建筑钢结构焊接残余应力的有限元预测与控制

摘要

建筑钢结构由于焊接产生的应力不仅决定了系统初始应力的大小，而且焊接残余应力的存在也会影响钢结构的安全性和结构稳定性。同时，由于高层建筑中的钢结构采用的钢板相对较厚，在焊接过程中因结构拘束导致较大的焊接应力。焊接过程中产生的应力会促进层状撕裂的产生，而焊接残余应力会降低结构的疲劳强度甚至导致结构发生脆性断裂。由于建筑钢结构体系的庞大而且复杂，目前对建筑钢结构初始应力的分析大多是定性分析，缺乏定量研究，如何有效的控制初始应力的状态，避免焊接接头的应力过分集中，以及如何减小焊接过程中的变形从而提高装配精度等问题，一直是钢结构行业关注的重点。　　首先，本文以钢结构中最典型的 Q390 厚板 T 字接头为研究对象，分别采用ABAQUS、MARC和SYSWELD三种不同的有限元软件对T字接头的焊接残余应力和变形进行了有限元计算，并与实验结果进行了对比。以实验测得的残余应力和变形的结果为参照可知，综合考虑到三种不同有限元软件的计算精度与计算效率的平衡，MARC 软件更有优势。因此，本文选取兼顾计算精度与计算效率的MARC软件进行后续的研究。　　本文基于 MARC 软件平台，开发了考虑蠕变效应的热-弹-塑性有限元计算方法，采用开发的方法模拟了Q345平板接头TIG重熔焊接过程和焊后热处理过程，重点研究了焊后热处理对焊接残余应力消除程度的影响，同时采用实验结果验证了计算结果。研究结果表明：通过焊后热处理可以使平板重熔接头的焊接残余应力峰值降低 70%-80%。采用只考虑保温阶段蠕变效应的简化材料模型，与同时考虑热处理整个过程的蠕变效应相比，在不损失计算精度的前提下可使计算效率提高10倍左右。　　对于不适合进行热处理的焊接结构，为了控制焊后的残余应力与变形，本研究以“35°+8”、“25°+8”和“25°+5”三种不同坡口的对接接头为研究对象，研究了不同的坡口角度与焊接间隙对残余应力和变形的影响。对“35°+8”、“25°+8”和“25°+5”三种接头焊后的残余应力、变形及焊材消耗量进行定量比较可知，通过减小坡口角度和焊接间隙，可使焊材消耗量和高拉伸残余应力的区域显著减小，而对残余应力的峰值影响不大。对于焊接变形，采用 35°+8 的坡口产生的角变形最大，采用 25°+8 的坡口可使角变形减小15%左右，而采用25°+5 的坡口产生的焊接角变形与25°+8坡口基本一致。　　此外，结合钢结构厚板焊接时易出现层状撕裂的现象，本文以70 mm厚的Q390轧制钢角接接头为研究对象，基于有限元方法计算结果从力学角度探讨了层状撕裂产生的原因。同时，基于有限元方法研究了坡口设计、焊接顺序和堆焊低强度熔覆层等对板厚方向焊接应力的影响，为通过改进焊接工艺的手段来控制应力，从而减小层状撕裂倾向提供了依据。结果表明：通过有限元方法预测的层状撕裂可能发生的位置与实际发生的位置吻合良好；从应力角度推测，层状撕裂的产生可能是由于焊接过程中的瞬态应力导致的，而并不是最终的残余应力引起的；通过优化坡口形式、焊接顺序、堆焊低强度熔覆层均可以在一定程度上减小厚板焊接接头的层状撕裂倾向。　　最后，通过本文所开发的采用“3D模型＋瞬间热源”的有限元计算方法，预测了国内建筑钢结构中大型复杂柱梁结构的焊接残余应力分布，这可以为工程实践中整体结构的安全性评估及结构优化提供一定的理论参考和指导。　　本论文通过模拟Q345钢TIG重熔焊过程及焊后热处理过程，基于数值模拟澄清了焊后热处理消除焊接残余应力的机理；采用“3D模型＋移动热源”研究了不同坡口形式对焊接变形及残余应力的影响；通过2D平面应变模型探讨了厚板焊接过程中力学因素对层状撕裂的影响；采用“3D模型＋瞬间热源”尝试计算了复杂形状钢结构的焊接残余应力分布特征。本研究取得的成果不仅在一定程度上丰富了焊接结构学的理论基础，同时对焊接结构的设计与生产也具有较高的工程应用价值。

目录

1 绪 论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 建筑钢结构中的焊接问题

1.3 焊接残余应力的预测与控制的研究现状

1.3.1 焊接残余应力和变形的预测研究现状

1.3.2 焊接残余应力的控制研究现状

1.4 本文研究的内容

2 不同有限元软件对Q390钢厚板T型接头焊接残余应力和变

2.1 研究内容

2.2 试验方法

2.3 有限元模拟方法

2.3.1 焊接温度场计算

2.3.2 应力和变形计算

2.3.3 计算案例

2.4.1 温度场结果

2.4.2 残余应力结果

2.4.3 焊接变形比较

2.4.4 计算效率比较

2.5 结论

3 蠕变对焊后热处理残余应力预测精度和计算效率的影响

3.1 研究内容

3.2 试验方法

3.2.1 单道重熔试件制作

3.2.2 焊后热处理试验

3.2.3 残余应力测量

3.3 有限元计算

3.3.1 有限元模型

3.3.2 热源模型

3.3.3 焊后热处理

3.3.4 计算案例

3.4.1 焊接温度场比较

3.4.2 残余应力比较

3.4.3 计算效率比较

3.4.4 热处理消除残余应力的机理探讨

3.4.5 保温时间对残余应力消除效果的影响

3.5 本章小结

4V形坡口的角度与焊接间隙对残余应力和变形的影响

4.1 研究内容

4.2 试验方法

4.3 有限元计算方法

4.3.1 有限元模型

4.3.2 计算案例

4.4.1 焊接温度场比较

4.4.2 焊接残余应力比较

4.4.3 焊接变形比较

4.4.4 焊缝金属填充量比较

4.5 本章小结

5 钢结构厚板层状撕裂力学因素探讨

5.1 研究内容

5.2.1 试验过程

5.2.2 有限元分析过程

5.2.3 结果比较与讨论

5.3.1 几何模型

5.3.2 有限元分析模型

5.3.3 计算案例

5.3.4 结果比较与讨论

5.4.1 几何模型

5.4.2 有限元分析模型

5.4.3 计算案例

5.4.4 结果比较与讨论

5.5 本章小结

6 高强钢大型柱梁结构焊接残余应力的预测

6.1 研究内容

6.2 柱梁结构简介

6.3 有限元模拟方法

6.4.1 焊接温度场

6.4.2 焊接应力场

6.4.3 柱梁连接焊缝的层状撕裂倾向

6.5 本章小结

7 结 论

参考文献

附录

A. 攻读硕士学位期间发表的论文

B.学位论文数据集

致谢