高强钢对接接头焊趾应力集中系数有限元分析

蒋 永, 钱 骥，陈惟珍

(1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

高强钢对接接头焊趾应力集中系数有限元分析

蒋 永1, 钱 骥2，陈惟珍1

(1.同济大学 土木工程学院，上海 200092；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

基于热弹-塑性理论，建立了RQT701高强钢对接接头焊接残余应力有限元分析模型，在此基础上计算了其焊接残余应力，并与实测值进行了比较。同时讨论了焊缝几何参数对对接接头焊趾处应力集中系数(SCF)的影响。研究结果表明：RQT701高强钢对接接头中残余应力对应力集中系数的影响较大，尤其是在低应力情况下受应力水平变动影响较大；减小焊趾倾角，增大过渡圆弧半径，可以减缓焊趾处截面形状的变化，显著改善接头焊趾处的应力集中；随着板厚的增加应力集中系数随之增大。

桥梁工程；高强钢；焊接；应力集中系数；残余应力；几何参数

自20世纪60年代高强钢在日本的建筑工程中首先使用以来，越来越多的土木工程选择应用高强钢。然而，随着钢材强度的提高，其屈服后应变硬化能力降低，屈强比也随之增加，降低了结构的安全性；由于缺乏有实践价值的规范条文，目前国内外设计规范多针对屈服强度500 MPa以下钢材；涉及到焊接残余应力的高强钢断裂与疲劳性能研究甚少，即使欧美等国家在规范中也只是基于传统公式的简单计算[1]。

焊接过程在焊缝附近产生的局部高焊接残余应力容易导致裂纹萌生，严重时可引起构件发生失效破坏。应力集中系数是评估结构安全性重要的因素之一，钢材的强度越高，缺口效应(即应力集中)对疲劳寿命的影响也就越大。因此，有必要对高强钢中应力集中的影响因素进行研究。

对接接头的应力集中系数(SCF)通常定义为热点应力与名义应力的比值。一般来说，热点应力即指最大结构应力或结构中危险截面上危险点的应力。最大结构应力的大小通常受应力集中控制。影响接头应力集中系数的因素很多，如接头几何形状、载荷类型、焊缝类型和大小[2]。桥梁结构往往在车载等循环荷载的作用下，焊缝附近容易出现裂缝，这是因为焊接过程中不均匀的加热和冷却，导致焊接结构产生残余应力的缘故。有限元分析方法广泛用于焊接结构的焊接残余应力计算与分析。

目前有限元方法分析接头承载能力时一般仅考虑局部几何形状对应力集中的影响，而忽略了残余应力的影响[3-4]。笔者基于热弹-塑性理论建立了RQT701高强钢焊接残余应力有限元分析模型[5]，研究了焊趾倾角θ，焊趾过渡圆弧半径r和板厚t等参数对高强钢对接接头焊趾处应力集中系数(SCF)的影响。

1 焊接残余应力有限元模型的建立

文中RQT701高强钢的比热、热传导系数和线膨胀系数等热学参数来自于Eurocode 3给出的结论并参照文献[6]中实测值。通过定义材料的焓随温度变化来考虑潜热。熔点温度为1 320 ℃，对流系数取40 W/m2，固化温度为1 300 ℃，屈服强度为801 MPa，抗拉强度为846 MPa。所模拟焊接的钢板为两块1 m长，150 mm宽，12 mm厚的对接板。取半结构进行分析，弹塑性应力应变分析中钢板的边界条件为一端固定，另一端加对称约束。

笔者采用中子衍射法实测的RQT701高强钢应力分布结果进行试验验证[7]。图1为有限元计算得到的纵、横向残余应力与实测数据的对比。图1中有限元计算的焊接区纵向峰值残余拉应力为663 MPa，横向峰值残余拉应力为379 MPa。而实测焊接区纵向峰值残余拉应力为675 MPa，横向为417 MPa。纵向残余拉应力峰值的有限元结果与实测结果相差为1.5 %，横向相差为4.7 %。由此可知，采用笔者所建立的焊接残余应力分析模型得出的计算值与实测值吻合较好，可以利用该模型进行高强钢接头的焊接残余应力分析。

图1 焊接残余应力有限元计算值与实测值的比较Fig.1 Comparison of transverse and longitudinal residual stress between testing and modelling

