得到焊接节点真实应力都将产生巨大的工作量，使得既有考虑焊接残余应力影响的钢桥面板疲劳寿命的评估方法难以应用在实际工程中，从而无法准确量化焊接残余应力与车辆荷载双重作用对钢箱梁焊接节点疲劳性能的影响，降低此类焊接结构疲劳寿命预测的准确性。因此，在对钢箱梁桥进行疲劳荷载效应分析时，有必要提供一种计算效率高且结果准确的焊接节点残余应力与车致结构应力耦合效应的简化计算方法。

本发明基于正交异性板理论和简化节点力结构应力法，提供钢箱梁焊接节点残余应力与车致结构应力耦合计算方法，并通过数值模拟方法验证其计算结果的准确性，为钢箱梁桥焊接节点进一步疲劳评估和维护提供了理论基础，具有广泛的应用前景。

发明内容

本发明的目的是提供钢箱梁焊接节点残余应力与车致结构应力耦合计算方法，重点解决如何高效率的考虑焊接残余应力与车辆荷载双重作用对钢箱梁焊接节点疲劳性能的影响，为进一步提高此类焊接结构疲劳寿命评估的准确性奠定基础。

为实现以上的技术目的，本发明提供的钢箱梁桥焊接节点残余应力与车致结构应力耦合效应简化计算方法为：

S1：基于类Pelikan-Esslinger法，建立焊接残余应力与车致结构应力耦合效应简化模型；

S2：基于典型顶板纵肋焊接细节残余应力分布模型，计算得到焊接引起的关键节点残余应力值；

S3：建立整体钢箱梁多尺度有限元模型，进行车载效应模拟，采用简化节点力结构应力法，计算得到车载引起的关键节点结构应力值；

S4：将S2和S3的计算结果代入S1所建立的简化模型，得到车载作用下焊缝附近关键节点真实耦合应力值。

进一步的，所述S1建立焊接残余应力与车致结构应力耦合效应简化模型具体包括：

基于类Pelikan-Esslinger法，将焊接产生的初始残余应力与外荷载引起的结构应力耦合作用等效为初等梁的弹塑性屈服分析过程；

在弹塑性阶段，焊趾截面横向耦合应力σ

式(1)中，σ

进一步的，所述S2中具体包括采用焊接结构残余应力分析中的热-结构耦合分析法，进行顶板纵肋焊接节点残余应力分析获得典型顶板纵肋焊接细节横向残余应力分布模型。

进一步的，所述S3具体包括为：

S3.1：根据实际桥梁顶板纵肋焊接节点构造与尺寸，采用八节点六面体的solid70单元，其对应的结构单元为solid185单元，建立局部顶板纵肋节点有限元模型；

S3.2：根据实际桥梁设计图纸，采用shell63弹性壳单元建立整体钢箱梁模型，将S3.1 所建立局部顶板纵肋节点有限元模型嵌入整体钢箱梁模型之中，建立整体钢箱梁多尺度有限元模型；

S3.3：对S3.2建立整体钢箱梁多尺度有限元模型进行两端简支约束，施加车辆荷载，采用简化节点力结构应力法，计算得到车载引起的关键节点结构应力值。

进一步的，所述S3.2的整体钢箱梁多尺度有限元模型中壳-实体单元连接方式为刚性连接。

进一步的，所述S3.3基于简化节点力结构应力法，顶板纵肋节点焊趾截面车辆荷载作用下横向结构应力分布为：

式(2)中，F

本发明的有益效果：针对既有钢箱梁桥焊接节点疲劳评估方法的不足，本发明基于正交异性板理论和简化节点力结构应力法提供钢箱梁焊接节点残余应力与车致结构应力耦合计算方法。该方法通过典型顶板纵肋焊接节点残余应力分布模型得到焊接引起的关键节点残余应力值，通过对整体钢箱梁多尺度有限元模型进行车载效应模拟，基于简化节点力结构应力法得到车载引起的关键节点结构应力值，进而通过接残余应力与车载应力耦合效应简化模型得到车载作用下焊缝附近关键节点真实应力值，为进一步提高此类焊接结构疲劳寿命评估的准确性奠定基础。该方法可以高效且精确的考虑焊接残余应力与车辆荷载双重作用对钢箱梁焊接节点疲劳性能的影响，具有很好的实用价值，可得到广泛推广和应用。

附图说明

图1为本发明钢箱梁桥焊接节点残余应力与车致结构应力耦合效应的简化计算方法的流程图；

图2为本发明钢箱梁顶板纵肋焊接节点的示意图；

图3为本发明整体钢箱梁多尺度有限元模型建立流程示意图；

图4为本发明疲劳车辆荷载模型横向和纵向示意图；

图5为本发明疲劳车辆荷载加载示意图；

图6为本发明焊趾截面节点力与弯矩绕板中面在整个截面上合力矩示意图；

图7为本发明焊接残余应与车致结构应力叠加示意图；

图8为钢箱梁顶板纵肋节点横向残余应力分布模型。

具体实施方式

下面结合附图1-8和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的钢箱梁焊接节点残余应力与车致结构应力耦合计算方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：基于类Pelikan-Esslinger法，建立焊接残余应力与车致结构应力耦合效应简化模型，将焊接产生的初始残余应力与外荷载引起的结构应力耦合作用等效为初等梁的弹塑性屈服分析过程，图7为关键节点焊接残余应与车致结构应力叠加示意图；

