焊接残余应力对铁路钢桥焊缝区域危险点列车振动动应力影响的研究

1、第31卷第1期2011年2月地 震 工 程 与 工 程 振 动J OURNAL OF EARTHQUAKE ENG I N EER ING AND E NG I NEER I NG V I BRAT ION V o.l 31N o .1F eb .2011收稿日期:2010-11-12; 修订日期:2010-12-20基金项目:国家自然科学基金重点项目(50830203;中央高校基本科研业务费专项资金资助(2010- -060作者简介:刘 嘉(1979-,男,助理研究员,主要从事结构振动控制与疲劳寿命评估的研究.E m ai:l d rli u ji a 126.co m文章编号:1000 1

2、301(201101 0089 06焊接残余应力对铁路钢桥焊缝区域危险点列车振动动应力影响的研究刘 嘉,瞿伟廉,何钟山,何 杰(武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室,湖北武汉430070摘要:本文研究了焊接残余应力对铁路钢桥焊缝区域危险点列车振动动应力的影响。文中,以铜九线鄱阳湖铁路钢桁架桥梁为研究背景,采用符合电弧焊的双椭球热源模型,模拟出桥梁焊缝区域的焊接残余应力分布情况;同时叠加上铜九线鄱阳湖铁路钢桁架桥与焊缝节点连接的构件在列车过桥时的实测动应力,并将其施加在桥梁节点精确有限元模型上,分析得出在不同焊接残余应力作用下对鄱阳湖铁路钢桁架桥危险点的动应力响应的影响规律,得出了焊接

3、残余应力对桥梁焊缝区域危险点列车振动动应力影响很大的结论。关键词:焊接;残余应力;危险点动应力;列车荷载;铁路钢桥中图分类号:P315.96 文献标志码:AResearch on i nfluence of residual stresses on vehicle vi brati on dyna m icalstresses i n wel ding joi nt districts of rail w ay steel bridgeLI U Ji a ,QU W e ili a n,HE Zhongshan ,H E Jie(W uhan Un i versit y ofTechnol o

4、gy ,H ubeiKey Laboratory ofRoadw ay Br i dge and S truct ure Eng i neeri ng ,W uhan 430070,Ch i n aAbst ract :The i n fluence of residua l stresses on vehicle v i b rati o n dyna m ical stresses i n w elding jo i n t districts o f rail w ay stee l br i d ge is i n vesti g ated i n t h e paper .Based

5、 on the Poyang Lake ra il w ay steel tr uss br i d ge located in ra il w ay li n e Tong li n to Jiujiang ,adopti n g t h e double ellipso i d al d i s tribution heat source m odel to m atch the e lectrica lw eld i n g ,the d istri b uti o n of resi d ua l stresses of w e l d i n g jo i n t d istrict

6、s of rail w ay steel bri d ge is si m ulated .M eanw hile ,w e super pose the act u alm easured dyna m ica l stresses o f stee l co m ponen ts ad j a cent to the w elding joints of Poyang Lake ra il w ay steel bri d ge when the train is crossi n g the bridge .Then ,taking both acti o ns on the accur

7、ate fi n ite e le m ent m ode,l the r u les o f resi d ua l stresses on vehicle v i b rati o n dyna m ical stresses in w elding jo i n t d istricts of ra il w ay stee l bridge are obta i n ed ,and the concl u si o n that the resi d ual stresses have a si g nificant effect on the veh i c le v ibra ti

8、 o n dyna m ica l stresses i n w eld i n g j o int d istricts o f ra il w ay steel bri d ge is dra w n .K ey w ords :w elding ;resi d ual stress ;dyna m ical stress at critica l jo i n ts ;veh icle loads ;rail w ay stee l bri d ge 引言铁路钢桥作为交通枢纽在我国铁路运营上起着至关重要的作用,为此,确保它在交通密集的运输形势下的安全性尤为必要。由于铁路钢桥长期承受着列车

9、运营动力荷载,其累积疲劳损伤随时可能发生,并会危及到桥梁自身的安全。美国里海大学F isher 教授对钢结构桥梁破坏和损伤进行了广泛的现场调查和分析研究,发现焊缝节点区域初始缺陷或裂纹形成所导致结构的脆性断裂的事故在数量上居于第二位1,由此可见,研究铁路钢桥节点焊接区域危险点的动应力对于研究铁路钢桥疲劳破坏极其重要。对于铁路钢桥车辆过桥时产生的动应力引起铁路钢桥焊接疲劳的研究,有关学者已经开展了大量的研究2-6,然而最近的研究表明焊接残余应力对桥梁疲劳寿命的影响很大7,焊接残余应力与铁路运营荷载的同时作用会使得铁路桥梁处于低周应变疲劳状态,因此焊接残余应力对铁路钢桥疲劳寿命的影响不容忽视。基于

