桥梁钢结构典型构造焊接残余应力及变形的预测与控制

With the steel structures widely used in bridge engineering, welding as the main connection of bridge steel structures which generate relatively large deformation and high residual stress has seriously affected the accuracy of manufacturing and installation, increased workloads to straighten welding distortion, reduced the production efficiency, and adversely effected on the fatigue life and durability of bridge structures. However, to date, there has been relatively little research on welding distortion and residual stress of bridge steel structures both at home and abroad. Meanwhile, in the process of manufacture, the post-welding treatments are usually used to adjust welding residual stress and distortion passively. So it is necessary to do a systematic and deep research on the welding residual stress and distortion of bridge steel structure. From the perspective of design and welding technology of bridge steel structure, this research is intended to actively decrease the maximum of welding residual tensile stress, reduce the distribution area of high tensile stress, control welding distortion and increase the accuracy of manufacturing and installation of bridge steel structure, by means of numerical stimulation and experimental test. Besides important theoretical and practical significance, the anticipated results of this project are beneficial to improve design specifications of bridges steel structure; meanwhile, the results have some referential value and play a positive role in promoting the establishment of bridge welding code in our country.

随着钢结构在桥梁工程中的广泛应用，焊接作为桥梁钢结构连接的主要方式，其较大的焊接变形及残余应力严重影响着桥梁钢结构的制造、安装精度，增加了焊接变形矫正工作量，降低了生产效率，同时对桥梁结构的疲劳寿命和耐久性等也有不利的影响。当前国内外对桥梁钢结构的焊接变形及残余应力研究相对较少，实际生产中也往往采用被动的焊后处理方式来调整焊接残余应力与变形，因此，有必要对桥梁钢结构典型构造焊接残余应力与焊接变形的预测与控制进行系统深入的研究。本项目拟通过数值模拟和实验测试，从构造设计和焊接工艺层面，主动地去降低桥梁钢结构焊接残余拉应力峰值、缩小高残余拉应力区域；控制桥梁钢结构典型构造的焊接变形，提高制造与安装精度。本项目的预期研究成果不仅具有重要的理论意义和实际的工程应用价值，而且有利于我国公路、铁路桥梁钢结构设计规范的修订与完善，并对我国《桥梁焊接规范》的制定有一定的参考价值和积极的推动作用。

本项目围绕着桥梁钢结构典型构造焊接残余应力与变形预测与控制的主题，运用模拟与测试相结合的手段开展研究，主要研究成果包括：① 为实现焊接热源模型参数求解的“建模参数化”和“求解程序化”，基于计算机图形学与优化设计法提出了一种双椭球热源模型参数的求解方法，并采用VB语言开发了求解程序；② 为消除塑性应变对盲孔法测试精度的影响，采用蒙特卡罗法拓展了应变释放系数经验公式的取值范围，同时基于ANSYS优化设计，借助迭代手段提出了一种消除塑性应变影响的“简易迭代法”，该方法计算简单、迭代收敛快、且不受应力水平的限制；③ 为解决依靠残余塑性应变预测焊接变形偏小的问题，利用焊缝塑性区的局部变形，建立了预测焊接变形的“焊接变形源法”，进而提出了一种计算正交异性钢桥面板焊接横向弯曲的简易方法；④ 为探究正交异性钢桥面板焊接残余应力的大小与分布，以足尺模型为对象，对焊接残余应力进行了模拟与测试，并提出了正交异性钢桥面板用于整体分析和局部分析的焊接残余应力简化图示；⑤ 为探究Q345qD厚板焊接残余应力的空间分布，采用局部逐层铣削盲孔法测试了六种厚度的对接焊试板，并基于实测数据修正了现有的焊接残余应力分布经验公式，同时对16mm、30mm厚试板进行了焊接数值模拟，揭示了钢板厚度、应变硬化对残余应力场的影响；⑥ 为描述钢管拱桥T型相贯节点焊接残余应力，对其焊接过程进行了数值模拟，给出了T型相贯节点焊接残余应力的空间分布；⑦ 为调控桥梁钢结构焊接残余应力，开展了喷丸表面处理试验，定量分析了喷丸强化对焊接残余应力的影响，同时开展了振动时效工艺对正交异性钢桥面板焊接残余应力消除效果的研究，验证了振动时效工艺的有效性；⑧ 为研究焊接残余应力对疲劳性能的影响，基于线弹性断裂力学研究了不同裂纹几何形态下焊接残余应力对半椭圆表面裂纹应力强度因子的影响。通过本研究加深了桥梁钢结构焊接残余应力与变形的理解，研究成果具有广泛的应用前景。