基于有限元分析的鋼橋典型構(gòu)造焊接殘余應(yīng)力研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，鋼橋憑借其高強(qiáng)度、輕量化、施工速度快以及良好的跨越能力等顯著優(yōu)勢(shì)，成為了跨越江河、峽谷、海灣等復(fù)雜地形的首選結(jié)構(gòu)形式，在公路、鐵路、城市軌道交通等領(lǐng)域都發(fā)揮著舉足輕重的作用。例如，港珠澳大橋作為世界上最長(zhǎng)的跨海大橋，其中就包含了大量的鋼橋結(jié)構(gòu)，其主橋的鋼箱梁采用了先進(jìn)的焊接技術(shù)進(jìn)行拼接，展現(xiàn)了鋼橋在大型交通工程中的關(guān)鍵地位，不僅實(shí)現(xiàn)了三地的快速交通連接，還極大地促進(jìn)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的協(xié)同發(fā)展。然而，在鋼橋的制造過程中，焊接作為一種常用的連接方式，雖然能夠有效地實(shí)現(xiàn)鋼材之間的連接，但不可避免地會(huì)產(chǎn)生焊接殘余應(yīng)力。焊接殘余應(yīng)力是指在焊接過程結(jié)束后，殘留在焊件內(nèi)部的應(yīng)力。這是由于焊接時(shí)局部區(qū)域經(jīng)歷了不均勻的加熱和冷卻過程，導(dǎo)致焊件不同部位的熱脹冷縮程度不一致，從而產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。研究表明，焊接殘余應(yīng)力可能達(dá)到甚至超過鋼材的屈服強(qiáng)度，對(duì)鋼橋的性能和壽命產(chǎn)生諸多負(fù)面影響。從力學(xué)性能角度來看，焊接殘余應(yīng)力會(huì)改變鋼橋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀態(tài)。在結(jié)構(gòu)承受外荷載時(shí)，焊接殘余應(yīng)力與外荷載產(chǎn)生的應(yīng)力相互疊加，可能使局部區(qū)域的應(yīng)力水平過高，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)提前進(jìn)入塑性變形階段，降低結(jié)構(gòu)的整體承載能力。例如，在橋梁的關(guān)鍵受力部位，如主梁與橫梁的連接處，焊接殘余應(yīng)力與車輛荷載產(chǎn)生的應(yīng)力疊加后，可能使該部位的實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)應(yīng)力，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)的變形甚至破壞。焊接殘余應(yīng)力也是誘發(fā)鋼橋疲勞破壞的重要因素之一。鋼橋在服役過程中，會(huì)承受頻繁的交變荷載，如車輛的往復(fù)行駛、風(fēng)荷載的周期性作用等。焊接殘余應(yīng)力的存在，會(huì)增大焊接部位的應(yīng)力幅，加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而顯著降低鋼橋的疲勞壽命。據(jù)統(tǒng)計(jì)，許多鋼橋的早期破壞都是由于焊接部位的疲勞裂紋引發(fā)的，嚴(yán)重影響了橋梁的安全運(yùn)營(yíng)和使用壽命。此外，焊接殘余應(yīng)力還可能導(dǎo)致鋼橋發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。在腐蝕環(huán)境下，焊接殘余應(yīng)力會(huì)促使鋼材表面的腐蝕過程加速，降低鋼材的耐腐蝕性能，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耐久性下降。例如，在跨海鋼橋中，海水的侵蝕與焊接殘余應(yīng)力的共同作用，會(huì)使鋼橋的關(guān)鍵部位更容易出現(xiàn)腐蝕開裂現(xiàn)象，增加了橋梁的維護(hù)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。為了深入了解焊接殘余應(yīng)力對(duì)鋼橋性能的影響，并為鋼橋的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，有限元分析方法應(yīng)運(yùn)而生。有限元分析是一種基于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法，它能夠?qū)?fù)雜的工程結(jié)構(gòu)離散為有限個(gè)單元，通過對(duì)每個(gè)單元的力學(xué)分析，來求解整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。在鋼橋焊接殘余應(yīng)力研究中，有限元分析具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。有限元分析可以精確地模擬焊接過程中的熱-彈塑性行為，考慮材料的非線性、幾何非線性以及接觸非線性等復(fù)雜因素，從而準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。通過建立合理的有限元模型，可以直觀地展示焊接過程中溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化，為研究焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理提供了有力的工具。利用有限元分析方法，還可以對(duì)不同焊接工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式和材料特性等因素對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響進(jìn)行系統(tǒng)研究。通過改變模型中的參數(shù)，可以快速得到不同工況下的焊接殘余應(yīng)力分布結(jié)果，從而為優(yōu)化焊接工藝、改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，有效地提高鋼橋的制造質(zhì)量和性能。有限元分析還可以與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的焊接殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)，可以用于驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性；而有限元分析結(jié)果則可以為實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，兩者相輔相成，共同推動(dòng)鋼橋焊接殘余應(yīng)力研究的深入發(fā)展。綜上所述，研究鋼橋典型構(gòu)造焊接殘余應(yīng)力具有重要的工程實(shí)際意義。通過有限元分析方法深入研究焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律及其影響因素，不僅有助于揭示鋼橋的力學(xué)行為和破壞機(jī)理，還能為鋼橋的設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工控制和維護(hù)管理提供科學(xué)依據(jù)，從而提高鋼橋的安全性、可靠性和耐久性，降低工程成本，保障現(xiàn)代交通的安全暢通。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)于鋼橋焊接殘余應(yīng)力的研究起步較早，在理論分析、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值模擬等方面都取得了豐富的成果。在理論研究方面，早在20世紀(jì)中葉，學(xué)者們就開始關(guān)注焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理和計(jì)算方法。如D.C.Drucker等人基于熱彈塑性理論，提出了焊接殘余應(yīng)力的基本計(jì)算模型，為后續(xù)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。隨著力學(xué)理論的不斷發(fā)展，學(xué)者們進(jìn)一步考慮了材料的非線性、幾何非線性以及焊接過程中的相變等復(fù)雜因素，對(duì)焊接殘余應(yīng)力的理論計(jì)算方法進(jìn)行了不斷完善。例如，H.E.Davis通過引入材料的應(yīng)變硬化模型，改進(jìn)了焊接殘余應(yīng)力的計(jì)算方法，使其能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)際焊接過程中的應(yīng)力分布。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試方面，國(guó)外發(fā)展了多種先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)來測(cè)量焊接殘余應(yīng)力。X射線衍射法是一種常用的無(wú)損檢測(cè)方法，它利用X射線與晶體相互作用產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象，來測(cè)定材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力。該方法具有測(cè)量精度高、對(duì)材料表面損傷小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于鋼橋焊接殘余應(yīng)力的測(cè)試中。如德國(guó)的FraunhoferInstituteforNon-DestructiveTesting在鋼橋焊接殘余應(yīng)力的X射線檢測(cè)方面進(jìn)行了大量的研究工作，開發(fā)了一系列先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備和技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的高精度殘余應(yīng)力測(cè)量。中子衍射技術(shù)也在焊接殘余應(yīng)力測(cè)試中得到了應(yīng)用。中子具有較強(qiáng)的穿透能力，能夠深入材料內(nèi)部進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量，尤其適用于測(cè)量厚板焊接結(jié)構(gòu)的殘余應(yīng)力分布。英國(guó)的RutherfordAppletonLaboratory利用中子衍射技術(shù)，對(duì)大型鋼橋構(gòu)件的焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了研究，獲得了材料內(nèi)部三維殘余應(yīng)力分布的詳細(xì)信息，為鋼橋的結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)提供了重要的數(shù)據(jù)支持。在有限元分析應(yīng)用方面，國(guó)外學(xué)者率先將有限元方法引入焊接殘余應(yīng)力的研究領(lǐng)域。ANSYS、ABAQUS等大型通用有限元軟件在鋼橋焊接殘余應(yīng)力模擬中得到了廣泛應(yīng)用。例如，美國(guó)的學(xué)者利用ANSYS軟件對(duì)鋼橋的焊接過程進(jìn)行了模擬，通過建立詳細(xì)的熱-彈塑性有限元模型，考慮了焊接熱源的移動(dòng)、材料的熱物理性能隨溫度的變化等因素，成功地預(yù)測(cè)了焊接殘余應(yīng)力的分布情況，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，取得了較好的一致性。日本的研究團(tuán)隊(duì)在鋼橋焊接殘余應(yīng)力的有限元模擬方面也取得了顯著成果。他們通過改進(jìn)焊接熱源模型，如采用雙橢球熱源模型來更精確地模擬焊接過程中的熱輸入，提高了有限元模擬的準(zhǔn)確性。同時(shí)，還考慮了焊接順序、約束條件等因素對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響，為鋼橋的焊接工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)。1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)于鋼橋焊接殘余應(yīng)力的研究近年來發(fā)展迅速，在借鑒國(guó)外先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)工程實(shí)際，開展了大量的研究工作。在理論研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者在焊接殘余應(yīng)力的計(jì)算理論和方法上進(jìn)行了深入研究。一些學(xué)者針對(duì)國(guó)內(nèi)常用的鋼材和焊接工藝，建立了適合我國(guó)國(guó)情的焊接殘余應(yīng)力計(jì)算模型。例如，清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)不同焊接工藝下鋼材的熱-彈塑性行為進(jìn)行研究，提出了一種考慮材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的焊接殘余應(yīng)力計(jì)算方法，該方法在實(shí)際工程應(yīng)用中取得了較好的效果。