桥梁桁架焊接典型热点局部 应力集中的实验检测分析

桥梁桁架结构多采用焊接工艺,焊缝近边应力分布复杂,往往成为疲劳裂纹较早发生的部位,须加以科学分析和超前防范。对桥梁桁架结构典型焊接节点区域,开展了均布加载和特定约束工况下,典型局部测区的应力状态有限元测试分析,可以获得测区的典型局部结构应力参数值及分布状态,对增强桥梁桁架结构的抗疲劳能力、提高桥梁设计使用寿命,具有技术和应用意义。

1　具有焊接热点的桥梁桁架缩尺模型的建立

1.1　原型桥梁与实验桁架缩尺模型

某桥梁架结构存在大量焊接细节,很具有代表性,对桥梁桁架焊接热点应力集中的实验检测研究具有典型意义。该桥安装有结构健康监测系统,尤其在纵向加劲桁架结构处设置有充分数量的应变传感器,经过了较长时间的系统监测,积累了数量可观的在线感应数据,本研究决定以该桥钢梁箱纵向加劲桁架的一榀标准段作为原型对象,按1∶5的比例缩尺建造实验模型,如图1所示：

图1　缩尺后的实验模型架构(单位：mm)

之所以以加劲桁架的一榀标准段作为研究对象,主要基于以下两方面的考虑：

(1)如果尺度过长,则实验场地、模型制作以及加载等方面,都将面临诸多困难,而且也会导致不必要的费用增加。

(2)如果尺度过短,比如只选择半榀,则无法把局部结构置于相对系统整体中反映和认识问题,研究的科学性和参考性就会受到影响,因此,经过综合评估,本研究确定以加劲桁架的一榀标准段作为研究对象。

之所以确定1∶5为缩尺比例,则是基于以下两个方面的考虑：

(1)试样尺度过大,场地不允许,实验过程中也会增加许多不必要的操作难度。

(2)试样尺度太小,则应试结构的刚度就会因为量值太小而降低典型性和代表性,不利于实验研究的可比性和科学性。另外,尺度量值太小,也不利于实验捕捉和呈现特定局部特性,实验监测和描述也增添不必要的难度。

1.2　模型材料与焊缝基本说明

采用Q235规格普通钢充当实验模型构建材料。

实验模型焊缝形式主要为三种,分别是：

(1)单面角式焊缝,其焊脚规格是6mm,在上下弦杆上,主要以此种焊缝为主；

(2)双面角式焊缝,其焊脚规格是6mm,在中部腹杆上,主要以此种焊缝为主；

(3)对接式焊缝,其焊脚规格是6mm,中部腹杆与典型节点的焊接,主要以此种焊缝为主。

在模型建造实施过程中,焊缝控制是个重点,因为焊缝质量对模型结构的整体和局部性能均有至关重要的影响,所以在焊接操作期间,采取了焊接影响控制措施,尽可能控制焊点高热造成过度形变和内应力改变。焊接影响控制措施是：在特型反力架平台上设置特别夹具,固定拼接施焊构件并且设置反向变形,以点焊固定构件位置。对于较长的满焊缝,采取焊接降温冷却措施。在焊接操作中,注意趁炽热状态,以手锤敲打堆焊层,尽可能降低焊缝收缩,维护其内应力稳定。特型反力架平台及安装完成后的实验模型,具体如图2所示：

图2　特型反力架平台及安装完成后的实验模型

特型反力架平台由支撑、千斤项、地锚、加力架以及测量传感器等组成。其中千斤顶就位于地锚,千斤顶顶端接触作用于模型试样。加载应力由测量传感器实现监控。

2　桥梁桁架焊接热点实验测点布置、约束及加载方案

2.1　桥梁桁架焊接热点实验测点布置

研究具有特定焊接影响细节的桁结构典型局部的应力响应状态,我们需要获得典型局部加载和形变条件下的实验体应力响应信息,故本次实验观测点布置,采取了整体稀疏布片取点与局部加密布片取点相结合的原则。为了测量焊缝周边的应力集中情况,探讨典型局部的应力场分布状态,我们重点选择了I和II两个观测区,它们在整个模型桁架上的位置,具体见图3所示。

图3　典型测区的模型分布图

重点选择I和II两个观测区,主要考虑的是该处存在较多的焊连接,且均为桁结构的重要应力承载点。为方便获取应力分布信息,沿特定方向在构件表面敷贴若干应变片。在应力变化相对剧烈的位置,适当加密贴片,在应力变化相对平缓的区域,贴片设置适当减少。为了测量典型局部的应力场分布状态,在构件截面突变的位置,密集连续布置测点。应变片测区布置,具体见图4所示：

图4　应变片测区实布照片

本次实验应变片与测点统计,如表1所示：

表1　应变片与测点统计表

实验测区测点个数采集器通道数直角应变花三项应变花单向应变片I14643801460II8118855260

2.2　桥梁桁架焊接热点实验测点约束及加载方案

本实验对模型试样的约束有两种状态,分别是1约束和2约束。

在1约束状态下,下弦杆维持自由状态,不施加约束,而上弦杆的两端,则共有6个自由度获得约束。1约束是在上弦杆的两端各设计施加了3根支撑杆,具体如图5所示：

图5　约束1状态示意图

2约束是在1约束的基础上施加,计有10个自由度得到约束,不过它们可以自由进行转动。2约束是在下弦杆的两端分别施加一个支撑杆,2约束可以支持竖向和直水平向位移。

2约束依据1约束的基础,分别在下弦杆两端各增加1根支撑杆,具体如图6所示：

图6　约束2状态示意图

通过给特制气囊充气,可以实现均布载荷加载。进行均布加载时,为了把载荷控制施加到指定值,常规做法是分成四个级别递减加载,如0.080MPa、0.060MPa、0.040MPa、0.020MPa。均布载荷大小,我们由传感器捕捉显示。图7显示的是在下弦杆施加均布载荷的作用力状态。