在弹塑性阶段，焊趾截面横向耦合应力σ

式(1)中，σ

步骤2：基于典型顶板纵肋焊接细节残余应力分布模型，计算得到焊接引起的关键节点残余应力值：

图8为典型顶板纵肋焊接节点横向残余应力分布模型，其中B为顶板宽度；b

σ

σ

式(2)和(3)中，t为顶板厚度；σ

步骤3：建立整体钢箱梁多尺度有限元模型，进行车载效应模拟，采用简化节点力结构应力法，计算得到车载引起的关键节点结构应力值。

步骤3.1，根据实际桥梁顶板纵肋焊接节点构造与尺寸，采用八节点六面体的solid70 单元，其对应的结构单元为solid185单元，建立局部顶板纵肋节点有限元模型；

步骤3.2，根据实际桥梁设计图纸，采用shell63弹性壳单元建立整体钢箱梁模型，将第3.1步骤所建立局部顶板纵肋节点有限元模型嵌入整体钢箱梁模型之中，建立整体钢箱梁多尺度有限元模型；

此外，整体钢箱梁多尺度有限元模型中壳-实体单元连接方式为刚性连接，在ANSYS有限元分析软件中，接触连接区域solid185实体单元表面和shell63壳单元节点分别定义 Targe170目标单元和Conta175接触单元，接触算法为多点约束算法；

步骤3.3，对第步骤3.2所建立整体钢箱梁多尺度有限元模型进行两端简支约束，施加车辆荷载，采用简化节点力结构应力法，计算得到车载引起的关键节点结构应力值。

此外，基于简化节点力结构应力法顶板纵肋节点焊趾截面车辆荷载作用下横向结构应力分布为：

式(4)中，F

步骤4：将步骤2和步骤3的结果代入步骤1所建立的简化模型，得到车载作用下焊缝附近关键节点真实耦合应力值。

具体的实施例：

既有研究表明，萌生于顶板焊趾的疲劳裂纹发生频率高并且易发展为顶板贯穿型裂纹，故下面以江阴长江大桥钢箱梁顶板纵肋焊接细节焊趾截面为例，说明本发明的具体实施过程：

步骤1：基于类Pelikan-Esslinger法，对图2所示的钢箱梁桥顶板纵肋焊接节点进行受力分析，将焊接产生的初始残余应力与外荷载引起的结构应力耦合作用等效为初等梁的弹塑性屈服分析过程。在弹塑性阶段，焊趾截面横向耦合应力σ

式(5)中，σ

进一步，焊趾节点横向耦合应力σ

式(6)中，σ

步骤2：基于典型顶板纵肋焊接节点残余应力分布模型，计算得到焊接引起的关键节点残余应力值。

采用焊接结构残余应力分析中常见的热-结构耦合分析法，进行顶板纵肋焊接节点残余应力分析，得到图8典型顶板纵肋焊接节点横向残余应力分布模型，详见文献[1]。其中B为顶板宽度；b

σ

σ

式(7)和(8)中，t为顶板厚度；σ

根据图2实施例中江阴长江大桥焊接节点尺寸构造细节为：顶板厚度t为12mm，肋板厚度为6mm，代入式(3)计算得到

步骤3：建立整体钢箱梁多尺度有限元模型，进行车载效应模拟，采用简化节点力结构应力法，计算得到车载引起的关键节点结构应力值。

步骤3.1，根据图2所示江阴长江大桥顶板纵肋焊接节点构造与尺寸，采用ANSYS有限元分析软件，对0.5个U肋范围建立solid185实体单元局部顶板纵肋焊接节点有限元模型，如图3所示。焊缝处网格尺寸取为2mm，远离焊缝处最大网格尺寸为8mm。

步骤3.2，根据江阴长江大桥钢箱梁结构体系的设计图纸，采用shell63弹性壳单元建立整体钢箱梁模型，如图3所示，将步骤3.1所建立局部顶板纵肋节点有限元模型嵌入整体钢箱梁模型之中，建立整体钢箱梁多尺度有限元模型。此外，整体钢箱梁多尺度有限元模型中壳-实体单元连接方式为刚性连接接触连接区域solid185实体单元表面和shell63壳单元节点分别定义Targe170目标单元和Conta175接触单元，接触算法为多点约束算法。

步骤3.3，对步骤3.2所建立整体钢箱梁多尺度有限元模型进行两端简支约束，施加车辆荷载，如图4所示。采用简化节点力结构应力法计算车载引起的关键节点结构应力值，详见文献[2]。该方法将沿板厚方向共线的一组节点F

式(9)中，F

式(10)中，σ

当网格划分均匀(l

式(11)中，t为顶板厚度，y为所求节点距离中和轴的位置。对于本实施例焊趾节点y＝t/2，式(11)进一步简化为：

由于实施例中选用4次循环应力的变幅车辆荷载模型，因此，车载引起的焊趾节点横向结构应力值σ

步骤4：将步骤2和步骤3的结果代入步骤1所建立的简化模型，得到车载作用下焊缝附近关键节点真实耦合应力值σ

表1

表1基于残余应力与车致结构应力耦合效应的简化计算方法的各参数计算结果单位

(MPa)

参考文献

[1]曹宝雅，丁幼亮.板件厚度对钢桥面板顶板纵肋焊接残余应力的影响分析[J].东南大学学报：自然科学版，2016，46(3):7.

[2]Dong P，Pei X，Xing S，et al.A structural strain method for low-cyclefatigue evaluation of welded components[J].International Journal of PressureVessels and Piping，2014，119：39-51.

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。