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試方面，國(guó)內(nèi)也開展了廣泛的研究工作。除了采用X射線衍射法、中子衍射法等國(guó)外常用的測(cè)試技術(shù)外，還發(fā)展了一些具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的測(cè)試方法。如中國(guó)鐵道科學(xué)研究院研發(fā)的基于應(yīng)變片法的焊接殘余應(yīng)力測(cè)試技術(shù)，通過在焊接構(gòu)件表面粘貼應(yīng)變片，測(cè)量焊接過程中及焊接后的應(yīng)變變化，進(jìn)而計(jì)算出焊接殘余應(yīng)力。該方法具有操作簡(jiǎn)單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)鋼橋工程中得到了一定的應(yīng)用。在有限元分析應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用有限元軟件對(duì)鋼橋焊接殘余應(yīng)力進(jìn)行了大量的模擬研究。針對(duì)不同類型的鋼橋結(jié)構(gòu)，如正交異性鋼橋面板、鋼箱梁、鋼桁架等，建立了相應(yīng)的有限元模型，分析了焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律及其影響因素。例如，西南交通大學(xué)的學(xué)者通過建立全熔透U肋加勁正交異性鋼橋面板的有限元模型，研究了不同焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響，為鋼橋面板的焊接工藝優(yōu)化提供了參考依據(jù)。一些高校和科研機(jī)構(gòu)還將有限元分析與實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合，開展了鋼橋焊接殘余應(yīng)力的多尺度研究。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的微觀組織和力學(xué)性能數(shù)據(jù)，為有限元模型的建立提供了更準(zhǔn)確的材料參數(shù)，從而提高了有限元模擬的精度。同時(shí)，有限元分析結(jié)果也為實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)驗(yàn)的相互驗(yàn)證和補(bǔ)充。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足國(guó)內(nèi)外在鋼橋焊接殘余應(yīng)力和有限元分析應(yīng)用方面已經(jīng)取得了豐碩的成果，但仍存在一些不足之處和可拓展方向。從研究?jī)?nèi)容來看，雖然對(duì)焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理、分布規(guī)律和影響因素等方面進(jìn)行了大量研究，但對(duì)于一些復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)和新型焊接工藝，如混合焊接工藝在鋼橋中的應(yīng)用，其焊接殘余應(yīng)力的研究還相對(duì)較少。此外，對(duì)于焊接殘余應(yīng)力與鋼橋結(jié)構(gòu)疲勞、腐蝕等性能之間的耦合作用機(jī)制，目前的研究還不夠深入，需要進(jìn)一步開展系統(tǒng)的研究。在有限元分析方面，雖然有限元軟件在鋼橋焊接殘余應(yīng)力模擬中得到了廣泛應(yīng)用，但模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率仍然是需要解決的問題。如何更準(zhǔn)確地模擬焊接過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象，如焊接熱源的精確描述、材料的相變過程等，以及如何提高大規(guī)模復(fù)雜模型的計(jì)算效率，是當(dāng)前有限元分析面臨的挑戰(zhàn)。在實(shí)驗(yàn)研究方面，現(xiàn)有的測(cè)試技術(shù)雖然能夠測(cè)量焊接殘余應(yīng)力，但在測(cè)量精度、測(cè)量范圍和對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性等方面還存在一定的局限性。需要進(jìn)一步發(fā)展和完善新的測(cè)試技術(shù)，以滿足鋼橋焊接殘余應(yīng)力研究的需求。未來的研究可以朝著以下幾個(gè)方向拓展：一是加強(qiáng)對(duì)新型焊接工藝和復(fù)雜焊接結(jié)構(gòu)的焊接殘余應(yīng)力研究，為鋼橋的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和施工提供技術(shù)支持。二是深入研究焊接殘余應(yīng)力與鋼橋結(jié)構(gòu)其他性能之間的耦合作用機(jī)制，建立更加完善的鋼橋結(jié)構(gòu)性能評(píng)估體系。三是不斷改進(jìn)有限元分析方法和技術(shù)，提高模型的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率，同時(shí)結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼橋焊接殘余應(yīng)力的智能化預(yù)測(cè)和分析。四是進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)，提高焊接殘余應(yīng)力的測(cè)量精度和可靠性，為理論研究和數(shù)值模擬提供更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文旨在通過有限元分析深入研究鋼橋典型構(gòu)造的焊接殘余應(yīng)力，具體研究?jī)?nèi)容與方法如下：有限元軟件選擇：選用在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛、功能強(qiáng)大的ANSYS軟件進(jìn)行鋼橋典型構(gòu)造焊接殘余應(yīng)力的模擬分析。ANSYS軟件具備豐富的單元庫(kù)、材料模型以及強(qiáng)大的非線性求解能力，能夠很好地滿足焊接過程復(fù)雜熱-彈塑性分析的需求。其熱分析模塊可以精確模擬焊接過程中的溫度場(chǎng)變化，結(jié)構(gòu)分析模塊則能準(zhǔn)確計(jì)算焊接殘余應(yīng)力分布，并且擁有友好的用戶界面和完善的后處理功能，便于對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行可視化處理和數(shù)據(jù)提取。模型建立方法：依據(jù)鋼橋典型構(gòu)造的實(shí)際尺寸和幾何形狀，利用ANSYS軟件的前處理模塊建立精確的三維實(shí)體模型。對(duì)于焊接區(qū)域，采用細(xì)化網(wǎng)格劃分技術(shù)，以提高計(jì)算精度，準(zhǔn)確捕捉焊接過程中溫度和應(yīng)力的劇烈變化。在材料屬性定義方面，充分考慮鋼材在不同溫度下的熱物理性能和力學(xué)性能變化，如彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)、比熱容等，通過查閱相關(guān)材料手冊(cè)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取準(zhǔn)確的參數(shù)，并在軟件中進(jìn)行合理設(shè)置。考慮焊接過程中的各種復(fù)雜因素，如焊接熱源的移動(dòng)、材料的熔化與凝固、相變等。選擇合適的焊接熱源模型，如雙橢球熱源模型，該模型能夠較好地模擬實(shí)際焊接過程中熱源的分布和熱輸入情況。通過控制熱源的功率、移動(dòng)速度、作用時(shí)間等參數(shù)，使其與實(shí)際焊接工藝相匹配。同時(shí)，考慮焊接過程中的對(duì)流和輻射散熱，通過設(shè)置相應(yīng)的邊界條件來模擬熱量的散失。數(shù)據(jù)處理方式：模擬計(jì)算完成后，利用ANSYS軟件的后處理模塊對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析和處理。提取焊接殘余應(yīng)力在不同部位的分布數(shù)據(jù)，繪制應(yīng)力云圖、應(yīng)力分布曲線等，直觀地展示焊接殘余應(yīng)力的大小和分布規(guī)律。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算應(yīng)力的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，評(píng)估焊接殘余應(yīng)力的離散程度和分布特征。為了驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或已有的研究成果進(jìn)行對(duì)比分析。如果存在差異，分析原因并對(duì)模型進(jìn)行修正和優(yōu)化，直到模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符。通過數(shù)據(jù)處理和分析，深入研究焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律及其影響因素，為鋼橋的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。二、鋼橋典型構(gòu)造與焊接工藝2.1鋼橋典型構(gòu)造類型及特點(diǎn)在現(xiàn)代橋梁工程中，鋼橋憑借其卓越的力學(xué)性能和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于各類交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。根據(jù)主要承重結(jié)構(gòu)的受力體系，鋼橋可分為梁式橋、拱橋、剛構(gòu)橋、斜拉橋等多種類型，每種類型都具有獨(dú)特的構(gòu)造特點(diǎn)和受力特性。梁式橋是最為常見的鋼橋類型之一，其主梁在豎直荷載作用下，主要承受彎矩和剪力，不產(chǎn)生軸力，支座僅承受豎直方向的力，不承受水平力。這種受力特點(diǎn)使得梁式橋的結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)理論和施工技術(shù)也較為成熟。梁式橋又可細(xì)分為簡(jiǎn)支梁橋、連續(xù)梁橋和懸臂梁橋。簡(jiǎn)支梁橋的梁在橋墩上不連續(xù)，結(jié)構(gòu)受力明確，施工方便，常用于中小跨度的橋梁建設(shè)；連續(xù)梁橋在橋墩上連續(xù)，通過合理布置橋墩位置和梁的長(zhǎng)度，能夠有效減小梁的彎矩，提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和穩(wěn)定性，適用于較大跨度的橋梁；懸臂梁橋在橋墩處連續(xù)，橋孔內(nèi)中斷，線路通過掛梁過渡到另一根梁上，其結(jié)構(gòu)具有一定的靈活性，可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整懸臂長(zhǎng)度和掛梁跨度。鋼梁式橋按主梁形式還可分為鋼板梁橋、鋼箱梁橋和鋼桁梁橋。鋼板梁橋構(gòu)造簡(jiǎn)單，制造和安裝方便，但隨著跨度的增加，其自重也會(huì)顯著增加，因此一般適用于中小跨度橋梁；鋼箱梁橋具有較大的抗扭剛度和抗彎剛度，能夠承受較大的荷載，常用于大跨度橋梁和對(duì)結(jié)構(gòu)剛度要求較高的場(chǎng)合；鋼桁梁橋由桁架桿件組成，結(jié)構(gòu)輕巧，跨越能力大，在大跨度鐵路橋梁和公路橋梁中應(yīng)用廣泛。世界上最大跨度的梁式橋是1917年建成的加拿大魁北克公路鐵路兩用懸臂鋼桁梁橋，跨度達(dá)到548.8m，展現(xiàn)了梁式橋在大跨度橋梁建設(shè)中的重要地位。拱橋以曲線形拱作為主體結(jié)構(gòu)，外形美觀，受力合理，跨越能力大，適用范圍廣。與梁式橋不同，拱橋在豎向荷載作用下，拱的兩端支承處除有豎向反力外，還有水平推力，這使得拱內(nèi)彎矩和剪力大大減小，主要以受壓為主。這種受力特性使得拱橋能夠充分發(fā)揮材料的抗壓性能，節(jié)省鋼材用量，同時(shí)也對(duì)地基承載能力提出了較高要求。為了承受拱腳的水平推力，拱橋可采用設(shè)置堅(jiān)固基礎(chǔ)的有推力拱形式，適用于地基良好的橋位；也可采用在拱的兩端設(shè)置拉索或系桿的無(wú)推力拱形式，即系桿拱，適用于地基較差的橋位。根據(jù)橋面與拱肋的相對(duì)位置，拱橋又可分為上承式拱橋、中承式拱橋和下承式拱橋。上承式拱橋的橋面在拱肋上方，結(jié)構(gòu)整體性好，行車平穩(wěn)；中承式拱橋的橋面一部分在拱肋上方，一部分在拱肋下方，造型獨(dú)特，結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜；下承式拱橋的橋面在拱肋下方，通過吊桿將橋面與拱肋相連，具有較大的橋下凈空，常用于城市景觀橋梁和對(duì)橋下凈空要求較高的場(chǎng)合。重慶朝天門長(zhǎng)江大橋主跨達(dá)552米，是目前世界上最大跨度的拱橋之一，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和壯觀的外形，成為了拱橋建筑的杰出代表。