图7　均布加载状态示意图

3　桥梁桁架缩尺模型热点应力检测分析

3.1　针对I测区的检测分析

处于下弦杆的I测区,是我们重点关注的一个局部测区。实验中我们设置了足量的三向应变花,因此可以在该区任意方向上,很好地得到应力和应变信息,利于我们对该测区实施包含丰富焊接细节的有限元模拟分析。

下弦杆I测区约束1工况下的均布加载最大主应力分布,具体如图8所示。

下弦杆I测区约束2工况下的均布加载最大主应力分布,具体如图9所示。

图8　下弦杆I测区约束1工况下的均布加载主应力分布图

图9　下弦杆I测区约束2工况下的均布加载主应力分布图

通过图8和图9,我们可以得到下弦杆I测区应力分布的一些认识：

(1)测点应变应力值随约束的强化而往往发生减小；

(2)主应力值在焊缝近边的测点处始终较其它测点处要大；

(3)边界条件改变后的应力分布基本保持趋势不变；

(4)相较于单面焊缝,双面焊工艺的热影响区域大,应力均处梯度变化较大的部位；

(5)桁架结构的最大应力范围,基本都位于上(下)两弦杆与工字形斜撑交汇焊接的部位。此最大应力呈现范围,多处于结构焊接点的附近位置,往往这些区域就是结构体疲劳裂纹易于提早萌发的地方。

图10和图11分析均布加载工况下1约束和2约束两种工况条件下,主应力分布状态,它们为我们考察I测区竖直杆近边的主应力分布规律提供信息参考。图中右侧的小图里标示的是测区位置(红色区域)、边界约束信息以及实验所施加的载荷信息。

图10　竖直杆I测区约束1工况下的均布加载主应力分布图

图11　竖直杆I测区约束2工况下的均布加载主应力分布图

由图10以及图11能够发现,竖杆的应力和下弦相比要小,主要是由于在均载环境下,竖杆的轴向应力以及位移都不大,应力遭到干扰最大的位置是在接近下弦杆的焊缝周围,其余位置的应力分布比较一致,这和仿真结论相符。杆上的一道竖直虚线是暗焊缝,在下部应力变化较大的位置还存在一个水平焊缝,能够发现因为下部焊缝更多、情况更复杂,因此应力集中在下部表现得更明显,在图上的表现是下部和两端均存在非常明显的上翘情况；由图上还能够发现,水平焊缝和焊缝四周均存在非常显著的应力集中情况,主要是因为在加工时运用了焊接,在施焊中由于受热不均产生了残余应力,因此造成了应力集中；或许是因为局部存在焊接缺陷,因此造成该处出现较明显的应力集中。

3.2　针对II测区的检测分析

测区II处在上弦杆的焊接节点B0位置,另外本测区在均布载荷条件下是非对称受力。为对弦杆上的应力状况进行分析,图12是均布载荷条件下六约束时的应力分布和具体数值,图13是八约束时的应力分布和具体数值,右边小图给出了载荷、测区部位以及边界约束等相关信息。

由图12与图13能够发现,因为焊缝交叉所以出现了几个应力集中偏大的位置,这里面应力集中最显著的位置是在接近上弦杆顶端和右边焊缝等位置。在对约束方式进行变动之后,应力整体表现的更加平缓,另外应力分布也没有较大差别,测区和上

图12　上弦杆II测区1约束工况下的均布加载主应力分布图

图13　上弦杆II测区2约束工况下的均布加载主应力分布图

述规律相一致。因为焊接节点位置的尺寸变动很大,还有加工时人为造成的部分缺陷,一般也处在焊接节点的焊趾周围,上述构造的特征,造成焊接位置周围出现了应力集中情况,同时其应力状况一般也比较复杂。

4　结论

在包含以及接近焊缝的区域(测区I与II),多种条件下均会产生很大的应力集中区域。在中部竖焊缝两边各存在一个应力集中非常明显的区域。在工字截面的上下弦杆以及斜腹杆接近焊缝位置均存在很大的应力值。上述区域是应力集中最明显的区域,同时亦是最容易产生疲劳裂缝的热点位置。

局部测区的热点区域和应力分布在应力集中方面,不但和附近的焊缝节点存在联系,同时还和模型施加的载荷方式以及范围等存在联系。由实验结论来看,同样的约束环境下,均布载荷变大,应力集中参数变大的速率却在下降,应力集中参数表现出非线性的变动规律。

焊接组件一般都会有初始性的缺陷,在焊接构架里面,构架组件设定不良,连接方式不科学,均是导致应力集中的关键要素。焊接出现的残余应力对焊趾周围的应力分布和应力集中参数均存在很大影响。能够利用更改约束条件,或者更改结构的负载形式以对所有构件的应力分布做进一步的优化,另外局部区域的应力集中情况也能够借助上述办法获得相应的改进。

参考文献

[1]　郭聪. 钢桥节点焊接局部疲劳寿命分析[D]. 大连：大连理工大学,2007.

[2]　李华基. 轨道栋梁与整体节点联接疲劳性能研究[D]. 成都：西南交通大学,2006.

[3]　严辉均. 钢桁架节点刚性次应力及正交异性桥面板计算方法分析[D]. 合肥：合肥工业大学,2007.

[4]　李兆霞,郭力,徐玉兵. 桥梁焊接构件疲劳损伤测试与分析[J]. 东南大学学报(自然科学版),2005(3).