由图1可知，在临近焊缝区域，有限元方法与试验结果均要明显高于其他部位，高残余拉应力区域宽度小于20 mm。图1中远离焊缝位置，横向残余应力有限元计算结果明显高于实测值，这是由于模拟计算过程中使用焊道集中对实际焊接过程进行了简化。实际焊接时，焊道更多，模拟焊接热源的影响区域较之实际焊接过程时要大一些，且对横向残余应力的影响更为明显。

2 对应力集中系数影响

无缺陷构件疲劳寿命分析是一个相对成熟的研究范畴，而对于焊接构件，焊接产生的残余应力在叠加工作应力之后，可能出现较大的应力集中，从而降低焊接构件的疲劳强度。残余应力的存在会影响裂纹的萌生和扩展阶段，并且驱动焊接结构中各种各样的潜在裂纹扩展机制。因此，在疲劳寿命预测中，考虑焊接结构中残余应力分布及大小的影响是十分必要的，尤其对于高强钢构件[8]。

2.1 应力集中系数的计算

假设焊件中任意点应力小于屈服应力σy。对接接头焊趾处热点应力用σtotal来表示。因此，应力集中系数表示为

(1)

σtotal=σrst+σf

(2)

式中：σrst为焊趾处残余应力；σf为荷载引起的弹性应力；σn为轴向荷载作用下的名义应力。

应力集中系数越大，疲劳寿命越短。根据应力集中系数的定义，不考虑残余应力时应力集中系数FSCF为

(3)

考虑残余应力时应力集中系数FSCFtotal为：

(4)

式中：FSCFtotal为包括了残余应力和外载引起弹性应力的应力集中系数。

杏A注水站停运后，深度注水系统启泵布局进行调整，深度注水系统平均泵效降低0.1%，系统泵出水量下降1326 m3/d，泵水单耗降低0.02 kWh/m3，日节电1 878.5 kWh。同时，由于杏A注水站和杏A深度污水站停运，减少岗位用工19人，减员增效效果明显。注水站停运前后深度注水系统运行情况见表7。

FSCFtotal=FSCFrst+FSCF

(5)

2.2 计算模型结果分析及比较

在前文焊接残余应力计算模型基础上，采用有限元分析了两种RQT701高强钢对接接头模型。钢板均为两块1 m长，150 mm宽，12 mm厚的对接板，两种模型焊缝几何形状一致。第一种模型考虑了焊接残余应力对应力集中系数的影响，第二种模型忽略了焊接残余应力的影响，对比分析两种模型应力集中系数随名义应力曲线变化规律。

两种模型应力集中系数SCF计算结果如图2。从图2中可以明显看到，对于考虑焊接残余应力的模型1，当名义应力为50 MPa时，焊趾处的应力集中系数FSCF=15.549；名义应力为200 MPa时，应力集中系数FSCF=3.887，应力集中系数SCF减小了11.662；名义应力从200 MPa提高到400 MPa时，应力集中系数SCF降为1.944，减小了1.944。曲线规律说明残余应力应力集中系数的影响较大，且在低应力情况下受应力水平变动影响较大。这也是为什么需要研究高强钢残余应力对应力集中的影响的原因。对于不考虑焊接残余应力的模型2，随着名义应力的增大，热点应力也相应增大，应力集中系数与焊缝几何形状有关。

图2 SCF随名义应力变化曲线Fig.2 SCF under different nominal stresses

3 接头几何形状对应力集中系数影响

接头焊趾处由于截面突变、结构形状失去均匀性而引起的应力集中，是导致焊接结构断裂和疲劳破坏的重要原因，并且疲劳裂纹往往萌生于焊趾处。因此，研究各种几何因素对于接头应力集中的影响，对于准确地计算焊趾处的应力分布，提高疲劳寿命预测精度有实际意义。采用有限元方法对普通钢焊接接头进行应力分析，考察几何参数对于应力集中系数的影响，国内外都有这方面的研究[8-10]。笔者旨在对RQT701高强钢单侧加强高对接接头进行研究，并分析了焊缝形状对应力集中影响，提出影响焊接接头应力集中的关键因素，作为设计参考。

图3为焊缝的几何模型横截面。影响接头应力集中系数的几何因素很多，如焊趾倾角、焊趾过渡圆弧半径、板厚、焊缝加强高、焊缝高度等。笔者选取几个主要的几何参数进行研究，即：焊趾倾角θ，焊趾过渡圆弧半径r和板厚t。

图3 几何模型横截面Fig.3 Geometric model cross section

3.2 焊缝几何模拟

模拟的钢板如前所述，均为两块1 m长，150 mm宽，12 mm厚的板对接，载荷为均匀拉伸载荷。结构分析模型采用SOLID185单元，为8节点三维实体单元，每个节点具有3个位移自由度。在应力集中区域细化网格，如图4。