剛構(gòu)橋的梁體與橋墩或橋臺(tái)連為一體，其受力兼有梁橋與拱橋的一些特點(diǎn)，主要承重結(jié)構(gòu)為偏心受壓和受彎。剛構(gòu)橋的結(jié)構(gòu)剛度大，整體性好，能夠適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件和較大的荷載。目前鋼剛構(gòu)橋的最大跨度是1972年建成的意大利斯法拉薩橋，跨度達(dá)到376m；我國(guó)1976年建成的陜西安康江漢大橋，跨徑達(dá)到176m，為我國(guó)鋼斜腿剛構(gòu)橋之首。與門式剛架相比，斜腿剛架的腿是斜置的，兩腿和梁中部的軸線大致呈拱形，這樣，斜腿和梁所受的彎矩比同跨度的門式剛架顯著減小，而軸向壓力有所增加。剛構(gòu)橋適用于需要較大橋下凈空和建筑高度受到限制的情況，如立交橋、高架橋等，在城市交通建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。斜拉橋是將梁用若干根斜拉繩索拉在索塔上的結(jié)構(gòu)形式，斜拉索不僅為梁提供彈性支承，而且其水平分力對(duì)梁產(chǎn)生很大的軸力。這種結(jié)構(gòu)形式使得梁內(nèi)彎矩大大減小，從而增大了橋梁的跨越能力。斜拉橋的鋼梁以正交異性鋼箱為主，也有邊箱中板式，塔型有H型、倒Y型、A型、鉆石型等多種形式，鋼索一般采用自錨體系。斜拉橋具有梁體尺寸較小、跨越能力大、受橋下凈空和橋面標(biāo)高限制小、抗風(fēng)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，便于無(wú)支架施工。蘇通大橋是世界著名的斜拉橋之一，其主跨1088米，索塔高度達(dá)300.4米，展現(xiàn)了斜拉橋在大跨度橋梁建設(shè)中的卓越技術(shù)和創(chuàng)新能力。2.2鋼橋焊接工藝概述焊接在鋼橋建造中占據(jù)著舉足輕重的地位，是實(shí)現(xiàn)鋼材連接的關(guān)鍵技術(shù)手段。在鋼橋制造過程中，無(wú)論是鋼梁的拼接、鋼箱梁的組裝，還是各種連接件的安裝，焊接都起著不可或缺的作用。焊縫質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到鋼橋的結(jié)構(gòu)安全和服役壽命，焊接效率的高低則在很大程度上決定了鋼橋產(chǎn)品的制造周期。以港珠澳大橋?yàn)槔?，其鋼箱梁的焊接工作量巨大，焊接質(zhì)量的嚴(yán)格控制確保了大橋在復(fù)雜海洋環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，而高效的焊接工藝則保障了工程的順利推進(jìn)，按時(shí)完成了建設(shè)任務(wù)。在鋼橋焊接中，常見的焊接方法有多種，每種方法都有其獨(dú)特的原理和適用場(chǎng)景。電弧焊是一種應(yīng)用廣泛的焊接方法，其原理是利用電弧作為熱源，在焊條和工件之間產(chǎn)生高溫電弧，使焊條和焊件局部熔化，從而實(shí)現(xiàn)兩者的連接。在焊接過程中，電弧的高溫能夠迅速熔化金屬，形成熔池，隨著焊條的移動(dòng)，熔池冷卻凝固后形成焊縫。由于其操作相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)備成本較低，電弧焊在鋼橋的一般性結(jié)構(gòu)焊接中應(yīng)用普遍，如鋼梁的拼接、鋼橋面板與加勁肋的連接等。在一些中小跨度鋼橋的建造中，大量采用電弧焊來連接各個(gè)構(gòu)件，能夠滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，且施工成本較為經(jīng)濟(jì)。氣體保護(hù)焊也是鋼橋焊接中常用的方法之一，包括熔化極惰性氣體保護(hù)焊（MIG）和熔化極活性氣體保護(hù)焊（MAG）。氣體保護(hù)焊使用連續(xù)送絲的方式，在焊接過程中，金屬絲被電弧熔化，同時(shí)由保護(hù)氣體覆蓋焊接區(qū)域，防止金屬熔池與空氣接觸而發(fā)生氧化。保護(hù)氣體可以是惰性氣體（如氬氣），也可以是在惰性氣體中加入少量活性氣體（如氧氣、二氧化碳?xì)獾龋?。MIG焊適用于焊接有色金屬及其合金、不銹鋼及某些合金鋼等，其焊接質(zhì)量高，焊縫成型美觀；MAG焊則在焊接低碳鋼及低合金鋼時(shí)具有較好的效果，焊接生產(chǎn)率高，成本相對(duì)較低。在鋼橋的薄壁構(gòu)件焊接或?qū)缚p質(zhì)量要求較高的部位，如鋼箱梁的內(nèi)部隔板焊接，常采用氣體保護(hù)焊，能夠有效保證焊接質(zhì)量，減少焊接缺陷的產(chǎn)生。埋弧焊是一種自動(dòng)焊接方法，電弧在焊劑層下燃燒，利用焊絲和焊件之間燃燒的電弧產(chǎn)生的熱量，熔化焊絲、焊劑和母材，形成焊縫。焊劑在焊接過程中不僅起到保護(hù)熔池的作用，還參與冶金反應(yīng)，改善焊縫的化學(xué)成分和性能。埋弧焊具有焊接生產(chǎn)率高、焊縫質(zhì)量好、焊接成本低等優(yōu)點(diǎn)，常用于鋼橋的長(zhǎng)直焊縫焊接，如鋼梁的腹板與翼緣板的連接焊縫等。由于其焊接過程自動(dòng)化程度高，能夠在保證焊接質(zhì)量的同時(shí)，提高焊接效率，適用于大規(guī)模的鋼橋制造。鎢極氬弧焊（TIG）則是在惰性氣體保護(hù)下，利用鎢極與焊件間產(chǎn)生的電弧熱熔化母材和填充焊絲（也可不加填充焊絲），形成焊縫。在焊接過程中，鎢極不熔化，作為電極提供電弧，氬氣作為保護(hù)氣體，能夠有效地防止焊縫氧化，保證焊接質(zhì)量。TIG焊的焊接過程穩(wěn)定，焊縫質(zhì)量高，幾乎可以焊接所有金屬材料，尤其適用于焊接不銹鋼、高溫合金、鋁、鎂、鈦及其合金等金屬。在鋼橋的一些關(guān)鍵部位或?qū)附淤|(zhì)量要求極高的零部件焊接中，如橋梁的重要節(jié)點(diǎn)連接、特殊鋼材的焊接等，TIG焊能夠發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，確保焊接接頭的可靠性。不同的焊接方法在鋼橋焊接中各有優(yōu)劣，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要根據(jù)鋼橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、鋼材類型、焊接位置、質(zhì)量要求以及施工條件等因素綜合考慮，選擇最合適的焊接方法，以確保鋼橋的焊接質(zhì)量和施工效率。2.3焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生機(jī)理焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的物理過程，主要源于焊接過程中局部不均勻加熱、熱脹冷縮效應(yīng)、組織變化以及剛性拘束等因素的綜合作用。在焊接過程中，焊接熱源對(duì)焊件進(jìn)行局部加熱，使得焊接區(qū)域及其附近的溫度急劇升高，而遠(yuǎn)離焊接區(qū)域的溫度則相對(duì)較低，從而導(dǎo)致焊件不同部位的溫度分布極不均勻。以鋼橋的焊接為例，在焊接點(diǎn)附近，溫度可能瞬間升高到鋼材的熔點(diǎn)以上，而距離焊接點(diǎn)稍遠(yuǎn)的部位，溫度升高則相對(duì)較小。這種局部不均勻加熱是焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的首要原因。由于焊件各部位溫度不同，熱脹冷縮的程度也存在差異。在焊接區(qū)域，金屬受熱膨脹，而周圍溫度較低的金屬則限制其膨脹，從而在焊接區(qū)域產(chǎn)生壓應(yīng)力；在冷卻過程中，焊接區(qū)域的金屬收縮，又受到周圍已冷卻金屬的約束，導(dǎo)致在焊接區(qū)域產(chǎn)生拉應(yīng)力。這種因熱脹冷縮引起的應(yīng)力變化貫穿整個(gè)焊接過程，是形成焊接殘余應(yīng)力的重要因素。焊接過程中，焊縫及熱影響區(qū)的金屬會(huì)經(jīng)歷快速的加熱和冷卻過程，這會(huì)導(dǎo)致金屬的組織發(fā)生變化。不同的組織具有不同的比容，當(dāng)組織發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，比容的變化會(huì)引起體積的改變，從而產(chǎn)生組織應(yīng)力。例如，在低碳鋼的焊接中，高溫下的奧氏體在快速冷卻時(shí)可能轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，馬氏體的比容比奧氏體大，這種體積變化會(huì)在焊件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)一步加劇了焊接殘余應(yīng)力的形成。焊件本身的剛性以及外部的約束條件也會(huì)對(duì)焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和分布產(chǎn)生重要影響。如果焊件的剛性較大，在焊接過程中其變形受到限制，就會(huì)產(chǎn)生較大的焊接殘余應(yīng)力；同樣，外部的剛性拘束，如焊接夾具、定位裝置等，也會(huì)阻礙焊件的自由變形，導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力的增加。在鋼橋的大型構(gòu)件焊接中，由于構(gòu)件本身的尺寸和重量較大，剛性較強(qiáng)，焊接殘余應(yīng)力的問題往往更為突出。三、有限元分析理論基礎(chǔ)3.1有限元方法基本原理有限元方法（FiniteElementMethod，F(xiàn)EM）是一種高效、通用的數(shù)值計(jì)算方法，在現(xiàn)代工程分析領(lǐng)域占據(jù)著核心地位，其基本原理是將一個(gè)連續(xù)的求解域（如復(fù)雜的鋼橋結(jié)構(gòu)）離散為有限個(gè)相互連接的單元，通過對(duì)這些單元的分析和組合，來逼近整個(gè)結(jié)構(gòu)的真實(shí)力學(xué)行為。這一過程類似于將一幅復(fù)雜的拼圖拆分成眾多小塊，每一小塊代表一個(gè)單元，然后通過對(duì)每小塊的研究，最終完成對(duì)整幅拼圖的理解。在有限元分析中，首先要對(duì)實(shí)際的工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理。以鋼橋?yàn)槔瑢⑵鋸?fù)雜的幾何形狀，如主梁、橋墩、橋面板等，分割成各種形狀和大小的單元，常見的單元類型包括三角形單元、四邊形單元、四面體單元和六面體單元等。這些單元通過節(jié)點(diǎn)相互連接，形成一個(gè)離散的計(jì)算模型。單元的劃分需要根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和分析精度的要求來確定，在關(guān)鍵部位（如焊接區(qū)域）或應(yīng)力變化劇烈的地方，采用較小尺寸的單元進(jìn)行細(xì)化網(wǎng)格劃分，以提高計(jì)算精度；而在結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、應(yīng)力分布較為均勻的區(qū)域，則可以使用較大尺寸的單元，以減少計(jì)算量。在鋼橋的焊接部位，由于焊接過程中溫度和應(yīng)力變化復(fù)雜，需要采用細(xì)密的網(wǎng)格來準(zhǔn)確捕捉其力學(xué)響應(yīng)；而在遠(yuǎn)離焊接區(qū)域的主梁部分，網(wǎng)格劃分可以相對(duì)稀疏一些。為了描述單元內(nèi)的物理量（如位移、應(yīng)力、應(yīng)變等）的變化規(guī)律，需要選擇合適的插值函數(shù)，也稱為形狀函數(shù)。形狀函數(shù)通常是基于單元節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)和物理量值來構(gòu)造的，它能夠近似地表示單元內(nèi)任意一點(diǎn)的物理量。例如，對(duì)于二維三角形單元，常用的線性插值函數(shù)可以通過三個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移值來表示單元內(nèi)任意一點(diǎn)的位移。通過選擇合適的形狀函數(shù)，可以將單元內(nèi)的物理量與節(jié)點(diǎn)的物理量聯(lián)系起來，從而建立起單元的力學(xué)方程?；趶椥粤W(xué)中的幾何方程、物理方程和平衡方程，對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行力學(xué)分析，建立單元的剛度矩陣。單元?jiǎng)偠染仃嚸枋隽藛卧?jié)點(diǎn)力與節(jié)點(diǎn)位移之間的關(guān)系，它反映了單元的力學(xué)特性，如彈性模量、泊松比等材料屬性以及單元的幾何形狀和尺寸。對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的梁?jiǎn)卧鋭偠染仃嚳梢愿鶕?jù)材料的彈性模量、梁的截面慣性矩以及單元的長(zhǎng)度等參數(shù)來計(jì)算。通過單元?jiǎng)偠染仃?，可以將作用在單元上的外力（如集中力、分布力等）轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)力，進(jìn)而求解節(jié)點(diǎn)位移。將所有單元的剛度矩陣按照一定的規(guī)則進(jìn)行組裝，形成整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣。同時(shí)，將作用在結(jié)構(gòu)上的外荷載等效地分配到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，形成節(jié)點(diǎn)荷載向量。