10、此,本文对焊接残余应力对铁路钢桥焊缝区域危险点列车振动动应力响应的影响进行了研究。文中,以铜九线鄱阳湖铁路钢桁架桥梁为研究背景,采用双椭球热源模型,模拟出移动热源荷载在桥梁焊缝区域产生的焊接残余应力的分布情况;同时根据现场实测的铜九线鄱阳湖铁路钢桁架桥与焊缝节点连接的构件在列车过桥时的动应力,并将其施加在桥梁节点精确有限元模型上,最后,根据焊接残余应力不同消除程度,分析出不同焊接残余应力作用下对鄱阳湖铁路钢桁架桥危险点的列车振动应力响应的影响规律。1 焊接残余应力的模拟对于焊接残余应力的模拟包含以下两个步骤:首先分析出在焊接热源作用下桥梁节点焊缝区域的温度场时程曲线,然后将温度时程曲线作为力学

11、模型的荷载计算出焊缝区域的应力时程曲线,取常温下的应力作为桥梁节点焊缝区域的残余应力。1.1 焊接热源本研究中焊接热源模型采用能反映电弧焊热学性质的双椭球热源分析8,如图1所示,其热源函数表示如下对于前热源:q (x,y ,z ,t=63f f Q a 1bc e -3(x-vt-x 20/a 21e -3y 2/b 2e -3z 2/c 2(1 对于后热源q (x,y ,z ,t=63f f Q a 1bc e -3(x-vt-x 20/a 22e -3y 2/b 2e -3z 2/c 2(2其中,f f 和f r 分别为双椭球热源前后部分的热源分布,且f f +f r =2。v 为焊接速度

12、,t 为焊接时间,x 0为x 方向的焊接初始位置, 为电弧热效率,a 1,a 2,b 和c 分别为电弧焊热源参数。Q 为每单位时间的热密度,Q = UI /V,U 为焊接电压;I 为焊接电流;V 为焊缝单元的体积。各参数的选取如表1所示。表1 焊接参数T able 1 W e l d i ng para m ete rsf f f r U I v a 1a 2b c 1.330.67270V 10A 6mm /s 70%5mm 10mm 3.5mm 5.0mm图1 双椭球型热源模型 F i g .1 D oub l e e lli pso i da l d i str i bu tion he

13、at source m ode l 图2 鄱阳湖铁路大桥的节点有限元模型F i g .2 F i n ite ele m ent model of jo i nt o f P oyang L ake steel bridge90 地 震 工 程 与 工 程 振 动 第31卷对于双椭球焊接热源荷载,可根据焊缝节点的大小与椭球热源的分布形状,确定其在任一时刻椭球热源所涵盖的有限元节点的热源大小,在通用有限元软件ANSYS 中输入生热率来加以实现。1.2 桥梁节点有限元模型本研究以铜九线鄱阳湖铁路钢桁架桥的跨中节点为研究背景建立其有限元分析模型,该热力学模型采用通用有限元分析软件ANSYS 进行建模

14、,整个节点模型采用实体单元建立(图2,其中热学模型采用SOL I D70单元,力学模型采用SOLI D45单元,其中节点数为64119,单元数为128292。分析中,首先采用SOL I D 70单元对该节点模型进行温度场分析,其分析结果将自动为ANSYS 所保存,再将所保留的各节点的温度时程曲线作为荷载,施加在以SOLI D45单元建立的力学有限元模型上,即可实现对该节点有限元模型残余应力的计算,其中奥氏体-马氏体相变效应可根据钢材温度与体积的变化曲线考虑9。1.3 焊接温度场分析根据上节建立的温度场有限元模型以及在热分析中各项参数对该节点模型进行的焊接温度场的分析,节点焊接的整个模拟过程分为

15、升温和冷却2个阶段,每1.67s 为一个步长,共耗时3674s 。其中升温阶段耗时3340s ,2000荷载步,该模型共4条焊缝,每条焊缝各500步;冷却阶段耗时334s ,200 荷载步。图3 t =3507s 时温度场云图F i g .3 T e m pera t ure distributi on when t = 3507s 图4 焊接全过程部分焊接节点温度变化时程曲线F i g .4 T i m e h isto ry o f temperat u re chang e o f eachjo i nt dur i ng we l d i ng process图3给出了在3507s 时

16、节点温度场的等值线分布图。可以看出,焊接温度场的分布极不均匀,在移动热源的作用下,最大焊接温度出现在热源处,热源的附近区域等温线接近一个椭圆圆形,离热源较远的区域等温线接近于一个椭圆形。焊接过程中,温度场以焊接热源为中心,以准稳态的分布规律随热源移动,直至焊件冷却,整个构件温度都接近或等于外界温度。图4给出了在焊缝单元上按照焊接先后顺序选取编号分别为23810,20806,8740,47522的节点的温度变化时程曲线。可以看到,热源沿焊件移动过程中,焊缝按焊接顺序被依次加热,被加热处的节点温度急速升高,梯度很大,到达最高温度,最高温度有2000度以上;此后进入冷却阶段,温度迅速下降, 温度逐渐