图4 有限元网格划分Fig.4 The finite element model and mesh

为更加全面地考察几何参数θ,r,t对焊趾处应力集中系数的影响，文中的θ取值为5o，10o，15o，20o，25o，30o，35o，40o，45o，50o，55o，60o；r取值为0.2，0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，4.0，5.0，6.0 mm；t取值为6，9，12，15，20，25，30，40 mm。笔者以应力集中点最大主应力与该处名义应力之比作为应力集中系数。其名义应力可以根据式(6)进行计算：

(6)

式中：a，b分别为板截面的宽和高。

施加相应的外载为

p=σn×ab

(7)

3.3 焊缝几何参数对应力集中系数的影响

图5～图7列出了不同θ,r,t时对接接头应力集中系数SCF的有限元计算结果。

图5 t=12 mm时，r, θ对SCF的影响Fig.5 t=12mm, effect of r and θ on SCF

由图5(a)和图6(a)可以看出，在厚度t和焊趾倾角θ一定时，焊趾过渡圆弧半径对应力集中系数SCF的影响很大。由于过渡圆弧的存在，使得焊趾处界面变化缓和，从而使得应力集中系数降低。焊趾过渡圆弧半径r越小，这种作用越为明显，随着r的增大，这种作用逐渐减弱。在图5(a)中也可看出，当r达到一定数值时，SCF减小的幅度将变小，此时r再增加，对SCF值得影响已不明显。且还可以看出，θ值越大，SCF减小的幅度也越大。θ=10o时，r从0.2 mm到6 mm，SCF减小了16.3 %；θ=60o时，r从0.2 mm到6 mm，SCF减小了78%。由从图5(b)和图7(a)可看出，在板厚t和焊趾过度圆弧半径r一定时，SCF随着θ的增大而增大。这是由于θ的增大使得焊趾处截面变化加剧，从而引起应力集中的增加。并且，t越大，r越小，应力集中系数SCF随着θ的增加而增加得越明显。

从图6(b)和图7(b)可看出，随着板厚的增大，SCF也随着增加。图7(b)中，θ较小时，这种作用较不明显，当θ较大时，随着板厚的增加，SCF的增加也较为明显。图6(b)中，随着r值得增大，t对应力集中系数的影响作用有缓慢的减弱，但是幅度较小。

4 结 论

笔者通过RQT701高强钢焊接残余应力有限元模拟及实测值比较，分析了RQT701高强钢对接接头应力集中系数的影响因素，即焊接残余应力和焊缝几何形状，可得出以下结论：

1)高强钢对接板实测值与有限元计算值在近焊缝高应力区域峰值残余拉应力纵向相差1.5 %，横向相差4.7 %，二者吻合较好。该模型可以对RQT701钢板对接接头的焊接残余应力进行可靠的模拟和分析；

2)RQT701高强钢对接接头中残余应力对应力集中系数的影响较大，且在低应力情况下受应力水平变动影响较大；

3)RQT701高强钢对接接头中，减小焊趾倾角，增大过渡圆弧半径，可以减缓焊趾处截面形状的变化，改善焊趾处的应力集中；板厚的增加使得应力集中系数增大。

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FEM Study on the Stress Concentration Factors at Weld Toe of Butt-Welded Joints for High Strength Steel

JIANG Yong1, QIAN Ji2, CHEN Weizhen1

(1.College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, P.R.China;2. College of Civil Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, P.R.China)

The stress concentration factor (SCF) is one of the most important factors to evaluate the safety of structures. According to the thereto-effect of welding process, the nonlinear changes of material properties were considered, the residual stress distribution was analyzed and compared with the experimental results. Furthermore, different weld geometric parameters were considered and the effects of them on SCFs were discussed. Research indicated: The influence of residual stress on stress concentration effect is evident when low stress is applied for RQT701 high-strength steel. And it is possible to decrease the stress concentration factor of butt-welded joint by decreasing weld bead flank angle or/and increasing the weld toe radius,and the SCFs increase with the augment of plate thickness.

bridge engineering; high strength steel; welding; stress concentration factors(SCF); residual stress; geometric parameter

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.02.04

2015-08-14；

2015-11-30

国家自然科学基金项目(51408090)

蒋 永(1983—)，女，湖南长沙人，博士研究生，主要从事钢桥焊接、疲劳与加固理论方面的研究。E-mail: modongmoon@163.com。

U448.36；TG404

A

1674-0696(2016)02-013-04