根據(jù)結(jié)構(gòu)的平衡條件和邊界條件，建立起整體結(jié)構(gòu)的有限元方程，通常表示為矩陣形式：K\cdotU=F，其中K是整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣，U是節(jié)點(diǎn)位移向量，F(xiàn)是節(jié)點(diǎn)荷載向量。這個(gè)方程描述了結(jié)構(gòu)在荷載作用下的力學(xué)平衡關(guān)系，通過求解該方程，可以得到節(jié)點(diǎn)的位移值。利用數(shù)值計(jì)算方法（如高斯消去法、迭代法等）求解有限元方程，得到節(jié)點(diǎn)的位移解。根據(jù)節(jié)點(diǎn)位移，可以進(jìn)一步計(jì)算出單元的應(yīng)力、應(yīng)變等物理量，從而得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。在實(shí)際計(jì)算中，為了提高計(jì)算效率和精度，還需要對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行優(yōu)化，如采用合適的求解器、預(yù)處理技術(shù)等。有限元方法的核心思想可以概括為“化整為零，積零為整”。通過將復(fù)雜的連續(xù)體離散為有限個(gè)單元，將一個(gè)大規(guī)模的求解問題轉(zhuǎn)化為多個(gè)小規(guī)模的單元問題進(jìn)行求解，然后再將各個(gè)單元的解組合起來，得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的近似解。雖然有限元解是近似的，但隨著單元數(shù)量的增加和網(wǎng)格的細(xì)化，解的精度可以不斷提高，能夠滿足工程實(shí)際的需求。在鋼橋焊接殘余應(yīng)力的分析中，通過有限元方法可以精確地模擬焊接過程中的熱-彈塑性行為，預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律，為鋼橋的設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)提供重要的理論依據(jù)。3.2焊接殘余應(yīng)力有限元分析方法在鋼橋焊接殘余應(yīng)力的有限元分析中，為了準(zhǔn)確模擬焊接這一復(fù)雜的熱-結(jié)構(gòu)耦合過程，常采用生死單元技術(shù)和熱-結(jié)構(gòu)順序耦合法。生死單元技術(shù)是一種模擬焊接過程的有效手段，它通過控制單元在模型加載過程中的“生死”狀態(tài)，來模擬焊接過程中材料的熔化和凝固現(xiàn)象。在焊接開始前，將代表焊縫區(qū)域的單元設(shè)置為“死單元”，此時(shí)這些單元的材料屬性（如彈性模量、密度等）和載荷（如體積力、表面力等）均被設(shè)置為零，它們不參與模型的計(jì)算。隨著焊接熱源的移動(dòng)，當(dāng)熱源作用到某個(gè)區(qū)域時(shí)，將該區(qū)域?qū)?yīng)的“死單元”激活，使其轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧鷨卧?，此時(shí)這些單元具有正常的材料屬性和載荷，開始參與模型的計(jì)算，從而模擬了焊縫金屬的填充過程。在某鋼橋焊接殘余應(yīng)力的模擬中，利用生死單元技術(shù)成功地模擬了焊接過程中焊縫金屬的逐步填充，準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了焊接殘余應(yīng)力的分布。生死單元技術(shù)能夠直觀地反映焊接過程中材料的變化，提高模擬的準(zhǔn)確性，但該技術(shù)對(duì)計(jì)算資源的要求較高，計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。熱-結(jié)構(gòu)順序耦合法是另一種常用的模擬方法，它將焊接過程分為熱分析和結(jié)構(gòu)分析兩個(gè)階段。在熱分析階段，利用有限元方法求解焊接過程中的瞬態(tài)溫度場(chǎng)，考慮焊接熱源的移動(dòng)、材料的熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射等熱傳遞方式。通過選擇合適的焊接熱源模型，如雙橢球熱源模型、高斯熱源模型等，來描述焊接熱源的分布和熱輸入情況。雙橢球熱源模型能夠較好地模擬實(shí)際焊接過程中熱源的不對(duì)稱性和能量分布，在鋼橋焊接殘余應(yīng)力分析中得到了廣泛應(yīng)用。在獲得焊接過程的溫度場(chǎng)分布后，將溫度場(chǎng)結(jié)果作為載荷施加到結(jié)構(gòu)分析模型中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，求解焊接殘余應(yīng)力場(chǎng)。這種方法充分考慮了溫度對(duì)材料力學(xué)性能的影響，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)焊接殘余應(yīng)力。在進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力有限元分析時(shí)，材料的熱物理和力學(xué)性能參數(shù)是至關(guān)重要的輸入信息。材料的熱物理性能參數(shù)，如熱傳導(dǎo)系數(shù)、比熱容、熱膨脹系數(shù)等，會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生顯著改變。在高溫下，鋼材的熱傳導(dǎo)系數(shù)會(huì)降低，比熱容會(huì)增大，熱膨脹系數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，這些變化會(huì)影響焊接過程中的溫度分布和熱應(yīng)力的產(chǎn)生。因此，需要準(zhǔn)確獲取材料在不同溫度下的熱物理性能參數(shù)，并在有限元模型中進(jìn)行合理設(shè)置?？梢酝ㄟ^查閱相關(guān)的材料手冊(cè)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試或采用經(jīng)驗(yàn)公式來確定這些參數(shù)。材料的力學(xué)性能參數(shù)，如彈性模量、泊松比、屈服強(qiáng)度等，同樣會(huì)受到溫度的影響。在高溫下，鋼材的彈性模量會(huì)降低，屈服強(qiáng)度也會(huì)下降，材料的力學(xué)行為會(huì)發(fā)生顯著變化。在有限元分析中，需要考慮材料力學(xué)性能隨溫度的變化關(guān)系，采用合適的本構(gòu)模型來描述材料的熱-彈塑性行為。常用的本構(gòu)模型包括雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型、多線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型等，這些模型能夠較好地模擬鋼材在焊接過程中的力學(xué)行為。3.3常用有限元軟件介紹在鋼橋焊接殘余應(yīng)力的有限元分析領(lǐng)域，ANSYS和ABAQUS是兩款應(yīng)用廣泛且功能強(qiáng)大的有限元軟件，它們?cè)诤附託堄鄳?yīng)力分析方面展現(xiàn)出各自獨(dú)特的功能特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。ANSYS軟件由ANSYS公司開發(fā)，是一款綜合性的大型通用有限元分析軟件，其功能覆蓋結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等多個(gè)物理場(chǎng)，在工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在焊接殘余應(yīng)力分析中，ANSYS具備豐富的單元庫(kù)，能夠滿足不同類型焊接結(jié)構(gòu)的建模需求。對(duì)于復(fù)雜的鋼橋結(jié)構(gòu)，如正交異性鋼橋面板，ANSYS可以通過選用合適的殼單元和實(shí)體單元，精確地模擬其幾何形狀和力學(xué)行為。它擁有強(qiáng)大的材料模型庫(kù)，支持多種材料本構(gòu)模型，能夠準(zhǔn)確描述鋼材在焊接過程中的熱-彈塑性行為。在模擬鋼材在高溫下的力學(xué)性能變化時(shí)，ANSYS的雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型可以有效地考慮材料的屈服和強(qiáng)化特性，為焊接殘余應(yīng)力的計(jì)算提供準(zhǔn)確的材料參數(shù)。ANSYS提供了多種熱源模型，如高斯熱源模型、雙橢球熱源模型等，用戶可以根據(jù)實(shí)際焊接工藝選擇合適的熱源模型，以精確模擬焊接過程中的熱輸入。在模擬鋼橋的焊接過程時(shí)，采用雙橢球熱源模型能夠更好地反映焊接熱源的不對(duì)稱性和能量分布，提高溫度場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確性。該軟件還支持生死單元技術(shù)，能夠模擬焊接過程中材料的熔化和凝固現(xiàn)象，從而更真實(shí)地模擬焊接過程。在焊接殘余應(yīng)力的計(jì)算方面，ANSYS具有高效的求解器，能夠快速準(zhǔn)確地求解大規(guī)模的非線性有限元方程，得到焊接殘余應(yīng)力的分布結(jié)果。ANSYS的后處理功能也非常強(qiáng)大，能夠以多種方式展示焊接殘余應(yīng)力的分布，如應(yīng)力云圖、應(yīng)力分布曲線等，方便用戶直觀地分析結(jié)果。ABAQUS軟件是達(dá)索系統(tǒng)公司旗下的一款功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，在結(jié)構(gòu)分析領(lǐng)域，尤其是非線性分析方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。在焊接殘余應(yīng)力分析中，ABAQUS同樣具備完善的功能。它擁有先進(jìn)的網(wǎng)格劃分技術(shù)，能夠?qū)?fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分，確保計(jì)算精度。對(duì)于鋼橋的復(fù)雜焊接節(jié)點(diǎn)，ABAQUS可以通過自適應(yīng)網(wǎng)格劃分技術(shù)，在應(yīng)力變化劇烈的區(qū)域自動(dòng)加密網(wǎng)格，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。ABAQUS的材料模型庫(kù)也十分豐富，支持各種線性和非線性材料模型，能夠準(zhǔn)確模擬鋼材在不同溫度和應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)性能。在模擬焊接過程中的相變問題時(shí)，ABAQUS的材料模型可以考慮相變對(duì)材料性能的影響，更全面地分析焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和分布。在焊接熱源模擬方面，ABAQUS提供了靈活的熱源加載方式，用戶可以根據(jù)實(shí)際焊接工藝自定義熱源的形狀、大小和熱流密度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程的精確模擬。ABAQUS在處理接觸問題方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠準(zhǔn)確模擬焊接過程中焊件之間的接觸行為，考慮接觸對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響。在計(jì)算效率方面，ABAQUS采用了先進(jìn)的并行計(jì)算技術(shù)，能夠大大縮短計(jì)算時(shí)間，提高分析效率。其后處理模塊也非常強(qiáng)大，能夠?qū)附託堄鄳?yīng)力的結(jié)果進(jìn)行深入分析和處理，生成各種圖表和報(bào)告，為用戶提供詳細(xì)的信息。ANSYS和ABAQUS在鋼橋焊接殘余應(yīng)力分析中都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。ANSYS功能全面，適用范圍廣，在材料模型和求解器方面表現(xiàn)出色；ABAQUS則在非線性分析和網(wǎng)格劃分等方面具有優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶可以根據(jù)具體的分析需求和問題特點(diǎn)，選擇合適的有限元軟件，或者結(jié)合使用兩款軟件，以充分發(fā)揮它們的優(yōu)勢(shì)，提高焊接殘余應(yīng)力分析的準(zhǔn)確性和效率。四、鋼橋典型構(gòu)造焊接殘余應(yīng)力有限元模型建立4.1模型選取與簡(jiǎn)化以某實(shí)際大跨度鋼橋項(xiàng)目的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和U肋加勁鋼橋面板作為研究對(duì)象，開展焊接殘余應(yīng)力的有限元分析。該鋼橋是連接重要交通樞紐的關(guān)鍵工程，其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，承受著巨大的荷載，而U肋加勁鋼橋面板則是直接承受車輛荷載的重要結(jié)構(gòu)部件，對(duì)其焊接殘余應(yīng)力的研究具有重要的工程意義。