17、趋于图5 残余应力V on M i ses 等效应力云图F i g .5 R es i dual von M i ses equ i va lent stress d i str i buti on 环境温度。因此,容易得出焊接过程温度场动态分布规律:热源移动,焊缝处的任何一个节点,温度先急速升高,然后迅速下降,温度升高的梯度明显大于温度下降的梯度,冷却时,节点温度趋于平均值。焊缝单个节点从升温到冷却至外界温度,整个过程大概耗时300s 。1.4 焊接残余应力将所保留的温度场时程作为荷载施加到该节点力学有限元模型上,可实现对该节点的焊接应力的分析,取冷却完全后的结构应力作为该桥梁节点的焊接残余

18、应力。当时间为t =3674s 时,冷却阶段结束,焊件的温度接近预先设定的环境温度,此时的应力可近似认为是焊接残余应力。由于本文研究列车过桥时危险点的动应力,该动应力V on M ises 等效应力作为后续研究中疲劳破坏等效应力,因此图5给出V on M ises 等效残余应力云图。91第1期刘 嘉等:焊接残余应力对铁路钢桥焊缝区域危险点列车振动动应力影响的研究从图中可以看出,焊接残余应力主要分布于焊缝及附近区域,由于焊接模拟过程没有采用消除残余应力的措施,该处有应力集中现象明显。其中最大焊接V on M ises 等效残余应力值为511M Pa ,超过了钢材的屈服强度,最大焊接残余应力位于桥

19、梁节点圆弧过渡处与上盖板的焊趾处。2 焊接残余应力对铁路钢桥焊缝节点区域动应力的影响2.1 工程概况铜九线铁路是我国沿江铁路的重要组成部分,也是连通铜陵至九江的重要交通枢纽,其主桥结构型式为4 120m 连续钢桁架桥,由于该桥为双线铁路桥,通行能力大,列车过桥对桥梁振动造成的疲劳影响不可忽视,而对其疲劳研究的首要条件是研究其动应力,为此对该桥梁在焊接残余应力作用下对其焊缝节点区域动应力的影响尤其重要。本节首先利用上节模拟出的焊接残余应力数据,再根据现场实测的列车过桥时与焊缝节点区域动应力进行叠加,然后考虑焊接残余应力不同消除程度情况下对铁路钢桥焊缝节点区域 的动应力影响大小。图6 鄱阳湖铁路特

20、大桥F i g .6 Poyang Lake rail w ay stee l br i dge2.2 列车动应力的实测图7 应变片布置方案示意图F ig .7 Schem atic p l o t of stra i n sensors i n jo i nts o f steel bridge本研究采用较为成熟的通过获取杆件的动应变来导算出杆件的内力。在该桥梁的第二跨跨中下弦节点连接的所有桁架杆件的近杆端部位的受力截面的上下(或左右安装应变传感器,合计10套应变传感器,以采集每列列车经过时此部分桁架杆件的动应变响应时程,采集频率为100H z(即采集数据的时间间隔为0.01s。相应的布置位

21、置详见图7所示。此外,为了实现在无人看守时该系统仍能正常工作,在第一跨和第四跨的跨中下弦桁架处也分别布置了2套应变传感器,用以测量该桥边跨的动响应来判断列车是否上桥,系统是否开始采集数据,因此整套传感系统具有智能性,无需人工测量。此外,由于鄱阳湖大桥自重作用下也会对与其相连接的杆件产生相应的应力,因此在将采集到的应变数据转化为杆件的内力前必须计算出在自重作用下,鄱阳湖大桥节点处相连的各杆件的自重应力,本项目采用通用有限元程序ANSYS 对桥梁自重作用下与节点相连的各杆件的自重应力,在计算过程中,由于自重产生的杆端弯矩非常小,因此予以忽略,只计入其产生的轴向应力,计算结果如表2所示:表2 自重作

22、用下,各杆件的轴向应力(M P aT able 2 A x i a l stress o f each co m ponen t i n j o i nts of stee l br i dg e under grav ity load i ng左下弦杆左斜腹杆竖杆右斜腹杆右下弦杆13.159-1.68-3.06511.2987.5 将采集到的应变数据通过应力-应变关系得出轴力弯矩时程,此时再叠加上实测出的各杆件的轴向应力,即可以得出考虑自重应力的情况下,与鄱阳湖大桥该节点相连的各杆件的轴向应力以及弯矩,由于杆件92 地 震 工 程 与 工 程 振 动 第31卷杆端弯矩与其轴向应力相比可以忽略

