0 引言

　　钢桁梁桥综合钢材与桁架的优点，具有较大的截面高度及刚度，构件受力明确，工业化程度高，是大跨度钢桥主要形式之一^[1,2,3]。钢桁梁通过采用稀疏腹杆节省钢材，减轻结构自重，且可实现较大的跨越能力。目前，钢桁梁桥架设方法主要包括悬臂法、浮运法、拖拉法、浮托法、顶推横(纵)移法等^{[4,5,6,7,8,9]}，主要通过焊接连接，但焊接会造成桥梁整体与局部焊接变形和残余应力较大。因此，以宁波市三官堂大桥为依托，采用超声波无损检测技术，对桥梁焊接热影响区残余应力分布情况进行检测，以热传导和热弹塑性理论为基础，通过双椭球热源模型模拟焊接热输入，利用热-位移耦合方法进行仿真模拟分析，并提出残余应力消除措施。

　　1 有限元模型

　　1.1 节段选取

　　因缺少S17号节段检测数据，且为减少计算时间，选取S18～S20号节段(见图1)，对比分析各节段顶板对接焊缝应力检测值与理论计算值。

　　图1 节段示意(单位:m) 

　　1.2 材料性质与焊接条件

　　焊接模拟分析过程为非线性瞬态问题，涉及导热系数、密度、膨胀系数、弹性模量、屈服应力和比热容等材料参数，为满足计算需求，除密度外的其余参数需进行详细定义，本工程所用钢材性能如表1所示。考虑热交换对计算结果的影响，工件在焊接过程中不仅接收电弧和金属熔滴产生的热量，还向周围环境散热，因此，利用牛顿法则考虑工件与外部环境的对流散热，利用波尔茨曼定律考虑工件与外部环境的辐射散热。

　　1.3 热源模型

　　在焊接温度场计算过程中，利用非线性传热方程描述电弧产生的热量在工件内部传导过程。假定母材及焊缝金属各向同性，因此，x,y,z向热导率取值相同。焊接热源模型及相关特征参数影响热流密度在焊接接头的分布，进而影响焊接温度场的计算，本研究采用Goldak提出的双椭球体模型模拟焊接热源。

　　1.4 建模分析

　　采用有限元软件ABAQUS建立上弦杆模型，如图2所示。模型两端约束所有平动自由度，面外平联及横联视为平面外侧向约束，可约束所有平动自由度。移动热源子程序通过DFLUX功能定义，散热边界条件通过FLIM,RADIATION功能定义，在每次焊接步后设置相应冷却步。由于模型较大，且计算时间较长，采用局部细化的过渡网格划分，并采用热-位移耦合单元进行模拟。为减少计算时间，焊接速度取200mm/s。

　　图2 有限元模型  

　　2 结果分析

　　2.1 数值计算结果

　　焊缝冷却后，高残余应力区集中在焊缝附近，并在纵向随距焊缝距离的增加快速衰减。由焊缝截面Mises应力云图可知，各节段截面Mises应力基本为100～500MPa，最大值为484.8MPa;左右两侧Mises应力根据加劲肋位置呈中间高、两端低的特点。纵向应力基本>500MPa，说明焊缝处应力处于较高水平。工件截面外缘残余应力较内缘大，说明弦杆焊缝残余应力最不利位置位于截面外侧。弦杆加劲肋自身残余应力较小，但其对截面残余应力分布的影响较大。

　　各节段顶板Mises应力横向分布如图3所示，由图3可知，由于受焊接不确定性及加劲肋的影响，Mises应力横向分布呈不均匀状态，峰值及范围与云图一致。总体来看，Mises应力横向分布呈两端高、中间(加劲肋处)低的特点，峰值出现在加劲肋附近，接近500MPa，表明加劲肋对应力分布的影响较大，需关注加劲肋区域残余应力。

　　表1 钢材性能 

　　表1 钢材性能

　　图3 顶板Mises应力横向分布  

　　2.2 结果对比

　　在3个节段顶板检测区域内对接焊缝两侧每隔50mm布置1个应力测点，每侧测点数≥5个(点数过少不能准确反映应力分布状态)，如图4,5所示。对接焊缝局部应力数值计算与检测结果对比如图6所示，由图6可知，计算值与检测值基本在同一水平波动，验证了热-位移耦合方法可用于计算超大跨度钢桁梁桥焊缝残余应力。

　　图4 S19应力提取路径  

　　3 残余应力消除措施

　　残余应力不仅影响结构刚度及稳定性，更严重影响结构静力强度及疲劳特性，从而减少结构使用寿命。根据现有设备，通过方案比选，采用超声冲击法进行残余应力消除，并分析消除效果。

　　图5 对接焊缝应力检测区域布点  

　　3.1 基本原理

　　超声冲击法基本原理为利用大功率超声波推动工具冲击金属物体表面，超声波产生的能量使金属表层出现较大的压缩塑性变形，且超声波改变了原有应力场，产生一定压应力，使被冲击部位得到强化。因此，超声冲击法能显著提高金属焊接接头及结构抗疲劳强度，延长疲劳寿命;消除焊缝残余压应力，并使被冲击部位产生压应力，从而提高构件承载力;有效改善焊趾几何形状，减小焊趾处应力集中系数;消除焊趾表层微小裂缝和焊接缺陷，抑制裂缝的产生;强化金属零件表面，提高表面质量和使用寿命。

　　3.2 消除效果

　　根据检测结果，在应力相对集中的位置布置10个应力消除点，采用超声冲击法进行消除。消除效果如表2、图7所示，超声冲击法可消除30%左右焊缝残余应力，且焊缝残余应力越大的区域消减效果越明显。

　　4 结语

　　以热传导和热弹塑性理论为基础，通过热-位移耦合方法模拟实际结构温度场和应力场，采用超声波无损检测技术检测对接焊缝残余应力，并采用超声冲击法进行应力消除，通过研究得出以下结论。

　　图6 计算与检测结果对比  

　　表2 应力消除率

　　%

　　表2 应力消除率

　　1)焊缝冷却后，高残余应力区集中在焊缝附近，并随着距离的增加快速衰减。加劲肋自身残余应力较小，但对焊缝残余应力的影响较大。

　　2)焊缝残余应力计算值与检测值基本在同一水平波动，验证了热-位移耦合方法可用于计算超大跨度钢桁梁桥焊缝残余应力。

　　3)超声冲击法能有效消减焊缝残余应力，且焊缝残余应力越大的区域消减效果越明显。

　　图7 消除效果