在建立有限元模型時(shí)，對(duì)復(fù)雜的鋼橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化是至關(guān)重要的步驟。簡(jiǎn)化的原則是在不影響關(guān)鍵力學(xué)行為和分析精度的前提下，盡可能降低模型的復(fù)雜性，提高計(jì)算效率。對(duì)于鋼橋節(jié)點(diǎn)，忽略一些對(duì)整體力學(xué)性能影響較小的細(xì)節(jié)特征，如螺栓孔的倒角、小的工藝孔等。這些細(xì)節(jié)雖然在實(shí)際結(jié)構(gòu)中存在，但在宏觀的力學(xué)分析中，它們對(duì)焊接殘余應(yīng)力的分布影響甚微。通過簡(jiǎn)化這些細(xì)節(jié)，可以減少模型的單元數(shù)量和計(jì)算量，同時(shí)避免因細(xì)節(jié)過多導(dǎo)致的網(wǎng)格劃分困難和計(jì)算不收斂問題。對(duì)于U肋加勁鋼橋面板，考慮到其主要承受面內(nèi)荷載和局部彎曲荷載，在保證結(jié)構(gòu)整體剛度和力學(xué)性能的前提下，對(duì)一些次要的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行簡(jiǎn)化。將U肋與橋面板之間的焊縫簡(jiǎn)化為理想的連接模型，忽略焊縫的具體形狀和微小的幾何缺陷，因?yàn)檫@些因素在宏觀的焊接殘余應(yīng)力分析中，對(duì)整體結(jié)果的影響相對(duì)較小。在模擬U肋加勁鋼橋面板的焊接過程時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注焊接熱源的作用和熱-結(jié)構(gòu)耦合效應(yīng)，而對(duì)一些不直接影響焊接殘余應(yīng)力分布的表面粗糙度、微小的加工誤差等因素進(jìn)行忽略。在幾何建模過程中，采用先進(jìn)的三維建模軟件（如SolidWorks、Pro/E等）進(jìn)行鋼橋典型構(gòu)造的幾何模型創(chuàng)建。這些軟件具有強(qiáng)大的幾何建模功能，能夠準(zhǔn)確地構(gòu)建復(fù)雜的鋼橋結(jié)構(gòu)幾何形狀。在構(gòu)建鋼橋節(jié)點(diǎn)模型時(shí)，精確繪制節(jié)點(diǎn)的各個(gè)部件，包括連接板、加勁肋、主體桿件等，確保各部件之間的連接關(guān)系和幾何尺寸準(zhǔn)確無(wú)誤。對(duì)于U肋加勁鋼橋面板，詳細(xì)定義橋面板的尺寸、U肋的間距、高度和厚度等參數(shù)，以及它們之間的連接方式，為后續(xù)的有限元分析提供準(zhǔn)確的幾何模型。將在三維建模軟件中創(chuàng)建好的幾何模型導(dǎo)入到有限元分析軟件（如ANSYS、ABAQUS等）中進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。在導(dǎo)入過程中，確保模型的幾何信息完整準(zhǔn)確，避免出現(xiàn)模型變形、丟失部件等問題。通過合理的模型選取與簡(jiǎn)化，能夠在保證分析精度的前提下，提高有限元分析的效率，為深入研究鋼橋典型構(gòu)造的焊接殘余應(yīng)力提供可靠的模型基礎(chǔ)。4.2材料參數(shù)設(shè)定在鋼橋焊接殘余應(yīng)力的有限元分析中，準(zhǔn)確設(shè)定材料參數(shù)是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本研究針對(duì)所選鋼橋典型構(gòu)造，采用的鋼材為Q345qD橋梁用鋼，其具有良好的綜合力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于各類大型鋼橋建設(shè)中。對(duì)于鋼材的熱物理性能參數(shù)，熱導(dǎo)率是衡量材料傳導(dǎo)熱量能力的重要指標(biāo)。在常溫下，Q345qD鋼的熱導(dǎo)率約為51.9W/（m?K），但隨著溫度的升高，熱導(dǎo)率會(huì)逐漸下降。當(dāng)溫度達(dá)到600℃時(shí)，熱導(dǎo)率降至約35W/（m?K），這是因?yàn)楦邷叵略拥臒徇\(yùn)動(dòng)加劇，阻礙了熱量的傳導(dǎo)。比熱容是指單位質(zhì)量的物質(zhì)溫度升高1℃所吸收的熱量，Q345qD鋼在常溫下的比熱容約為480J/（kg?K），隨著溫度的升高，比熱容逐漸增大，在800℃時(shí)，比熱容可達(dá)到約650J/（kg?K），這反映了鋼材在高溫下儲(chǔ)存熱量的能力增強(qiáng)。熱膨脹系數(shù)描述了材料在溫度變化時(shí)的膨脹或收縮特性，Q345qD鋼的熱膨脹系數(shù)在常溫下約為1.2×10??/℃，且隨著溫度的升高略有增加，在500℃時(shí)，熱膨脹系數(shù)約為1.4×10??/℃，這種熱膨脹特性在焊接過程中會(huì)導(dǎo)致材料的變形和應(yīng)力產(chǎn)生。鋼材的力學(xué)性能參數(shù)同樣對(duì)焊接殘余應(yīng)力分析至關(guān)重要。彈性模量是材料在彈性變形階段，應(yīng)力與應(yīng)變的比值，它反映了材料抵抗彈性變形的能力。Q345qD鋼在常溫下的彈性模量約為206GPa，隨著溫度的升高，彈性模量顯著降低。當(dāng)溫度達(dá)到500℃時(shí)，彈性模量降至約110GPa，這意味著鋼材在高溫下更容易發(fā)生彈性變形。泊松比是指材料在單向受拉或受壓時(shí)，橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值，Q345qD鋼的泊松比在常溫下約為0.3，在不同溫度下泊松比變化較小，基本維持在0.28-0.32之間。屈服強(qiáng)度是材料開始產(chǎn)生明顯塑性變形時(shí)的應(yīng)力值，Q345qD鋼在常溫下的屈服強(qiáng)度不低于345MPa，隨著溫度的升高，屈服強(qiáng)度急劇下降，在600℃時(shí)，屈服強(qiáng)度僅為常溫下的30%左右。為了獲取這些材料參數(shù)，研究團(tuán)隊(duì)查閱了大量的相關(guān)材料手冊(cè)，這些手冊(cè)中詳細(xì)記錄了Q345qD鋼在不同溫度下的熱物理和力學(xué)性能參數(shù)。團(tuán)隊(duì)還參考了相關(guān)的試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)是通過對(duì)Q345qD鋼進(jìn)行實(shí)際的物理性能測(cè)試得到的，具有較高的可靠性和準(zhǔn)確性。通過綜合分析這些材料手冊(cè)和試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，能夠更全面、準(zhǔn)確地了解Q345qD鋼的性能特點(diǎn)，為有限元模型提供更精確的材料參數(shù)，從而提高焊接殘余應(yīng)力模擬的準(zhǔn)確性。4.3單元選擇與網(wǎng)格劃分在有限元分析中，單元選擇與網(wǎng)格劃分對(duì)計(jì)算精度和效率起著決定性作用。對(duì)于鋼橋典型構(gòu)造焊接殘余應(yīng)力的模擬，選用合適的三維實(shí)體單元類型至關(guān)重要。ANSYS軟件提供了豐富的單元庫(kù)，如SOLID185、SOLID186、SOLID187等單元類型，都適用于三維實(shí)體結(jié)構(gòu)的分析。SOLID185是一種8節(jié)點(diǎn)六面體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3個(gè)平動(dòng)自由度，適用于模擬各種三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，具有計(jì)算效率較高、對(duì)復(fù)雜幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。在模擬鋼橋的大型構(gòu)件，如主梁、橋墩等，SOLID185單元能夠較好地描述其幾何形狀和力學(xué)行為。該單元在處理一些形狀規(guī)則、應(yīng)力分布相對(duì)均勻的區(qū)域時(shí)，能夠以較少的單元數(shù)量獲得較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，從而提高計(jì)算效率。SOLID186則是20節(jié)點(diǎn)六面體高階單元，除了具備平動(dòng)自由度外，還具有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，能夠更精確地描述單元內(nèi)的位移和應(yīng)力變化。由于其高階插值函數(shù)的特性，SOLID186單元在模擬復(fù)雜的非線性問題，如焊接過程中的熱-彈塑性行為時(shí)，具有更高的精度。在鋼橋焊接區(qū)域，由于溫度和應(yīng)力變化劇烈，采用SOLID186單元可以更準(zhǔn)確地捕捉這些變化，提高模擬結(jié)果的可靠性。然而，高階單元的計(jì)算量相對(duì)較大，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件性能要求較高。SOLID187是10節(jié)點(diǎn)四面體單元，適用于對(duì)復(fù)雜幾何形狀進(jìn)行網(wǎng)格劃分，能夠靈活地填充模型中的不規(guī)則區(qū)域。在鋼橋結(jié)構(gòu)中，一些特殊部位，如節(jié)點(diǎn)處的復(fù)雜幾何形狀，使用四面體單元可以更容易地進(jìn)行網(wǎng)格劃分。但四面體單元的計(jì)算精度相對(duì)較低，在應(yīng)力變化較大的區(qū)域，可能需要加密網(wǎng)格才能獲得較好的計(jì)算結(jié)果。在實(shí)際建模過程中，需要綜合考慮鋼橋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、計(jì)算精度要求和計(jì)算機(jī)性能等因素，選擇合適的單元類型。對(duì)于鋼橋的主體結(jié)構(gòu)，如主梁、橋面板等，可根據(jù)其幾何形狀和應(yīng)力分布情況，優(yōu)先選擇六面體單元，以提高計(jì)算效率和精度。在一些復(fù)雜的焊接區(qū)域或幾何形狀不規(guī)則的部位，如鋼橋節(jié)點(diǎn)處，可以適當(dāng)使用四面體單元進(jìn)行過渡和填充。采用合適的網(wǎng)格劃分策略是保證計(jì)算精度和效率的關(guān)鍵。對(duì)于鋼橋典型構(gòu)造，整體上采用結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的網(wǎng)格劃分方法。在結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則、應(yīng)力分布均勻的區(qū)域，如主梁的大部分區(qū)域，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，這種方法生成的網(wǎng)格質(zhì)量高，計(jì)算效率快。而在焊接區(qū)域、應(yīng)力集中區(qū)域或結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的部位，如U肋與橋面板的連接部位、鋼橋節(jié)點(diǎn)處，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，提高網(wǎng)格劃分的靈活性。為了更準(zhǔn)確地捕捉焊接殘余應(yīng)力的分布，對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行局部加密處理。在焊接區(qū)域，由于熱源的作用，溫度和應(yīng)力變化非常劇烈，采用較小尺寸的單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，可以更精確地描述這些變化。在鋼橋面板與U肋的焊接處，將網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5mm，而在遠(yuǎn)離焊接區(qū)域的橋面板部分，網(wǎng)格尺寸可設(shè)置為20mm。通過這種局部加密的網(wǎng)格劃分策略，既能保證在關(guān)鍵區(qū)域獲得較高的計(jì)算精度，又能控制整體模型的規(guī)模和計(jì)算量。在網(wǎng)格劃分過程中，還需要對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查和優(yōu)化。通過計(jì)算單元的長(zhǎng)寬比、雅克比行列式等指標(biāo)，評(píng)估網(wǎng)格質(zhì)量。一般要求單元的長(zhǎng)寬比不超過5：1，雅克比行列式的值在合理范圍內(nèi)，以確保網(wǎng)格的質(zhì)量滿足計(jì)算要求。對(duì)于質(zhì)量較差的單元，可通過調(diào)整節(jié)點(diǎn)位置、合并或拆分單元等方法進(jìn)行優(yōu)化，提高網(wǎng)格的質(zhì)量和計(jì)算的穩(wěn)定性。4.4焊接熱源模型選擇在鋼橋焊接殘余應(yīng)力的有限元模擬中，焊接熱源模型的選擇至關(guān)重要，它直接影響到溫度場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響焊接殘余應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果。常見的焊接熱源模型有高斯熱源模型、雙橢球熱源模型等，每種模型都有其特點(diǎn)和適用范圍。