23、,因此在研究中杆件内力的计算仅保留各杆件的轴向应力。图8给出了一列具有1节车头56节货车车厢的列车以70km/h的速度经过铜九线鄱阳湖大桥钢桁架桥时采集到的5 根杆件轴向动应力时程曲线。(a左下弦杆轴应力 (b左斜腹杆轴应力 (c 竖杆轴应力 (d右斜腹杆轴应力 (e右下弦杆轴应力图8 杆件实测轴向应力时程曲线(M P aF ig.8 T i m e h istory of ax ial stress m easured f o r each chord2.3 焊接残余应力对铁路钢桥焊缝节点区域列车振动动应力影响在鄱阳湖铁路钢桁架桥焊缝节点有限元精确模型中读入焊接残余应力作为初始应力,然后施加

24、上节所得到的外荷载,可对整个节点列车振动动应力响应进行分析。本研究计算了当一列具有1节车头56节货车车厢的列车以70km/h的速度经过铜九线鄱阳湖大桥钢桁架桥时,该下弦节点在六种不同初始焊接残余应力数值下的动应力响应,其中提取危险点(图5所示的Von-M ises等效应力曲线如图9 所示。(a未消除焊接残余应力 (b消除20%焊接残余应力 (c消除40% 焊接残余应力(d消除60%焊接残余应(e消除80%焊接残余应力(f不考虑焊接残余应力图9 六种情况下危险点V on-M ises等效应力时程曲线F i g.9 T i m e h i stor i es o f V on M ises equ

25、 i va lent stresses at cr iti ca l po i nts under6conditions93第1期刘 嘉等:焊接残余应力对铁路钢桥焊缝区域危险点列车振动动应力影响的研究94 地 震 工 程 与 工 程 振 动 第 31卷 由图 9( a和图 9( f 对比可知, 当焊接节点考虑焊接残余应力作用时, 两种情况下危险点的 Von M ises 等效应力曲线变化规律相似, 但是两者大小相差约十倍, 这说明焊接残余应力起到了很大的作用, 不能将其 忽略。由图 9( b、 c 、 d、 e 可知, 四种情况下危险点的 Von- M ises等效应力曲线变化规律同样相 9(

26、 9( 9( 似。焊接残余应力消除得越多, 危险点的 V on- M ises等效应力曲线变化的幅度即应力幅越小。图 9( b 中 等效应力曲线的应力幅约为 35 MP a 图 9( c 中等效应力曲线的应力幅约为 25 M Pa 图 9( d 中等效应力曲 , , 线的应力幅约为 12 M Pa 9( e中等效应力曲线的应力幅约为 5 MP a , 。 按照焊接残余应力场分析中取消除 40 后 ( 目前钢桥焊接中常用的锤击、 % 超声冲击等消除焊接残余应 力的方法 的结果为节点模型的实际焊接残余应力, 由图 9( c 可知该节点模型在列车行驶作用下, 其危 险点的 V on- M ises等

27、效应力超过了高强度钢的屈服强度 ( 345 pa, 危险点将发生低周应变疲劳破坏。 M 10 3 结论 根据本文的研究, 可以得出如下结论: ( 1 对焊接整体节点温度场和应力场的分布进行了三维动态模拟, 计算了不同时刻的温度场分布和最 终的焊接残余应力场, 计算结果与理论结果具有类似的规律。 ( 2 采用实际测量的方法获取杆件的动应变来计算出杆件的内力, 避免了数值模拟杆件内力计算中的 误差, 为下步的整体节点动应力分析计算提供了准确的荷载数据, 保证了计算结果的真实性。 ( 3 由整体节点的动应力分析可知, 当考虑焊接残余应力作用时, 整体节点中危险点的 Von- M ises等效 应力超

28、过了高强度钢的屈服强度 ( 345M pa, 危险点将发生低周应变疲劳破坏。 ( 4 有关考虑焊接残余应力对铁路钢桥疲劳寿命的研究将另文专述。 参考文献: 1 2 3 4 5 6 Fisher J W. Fatigue and fractu re in steel bridges case study M . John W iley Sons 1984 : , . L i Z X, Chan TH T, K o J M. D eter ination of effective stress range and its app lication on fatigue stress assessm

29、 ent of ex ist ing bridges J . In ter m national Jou rnal of So lids and S tructu res 2002, 39 ( 9 : 2401- 2417 , . L i ZX, Chan THT. Fat igu e criteria for integrity assess en t of long- span s teel bridge w ith health m on itoring J. 2006 46 ( 2 : 114- 127 m , . L iu M , Frangopol D M, Kw on K. Fatigue reliab ility assess en t of retrofitte