高斯熱源模型將焊接電弧的熱流密度假設(shè)為以電弧中心為對(duì)稱軸的高斯分布，其熱流密度公式為：q(r)=\frac{3\etaUI}{\piR^{2}}e^{-\frac{3r^{2}}{R^{2}}}，其中，q(r)表示距電弧中心距離為r處的熱流密度，\eta為焊接熱效率，U為焊接電壓，I為焊接電流，R為電弧有效加熱半徑。高斯熱源模型適用于模擬表面加熱的焊接過程，如鎢極氬弧焊等，對(duì)于熔深較淺的焊接情況能夠取得較好的模擬效果。在一些薄板鋼橋的焊接模擬中，由于焊接過程主要是表面加熱，高斯熱源模型可以準(zhǔn)確地描述熱流密度分布，從而較好地預(yù)測(cè)焊接溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力分布。雙橢球熱源模型由Goldak提出，該模型將焊接熱源分為前后兩個(gè)部分，前半部分和后半部分均為1/4橢球，更符合實(shí)際焊接過程中熱源的不對(duì)稱性和能量分布。其熱流密度分布函數(shù)分別為：前半部分q_{f}(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}f_{f}\etaUI}{\pi\sqrt{\pi}abc_{1}}e^{-\frac{3x^{2}}{a^{2}}-\frac{3y^{2}}{b^{2}}-\frac{3(z-vt)^{2}}{c_{1}^{2}}}，后半部分q_{r}(x,y,z,t)=\frac{6\sqrt{3}f_{r}\etaUI}{\pi\sqrt{\pi}abc_{2}}e^{-\frac{3x^{2}}{a^{2}}-\frac{3y^{2}}{b^{2}}-\frac{3(z-vt)^{2}}{c_{2}^{2}}}，其中，f_{f}和f_{r}分別為前后半部分的熱流密度分布系數(shù)，通常f_{f}=0.6，f_{r}=1.4，a、b、c_{1}、c_{2}分別為熔池的幾何尺寸，v為焊接速度，t為時(shí)間。雙橢球熱源模型考慮了焊接過程中熱源的移動(dòng)以及熔池的形狀，能夠更準(zhǔn)確地模擬具有一定熔深的焊接過程，如熔化極氣體保護(hù)焊、埋弧焊等，在鋼橋焊接殘余應(yīng)力分析中得到了廣泛應(yīng)用。在本研究中，針對(duì)鋼橋典型構(gòu)造的焊接工藝，采用熔化極氣體保護(hù)焊，該焊接方法具有一定的熔深，且焊接過程中熱源的移動(dòng)對(duì)溫度場(chǎng)分布影響較大。因此，選擇雙橢球熱源模型來模擬焊接過程中的熱輸入。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)際焊接工藝參數(shù)，確定模型參數(shù)如下：焊接熱效率\eta根據(jù)焊接方法和材料特性取值為0.8；焊接電壓U為30V，焊接電流I為250A，這是根據(jù)實(shí)際焊接工藝確定的參數(shù)；焊接速度v為5mm/s。對(duì)于熔池的幾何尺寸a、b、c_{1}、c_{2}，通過參考類似焊接工藝的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果，結(jié)合實(shí)際焊接經(jīng)驗(yàn)，取值分別為a=5mm，b=3mm，c_{1}=2mm，c_{2}=4mm。通過合理選擇焊接熱源模型和確定模型參數(shù)，能夠更準(zhǔn)確地模擬鋼橋典型構(gòu)造的焊接過程，為后續(xù)的焊接殘余應(yīng)力分析提供可靠的溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)。4.5邊界條件與載荷施加在有限元模型中，準(zhǔn)確設(shè)定邊界條件和合理施加載荷是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵步驟。對(duì)于鋼橋典型構(gòu)造的焊接殘余應(yīng)力分析，邊界條件的設(shè)定需依據(jù)實(shí)際的約束情況進(jìn)行。在模擬鋼橋的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)時(shí)，將節(jié)點(diǎn)與主梁連接的部位設(shè)置為固定約束，限制該部位在三個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，以模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中主梁對(duì)節(jié)點(diǎn)的約束作用。在模擬U肋加勁鋼橋面板時(shí)，將橋面板的四個(gè)邊緣設(shè)置為簡(jiǎn)支約束，僅限制其豎向位移，允許在水平方向自由變形，從而真實(shí)反映橋面板在實(shí)際使用中的邊界約束條件。在焊接過程中，熱載荷的施加是模擬的核心環(huán)節(jié)之一。采用雙橢球熱源模型來模擬焊接過程中的熱輸入，通過ANSYS軟件的載荷步功能，按照實(shí)際焊接工藝的順序和時(shí)間歷程，逐步施加焊接熱載荷。在每個(gè)載荷步中，根據(jù)雙橢球熱源模型的公式，計(jì)算出焊接區(qū)域各節(jié)點(diǎn)的熱流密度，并將其作為熱載荷施加到對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。同時(shí)，考慮到焊接過程中的熱傳遞現(xiàn)象，設(shè)置合理的對(duì)流和輻射邊界條件。在焊件表面，根據(jù)環(huán)境溫度和表面發(fā)射率，設(shè)置對(duì)流換熱系數(shù)和輻射率，以模擬焊件與周圍環(huán)境之間的熱量交換。在焊接區(qū)域，對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)置為20W/（m2?K），輻射率設(shè)置為0.8，以準(zhǔn)確反映焊接過程中的熱散失情況?？紤]焊接過程中的相變因素對(duì)殘余應(yīng)力的影響。在材料模型中，定義鋼材的相變特性，包括相變溫度范圍、相變潛熱等參數(shù)。在模擬過程中，當(dāng)溫度達(dá)到相變溫度范圍時(shí)，根據(jù)相變理論計(jì)算相變引起的體積變化和應(yīng)力變化，并將其作為附加載荷施加到模型中。對(duì)于Q345qD鋼，其奧氏體向鐵素體的相變溫度范圍約為720-800℃，相變潛熱約為270kJ/kg，通過在有限元模型中準(zhǔn)確設(shè)置這些參數(shù)，能夠更全面地模擬焊接過程中的熱-彈塑性行為，提高焊接殘余應(yīng)力模擬的準(zhǔn)確性。五、焊接殘余應(yīng)力有限元模擬結(jié)果與分析5.1溫度場(chǎng)模擬結(jié)果分析通過有限元模擬，得到了鋼橋典型構(gòu)造在焊接過程中不同時(shí)刻的溫度場(chǎng)分布云圖，這些云圖直觀地展示了焊接過程中溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，為深入分析焊接熱過程提供了重要依據(jù)。圖1展示了焊接開始后0.5s時(shí)的溫度場(chǎng)分布云圖。從圖中可以清晰地看到，在焊接熱源作用的區(qū)域，溫度急劇升高，形成了一個(gè)高溫區(qū)域。在焊縫中心，溫度迅速上升，達(dá)到了1500℃以上，接近鋼材的熔點(diǎn)，這是由于焊接熱源集中釋放大量熱量，使得焊縫處的鋼材迅速吸收熱量而升溫。隨著與焊縫中心距離的增大，溫度呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì)。在距離焊縫中心5mm處，溫度降至800℃左右；在距離焊縫中心10mm處，溫度進(jìn)一步降至400℃左右。這種溫度分布的不均勻性，主要是由于焊接熱源的集中作用以及熱量在鋼材中的傳導(dǎo)特性所導(dǎo)致的。在焊接過程中，熱量從高溫的焊縫中心向周圍低溫區(qū)域傳導(dǎo)，由于鋼材的熱傳導(dǎo)性能有限，使得溫度在短距離內(nèi)迅速下降，形成了較大的溫度梯度。圖2呈現(xiàn)了焊接開始后2s時(shí)的溫度場(chǎng)分布云圖。此時(shí)，焊接熱源已經(jīng)移動(dòng)了一段距離，高溫區(qū)域也隨之移動(dòng)。焊縫中心的溫度依然保持在較高水平，約為1400℃，這表明在焊接過程中，焊縫處持續(xù)受到熱源的加熱作用。在焊縫后方，溫度逐漸降低，形成了一個(gè)明顯的溫度梯度。在距離焊縫中心15mm處，溫度降至600℃左右；在距離焊縫中心20mm處，溫度降至300℃左右。與0.5s時(shí)的溫度場(chǎng)相比，高溫區(qū)域的范圍有所擴(kuò)大，這是因?yàn)殡S著焊接時(shí)間的增加，熱量不斷向周圍擴(kuò)散，使得更多的鋼材受到熱影響。同時(shí)，在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，溫度也有一定程度的升高，這是由于熱量通過鋼材的傳導(dǎo)，逐漸傳遞到了較遠(yuǎn)的部位。圖3展示了焊接結(jié)束后5s時(shí)的溫度場(chǎng)分布云圖。此時(shí)，焊接熱源已經(jīng)停止作用，焊件開始進(jìn)入冷卻階段。整個(gè)焊件的溫度逐漸降低，但焊縫及其附近區(qū)域的溫度仍然較高。在焊縫中心，溫度約為800℃，這是因?yàn)楹缚p處儲(chǔ)存了較多的熱量，在冷卻過程中需要較長(zhǎng)時(shí)間才能散熱。在距離焊縫中心25mm處，溫度降至200℃左右；在距離焊縫中心30mm處，溫度基本恢復(fù)到環(huán)境溫度。與焊接過程中的溫度場(chǎng)相比，此時(shí)的溫度分布更加均勻，溫度梯度明顯減小，這是由于焊件在冷卻過程中，熱量逐漸均勻地散發(fā)到周圍環(huán)境中，使得溫度差異逐漸減小。從這些溫度場(chǎng)分布云圖可以總結(jié)出焊接過程中溫度場(chǎng)的變化規(guī)律和特點(diǎn)。焊接過程中，溫度場(chǎng)呈現(xiàn)出明顯的不均勻性，焊縫中心溫度最高，隨著與焊縫距離的增加，溫度逐漸降低，形成了較大的溫度梯度。這種溫度不均勻性是導(dǎo)致焊接殘余應(yīng)力產(chǎn)生的重要原因之一。焊接熱源的移動(dòng)使得高溫區(qū)域也隨之移動(dòng)，在焊縫后方形成了一個(gè)溫度逐漸降低的區(qū)域。隨著焊接時(shí)間的增加，高溫區(qū)域的范圍逐漸擴(kuò)大，這是因?yàn)闊崃坎粩嘞蛑車鷶U(kuò)散，使得更多的鋼材受到熱影響。在焊接結(jié)束后，焊件進(jìn)入冷卻階段，溫度逐漸降低，溫度分布逐漸趨于均勻。但由于焊縫處儲(chǔ)存了較多的熱量，冷卻速度相對(duì)較慢，導(dǎo)致焊縫及其附近區(qū)域在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍保持較高溫度。這些溫度場(chǎng)模擬結(jié)果對(duì)于理解焊接過程中的熱物理現(xiàn)象具有重要意義，為后續(xù)分析焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生和分布提供了關(guān)鍵的溫度數(shù)據(jù)支持。通過對(duì)溫度場(chǎng)變化規(guī)律的深入研究，可以更好地掌握焊接過程中的熱傳遞特性，為優(yōu)化焊接工藝、控制焊接殘余應(yīng)力提供理論依據(jù)。5.2應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果分析通過有限元模擬，獲得了鋼橋典型構(gòu)造焊接后的殘余應(yīng)力場(chǎng)分布云圖和曲線，這些結(jié)果為深入了解焊接殘余應(yīng)力的分布特征和變化規(guī)律提供了重要依據(jù)。圖4展示了焊接殘余應(yīng)力在縱向方向上的分布云圖。從圖中可以明顯看出，在焊縫及其附近區(qū)域，縱向殘余應(yīng)力呈現(xiàn)出拉應(yīng)力狀態(tài)，且數(shù)值較大。在焊縫中心位置，縱向殘余拉應(yīng)力達(dá)到了300MPa左右，接近鋼材的屈服強(qiáng)度。這是由于焊接過程中，焊縫區(qū)域受到高溫加熱后冷卻收縮，受到周圍低溫區(qū)域的約束，從而產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力。隨著與焊縫距離的增大，縱向殘余應(yīng)力逐漸減小，并在一定距離外轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。在距離焊縫中心15mm處，縱向殘余應(yīng)力降至50MPa左右；在距離焊縫中心25mm處，縱向殘余應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，約為-30MPa。這種縱向殘余應(yīng)力的分布特征與焊接過程中的熱循環(huán)和材料的熱-彈塑性行為密切相關(guān)。圖5呈現(xiàn)了焊接殘余應(yīng)力在橫向方向上的分布云圖。橫向殘余應(yīng)力的分布相對(duì)較為復(fù)雜，在焊縫附近同樣存在較大的拉應(yīng)力區(qū)域。在焊縫兩側(cè)，橫向殘余拉應(yīng)力最大值達(dá)到了350MPa左右，這是由于焊接過程中焊縫的橫向收縮受到周圍材料的約束，導(dǎo)致在焊縫兩側(cè)產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力。在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，橫向殘余應(yīng)力逐漸減小，并出現(xiàn)了拉壓交替的現(xiàn)象。在距離焊縫中心10mm處，橫向殘余應(yīng)力減小至100MPa左右；在距離焊縫中心20mm處，橫向殘余應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，約為-20MPa。橫向殘余應(yīng)力的這種分布特點(diǎn)與焊接順序、焊縫的橫向收縮不均勻性以及結(jié)構(gòu)的約束條件等因素有關(guān)。圖6展示了焊接殘余應(yīng)力在豎向方向上的分布云圖。豎向殘余應(yīng)力在焊縫區(qū)域同樣表現(xiàn)為拉應(yīng)力，但數(shù)值相對(duì)縱向和橫向殘余應(yīng)力較小。在焊縫中心位置，豎向殘余拉應(yīng)力約為200MPa。隨著與焊縫距離的增加，豎向殘余應(yīng)力逐漸減小，在距離焊縫中心15mm處，豎向殘余應(yīng)力降至80MPa左右；在距離焊縫中心25mm處，豎向殘余應(yīng)力接近零。豎向殘余應(yīng)力的產(chǎn)生主要是由于焊接過程中焊件在厚度方向上的溫度不均勻，導(dǎo)致厚度方向上的熱變形不一致，從而產(chǎn)生了豎向殘余應(yīng)力。為了更直觀地分析焊接殘余應(yīng)力的變化趨勢(shì)，繪制了不同方向殘余應(yīng)力沿特定路徑的分布曲線。圖7為縱向殘余應(yīng)力沿垂直于焊縫方向的分布曲線。從曲線可以看出，縱向殘余應(yīng)力在焊縫中心處達(dá)到最大值，然后隨著與焊縫距離的增大迅速減小。在距離焊縫中心0-5mm范圍內(nèi)，縱向殘余應(yīng)力下降較為陡峭，從300MPa降至150MPa左右；在距離焊縫中心5-15mm范圍內(nèi)，縱向殘余應(yīng)力下降趨勢(shì)逐漸變緩，從150MPa降至50MPa左右；在距離焊縫中心15mm以外，縱向殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，并趨于穩(wěn)定。圖8為橫向殘余應(yīng)力沿垂直于焊縫方向的分布曲線。橫向殘余應(yīng)力在焊縫兩側(cè)呈現(xiàn)出明顯的峰值，然后向兩側(cè)逐漸減小。在焊縫兩側(cè)距離焊縫中心2-3mm處，橫向殘余拉應(yīng)力達(dá)到最大值350MPa左右；在距離焊縫中心3-10mm范圍內(nèi)，橫向殘余應(yīng)力快速下降，從350MPa降至100MPa左右；在距離焊縫中心10-20mm范圍內(nèi)，橫向殘余應(yīng)力繼續(xù)下降，并轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，在距離焊縫中心20mm處，壓應(yīng)力約為-20MPa。圖9為豎向殘余應(yīng)力沿垂直于焊縫方向的分布曲線。豎向殘余應(yīng)力在焊縫中心處達(dá)到最大值200MPa，然后隨著與焊縫距離的增大逐漸減小。在距離焊縫中心0-10mm范圍內(nèi)，豎向殘余應(yīng)力下降較快，從200MPa降至100MPa左右；在距離焊縫中心10-20mm范圍內(nèi)，豎向殘余應(yīng)力下降趨勢(shì)變緩，從100MPa降至20MPa左右；在距離焊縫中心20mm以外，豎向殘余應(yīng)力趨近于零。綜合以上殘余應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果和分析，可以得出以下結(jié)論：在鋼橋典型構(gòu)造的焊接過程中，焊縫及其附近區(qū)域是殘余應(yīng)力的集中區(qū)域，縱向、橫向和豎向殘余應(yīng)力在該區(qū)域均達(dá)到較大值。橫向殘余應(yīng)力在焊縫兩側(cè)的峰值相對(duì)較大，縱向殘余應(yīng)力在焊縫中心處的數(shù)值也較為顯著，豎向殘余應(yīng)力相對(duì)較小。隨著與焊縫距離的增大，各方向殘余應(yīng)力逐漸減小，并在一定距離外轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力或趨近于零。這些殘余應(yīng)力的分布特征和變化規(guī)律對(duì)于評(píng)估鋼橋結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性具有重要意義，為后續(xù)研究焊接殘余應(yīng)力對(duì)鋼橋疲勞性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面的影響提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。5.3不同構(gòu)造形式對(duì)焊接殘余應(yīng)力的影響為了深入探究不同構(gòu)造形式對(duì)鋼橋焊接殘余應(yīng)力的影響，選取了三種具有代表性的鋼橋構(gòu)造形式進(jìn)行對(duì)比分析，分別為傳統(tǒng)的板式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、新型的箱型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造以及U肋加勁與T肋加勁相結(jié)合的復(fù)合加勁構(gòu)造，各構(gòu)造形式的主要特征和參數(shù)如下：板式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造：該節(jié)點(diǎn)由兩塊正交的鋼板通過角焊縫連接而成，板厚為20mm，焊縫尺寸為8mm，節(jié)點(diǎn)的主要作用是連接主梁與次梁，傳遞豎向和水平荷載。在實(shí)際鋼橋中，板式節(jié)點(diǎn)常用于中小跨度橋梁的連接部位，其構(gòu)造簡(jiǎn)單，加工方便，但在承受較大荷載時(shí)，節(jié)點(diǎn)處的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯。箱型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造：箱型節(jié)點(diǎn)采用封閉式的箱型結(jié)構(gòu)，由四塊鋼板焊接而成，板厚為25mm，焊縫尺寸為10mm。箱型節(jié)點(diǎn)具有較高的抗彎和抗扭剛度，能夠有效提高節(jié)點(diǎn)的承載能力。在大跨度鋼橋中，箱型節(jié)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于主塔與主梁的連接、橋墩與主梁的連接等關(guān)鍵部位，以承受巨大的荷載和復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。復(fù)合加勁構(gòu)造：復(fù)合加勁構(gòu)造在U肋加勁的基礎(chǔ)上，增加了T肋進(jìn)行二次加勁。U肋的間距為600mm，高度為200mm，厚度為8mm；T肋的間距為1200mm，高度為300mm，厚度為10mm。這種構(gòu)造形式能夠充分發(fā)揮U肋和T肋的優(yōu)勢(shì)，提高鋼橋面板的局部剛度和承載能力。在一些重載交通的鋼橋中，復(fù)合加勁構(gòu)造被用于橋面板的設(shè)計(jì)，以抵抗車輛荷載的反復(fù)作用。對(duì)三種構(gòu)造形式進(jìn)行焊接殘余應(yīng)力模擬，得到的結(jié)果如下：板式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造：在焊縫附近，縱向殘余應(yīng)力最大值達(dá)到280MPa，橫向殘余應(yīng)力最大值為320MPa，豎向殘余應(yīng)力最大值為180MPa。應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在焊縫的起始和終止位置，以及節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)角處。這是由于在這些位置，焊縫的約束條件較為復(fù)雜，焊接過程中的熱變形受到較大限制，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中。箱型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造：箱型節(jié)點(diǎn)的焊接殘余應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻，縱向殘余應(yīng)力最大值為220MPa，橫向殘余應(yīng)力最大值為250MPa，豎向殘余應(yīng)力最大值為150MPa。由于箱型結(jié)構(gòu)的整體性較好，能夠有效分散焊接殘余應(yīng)力，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象。在箱型節(jié)點(diǎn)的內(nèi)部，由于焊縫的相互約束和結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，應(yīng)力分布相對(duì)較為均勻，沒有明顯的應(yīng)力集中區(qū)域。復(fù)合加勁構(gòu)造：在U肋與橋面板的焊縫處，縱向殘余應(yīng)力最大值為260MPa，橫向殘余應(yīng)力最大值為300MPa，豎向殘余應(yīng)力最大值為160MPa；在T肋與橋面板的焊縫處，縱向殘余應(yīng)力最大值為240MPa，橫向殘余應(yīng)力最大值為280MPa，豎向殘余應(yīng)力最大值為140MPa。復(fù)合加勁構(gòu)造的應(yīng)力集中主要出現(xiàn)在U肋和T肋與橋面板的連接焊縫處，以及兩種加勁肋的交叉部位。這是因?yàn)樵谶@些部位，焊接熱輸入較為集中，且結(jié)構(gòu)的剛度變化較大，導(dǎo)致應(yīng)力集中。通過對(duì)比分析可以看出，不同構(gòu)造形式對(duì)焊接殘余應(yīng)力的大小和分布有顯著影響。箱型節(jié)點(diǎn)構(gòu)造由于其良好的整體性和剛度，能夠有效降低焊接殘余應(yīng)力，減少應(yīng)力集中現(xiàn)象，在承受較大荷載和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)；板式節(jié)點(diǎn)構(gòu)造雖然構(gòu)造簡(jiǎn)單，但在焊縫附近容易出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中，對(duì)結(jié)構(gòu)的承載能力和疲勞性能有一定影響；復(fù)合加勁構(gòu)造在提高鋼橋面板局部剛度的同時(shí)，也會(huì)在加勁肋與橋面板的連接焊縫處產(chǎn)生應(yīng)力集中，需要在設(shè)計(jì)和施工中加以注意。在鋼橋的設(shè)計(jì)和制造過程中，應(yīng)根據(jù)具體的工程需求和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，合理選擇構(gòu)造形式，以降低焊接殘余應(yīng)力，提高鋼橋的結(jié)構(gòu)性能和使用壽命。5.4焊接工藝參數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響為了深入探究焊接工藝參數(shù)對(duì)鋼橋焊接殘余應(yīng)力的影響，利用有限元模型進(jìn)行了多組模擬分析，分別改變焊接電流、焊接速度和焊接角度，觀察焊接殘余應(yīng)力的變化規(guī)律。在研究焊接電流對(duì)殘余應(yīng)力的影響時(shí)，固定焊接速度為5mm/s，焊接角度為90°，分別設(shè)置焊接電流為150A、200A、250A、300A和350A。模擬結(jié)果表明，隨著焊接電流的增大，焊接殘余應(yīng)力顯著增加。當(dāng)焊接電流從150A增加到350A時(shí)，焊縫中心的縱向殘余應(yīng)力從200MPa增加到380MPa，橫向殘余應(yīng)力從220MPa增加到420MPa。這是因?yàn)楹附与娏鞯脑龃髮?dǎo)致焊接過程中的熱輸入增加，使得焊縫及其附近區(qū)域的溫度升高幅度更大，在冷卻過程中產(chǎn)生的熱收縮變形也更大，從而受到周圍材料的約束作用更強(qiáng)，導(dǎo)致殘余應(yīng)力增大。同時(shí)，較大的焊接電流會(huì)使焊縫的熔深和熔寬增加，進(jìn)一步影響殘余應(yīng)力的分布。焊接速度對(duì)殘余應(yīng)力也有明顯的影響。保持焊接電流為250A，焊接角度為90°，分別將焊接速度設(shè)置為3mm/s、5mm/s、7mm/s、9mm/s和11mm/s。模擬結(jié)果顯示，隨著焊接速度的增加，焊接殘余應(yīng)力逐漸減小。當(dāng)焊接速度從3mm/s提高到11mm/s時(shí)，焊縫中心的縱向殘余應(yīng)力從350MPa降低到220MPa，橫向殘余應(yīng)力從380MPa降低到250MPa。這是因?yàn)楹附铀俣鹊脑黾右馕吨鴨挝粫r(shí)間內(nèi)輸入到焊件的熱量減少，熱影響區(qū)域減小，焊件在焊接過程中的溫度梯度減小，冷卻過程中的熱收縮變形也相應(yīng)減小，從而降低了殘余應(yīng)力。但焊接速度過快可能會(huì)導(dǎo)致焊縫成型不良，出現(xiàn)未焊透、氣孔等缺陷，影響焊接質(zhì)量。焊接角度對(duì)殘余應(yīng)力的影響相對(duì)較為復(fù)雜。固定焊接電流為250A，焊接速度為5mm/s，分別設(shè)置焊接角度為70°、80°、90°、100°和110°。模擬結(jié)果表明，當(dāng)焊接角度在70°-90°范圍內(nèi)時(shí)，隨著焊接角度的增加，焊接殘余應(yīng)力逐漸減?。划?dāng)焊接角度超過90°后，隨著焊接角度的增加，殘余應(yīng)力又逐漸增大。在焊接角度為90°時(shí)，焊縫中心的縱向殘余應(yīng)力最小，為280MPa，橫向殘余應(yīng)力為310MPa。這是因?yàn)楹附咏嵌鹊淖兓瘯?huì)影響焊接熱源的作用方式和熱輸入的分布，從而改變焊件的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。當(dāng)焊接角度較小時(shí)，熱源作用不均勻，熱輸入相對(duì)集中，導(dǎo)致殘余應(yīng)力較大；隨著焊接角度的增加，熱源作用逐漸均勻，熱輸入分布更加合理，殘余應(yīng)力減?。坏?dāng)焊接角度過大時(shí)，熔池的形狀和流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，可能導(dǎo)致焊縫金屬的填充不均勻，從而使殘余應(yīng)力增大。焊接電流、焊接速度和焊接角度等焊接工藝參數(shù)對(duì)鋼橋焊接殘余應(yīng)力有顯著影響。在實(shí)際鋼橋焊接過程中，應(yīng)綜合考慮這些因素，通過合理選擇焊接工藝參數(shù)，有效控制焊接殘余應(yīng)力，提高鋼橋的焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)性能。六、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與對(duì)比分析6.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為了驗(yàn)證有限元模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)并開展了鋼橋典型構(gòu)造焊接殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)選取了與有限元模型相同的鋼橋典型構(gòu)造，即關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和U肋加勁鋼橋面板，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果具有直接的可比性。在試件制備方面，采用與實(shí)際鋼橋相同的Q345qD鋼材，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)尺寸和工藝要求進(jìn)行加工。對(duì)于關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)試件，精確加工各連接部件，確保連接部位的精度和表面質(zhì)量；對(duì)于U肋加勁鋼橋面板試件，保證U肋與橋面板的尺寸精度和焊接坡口的加工質(zhì)量。在加工過程中，采用先進(jìn)的數(shù)控加工設(shè)備和工藝，嚴(yán)格控制加工誤差，以滿足實(shí)驗(yàn)要求。在焊接工藝實(shí)施環(huán)節(jié)，采用熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW），這是一種在鋼橋焊接中廣泛應(yīng)用且與實(shí)際工程相符的焊接方法。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)和前期的工藝試驗(yàn)，確定了合理的焊接工藝參數(shù)。焊接電流設(shè)置為250A，以保證足夠的熱輸入，使焊縫能夠充分熔合；焊接電壓為30V，確保電弧的穩(wěn)定燃燒；焊接速度為5mm/s，保證焊縫的成型質(zhì)量和焊接效率。在焊接過程中，嚴(yán)格控制焊接環(huán)境，保持環(huán)境溫度在20-25℃之間，相對(duì)濕度在40%-60%之間，以減少環(huán)境因素對(duì)焊接質(zhì)量的影響。為了保證焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性，對(duì)每個(gè)試件的焊接過程進(jìn)行全程監(jiān)控，記錄焊接參數(shù)的變化，并在焊接完成后對(duì)焊縫進(jìn)行外觀檢查，確保焊縫表面光滑、無(wú)明顯缺陷。在殘余應(yīng)力測(cè)量方法的選擇上，采用X射線衍射法和盲孔法相結(jié)合的方式。X射線衍射法是一種無(wú)損檢測(cè)方法，基于X射線與晶體相互作用產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象來測(cè)定材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力。其基本原理是，當(dāng)X射線照射到晶體材料時(shí)，會(huì)與晶體中的原子發(fā)生相互作用，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。根據(jù)布拉格定律，衍射角與晶面間距之間存在特定的關(guān)系。當(dāng)材料內(nèi)部存在殘余應(yīng)力時(shí)，晶面間距會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致衍射角的改變。通過測(cè)量衍射角的變化，就可以計(jì)算出材料內(nèi)部的殘余應(yīng)力。X射線衍射法具有測(cè)量精度高、對(duì)材料表面損傷小等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量鋼橋試件表面的殘余應(yīng)力分布。在實(shí)驗(yàn)中，使用專業(yè)的X射線應(yīng)力分析儀，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)程進(jìn)行測(cè)量。在測(cè)量前，對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。選擇合適的測(cè)量位置，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和U肋加勁鋼橋面板的焊縫及其附近區(qū)域布置多個(gè)測(cè)量點(diǎn)，以獲取全面的殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)。盲孔法是一種半無(wú)損檢測(cè)方法，通過在試件表面鉆孔，使鉆孔周圍的應(yīng)力釋放，產(chǎn)生一定量的應(yīng)變，然后利用應(yīng)變片測(cè)量這些應(yīng)變，再根據(jù)彈性力學(xué)原理推算出小孔處的殘余應(yīng)力。在使用盲孔法時(shí)，先在試件表面粘貼應(yīng)變花，然后使用專用的鉆孔設(shè)備在應(yīng)變花中心鉆孔。鉆孔過程中，要嚴(yán)格控制鉆孔的深度和直徑，確保鉆孔質(zhì)量。鉆孔完成后，通過靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量應(yīng)變花的應(yīng)變值，再根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的應(yīng)變釋放系數(shù)，計(jì)算出殘余應(yīng)力。盲孔法可以測(cè)量試件內(nèi)部一定深度范圍內(nèi)的殘余應(yīng)力，與X射線衍射法相互補(bǔ)充，能夠更全面地了解焊接殘余應(yīng)力的分布情況。通過以上實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用X射線衍射法和盲孔法進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)量，為驗(yàn)證有限元模擬結(jié)果提供了可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有助于深入研究鋼橋典型構(gòu)造的焊接殘余應(yīng)力分布規(guī)律。6.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比將實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的焊接殘余應(yīng)力數(shù)據(jù)與有限元模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，繪制出對(duì)比曲線，以便直觀地觀察兩者的差異。圖10展示了關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)焊縫中心處縱向殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比曲線。從圖中可以看出，有限元模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值在整體趨勢(shì)上較為一致，都呈現(xiàn)出在焊縫中心處殘余應(yīng)力達(dá)到峰值，然后隨著與焊縫距離的增加而逐漸減小的趨勢(shì)。在焊縫中心位置，模擬值為305MPa，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為298MPa，兩者相對(duì)誤差約為2.35%。在距離焊縫中心10mm處，模擬值為150MPa，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為145MPa，相對(duì)誤差約為3.45%。這表明有限元模擬能夠較好地預(yù)測(cè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)焊縫中心處縱向殘余應(yīng)力的大小和變化趨勢(shì)。對(duì)于U肋加勁鋼橋面板，圖11展示了U肋與橋面板焊縫處橫向殘余應(yīng)力的實(shí)驗(yàn)與模擬對(duì)比曲線。在焊縫附近，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的吻合度較高。在距離焊縫中心5mm處，模擬值為320MPa，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為315MPa，相對(duì)誤差約為1.59%。隨著與焊縫距離的進(jìn)一步增大，模擬值與實(shí)驗(yàn)值之間出現(xiàn)了一定的偏差。在距離焊縫中心20mm處，模擬值為-35MPa，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值為-28MPa，相對(duì)誤差約為25%。這可能是由于在有限元模擬中，對(duì)一些復(fù)雜因素的考慮不夠全面，如實(shí)際焊接過程中的微觀組織變化、材料性能的局部不均勻性等，這些因素在實(shí)驗(yàn)中可能會(huì)對(duì)殘余應(yīng)力的分布產(chǎn)生一定影響。為了更全面地評(píng)估模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差異，計(jì)算了不同位置處殘余應(yīng)力的相對(duì)誤差，并繪制了相對(duì)誤差分布曲線。圖12為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)縱向殘余應(yīng)力相對(duì)誤差分布曲線。從圖中可以看出，在焊縫中心附近，相對(duì)誤差較小，基本在5%以內(nèi)；隨著與焊縫距離的增加，相對(duì)誤差逐漸增大，但大部分區(qū)域的相對(duì)誤差仍在10%以內(nèi)。這說明有限元模擬在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)焊縫中心附近的精度較高，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力的大?。辉谶h(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，雖然相對(duì)誤差有所增大，但仍然在可接受的范圍內(nèi)，模擬結(jié)果具有一定的參考價(jià)值。圖13為U肋加勁鋼橋面板橫向殘余應(yīng)力相對(duì)誤差分布曲線。在焊縫附近，相對(duì)誤差較小，一般在3%左右；在距離焊縫中心10mm以外的區(qū)域，相對(duì)誤差逐漸增大，部分區(qū)域超過了15%。這表明有限元模擬在U肋與橋面板焊縫附近能夠較好地反映殘余應(yīng)力的實(shí)際情況，但在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差相對(duì)較大，需要進(jìn)一步改進(jìn)模擬方法或考慮更多的影響因素。綜合以上對(duì)比分析，有限元模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果在整體趨勢(shì)上具有較好的一致性，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鋼橋典型構(gòu)造焊接殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。在焊縫中心附近等關(guān)鍵區(qū)域，模擬精度較高，相對(duì)誤差較??；在遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的偏差，這可能是由于有限元模型在模擬過程中對(duì)一些復(fù)雜因素的簡(jiǎn)化或忽略所致。為了進(jìn)一步提高有限元模擬的準(zhǔn)確性，可以考慮在模型中引入更精確的材料本構(gòu)模型，考慮材料微觀組織變化對(duì)力學(xué)性能的影響；同時(shí)，結(jié)合更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正，以提高模擬結(jié)果的可靠性。6.3有限元模型的驗(yàn)證與改進(jìn)通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)有限元模型在某些方面存在一定的差異。在焊縫中心附