焊接残余应力致不锈钢梁截面纤维低下的原因分析

焊接残余应力致不锈钢梁截面纤维低下的原因分析

在焊接工艺的不锈钢梁上，由于翼边缘和腹部板之间的残余拉压力通常超过不锈钢材料的名义屈服强度，因此不锈钢梁在加载初期进入非弹性工作阶段。梁截面上分布的残余应力,不仅使不锈钢梁过早地达到屈服,还降低了截面的有效刚度和梁侧扭屈曲的极限承载力。因此,残余应力对不锈钢梁侧扭屈曲的影响便显得十分重要。由于目前国外对不锈钢梁的研究主要集中在冷弯截面,本文作者已经对焊接工字形不锈钢梁的整体稳定性能进行了较为系统的研究,并取得了一定成果。但是由于我国尚未对焊接不锈钢截面的残余应力分布进行相关试验研究,提出残余应力分布模型,所以本文就残余应力对焊接不锈钢梁侧扭屈曲的影响进行了分析研究,以完善对焊接不锈钢梁的整体稳定性能的研究。1残余应力分布模型的建立欧洲对不锈钢焊接截面残余应力分布的研究开展较早,Lagerqvist和Olsson测量了奥氏体型和双相体型不锈钢焊接截面的残余应力分布,但没有提出建议的分布模型;Ashra1和Gardner在有限元分析中建议采用如图1所示的残余应力分布模式(正值表示残余拉应力,负值表示残余压应力),Gardner通过一系列的试验研究,提出了不锈钢焊接工字形截面的残余应力分布模型(如图2),其中残余压应力根据全截面的内力自相平衡的条件来确定。这两种残余应力分布模型的分布模式基本相同,只是残余应力峰值的取值和分布面积不同。为了便于对残余应力分布的影响进行参数化分析,本文采用图1所建议的残余应力分布,将残余应力以初始应力的方式施加到有限元模型中,同时为了有限元建模与计算的方便,对于有限元模型中同一个单元的不同积分点,施加相同的残余应力数值。施加残余应力后有限元模型截面的应力分布如图3所示(f0.2=205MPa)。2应力-应变关系方程本文采用有限元软件ANSYS进行参数化分析,采用壳单元Shell181建立均布荷载作用下两端简支的不锈钢工字梁的有限元分析模型(计算简图如图4所示),该单元是4结点单元,每个结点有6个自由度,支持非线性屈曲分析和初始应力的输入。有限元分析所采用的工字形截面尺寸是216mm×100mm×6mm×8mm,有限元模型的初始几何缺陷参考构件的一阶屈曲模态,初始缺陷峰值取为梁长的1/1000(图5b)。不锈钢是一种典型的非线性材料,其应力-应变关系方程可以用RambergOsgood方程来描述:对于焊接工字形不锈钢梁,由于焊接残余应力的存在,一开始加荷,梁就进入了非弹性工作阶段,梁截面部分纤维屈服,降低了截面的刚度。为了考虑残余应力对梁侧扭屈曲性能的影响,方便进行参数化分析,本文采用第一种残余应力分布模型进行研究(图1),残余应力具体的分布方式按照翼缘和腹板各自的内力平衡来确定。3参数化分析对影响因素的影响3.1侧扭临界弯矩由于工字形截面的腹板对梁侧向抗弯刚度和翘曲刚度的贡献很小,所以主要分析了翼缘残余拉应力和压应力面积变化对梁侧扭屈曲承载力的影响。图6中横坐标是正则化长细比,Mp是全截面达到名义屈服强度时的截面塑性弯矩,ME是不计残余应力影响的弹性侧扭临界弯矩,Mcr是有限元计算得到的极限弯矩。由图6可以看出,尽管翼缘的拉应力和压应力区域发生了较大变化,但是对梁的侧扭屈曲承载力影响不大。因此,只要截面的残余应力峰值相同,按照整个截面或者按照翼缘和腹板上各自的内力平衡条件确定的残余应力分布模型对焊接工字形不锈钢梁侧扭屈曲性能的影响不大。3.2其余拉应力的峰值是由翼边缘和腹部螺钉之间的由图7可看出,改变焊接工字形截面翼缘与腹板连接处的残余拉应力峰值(残余压应力峰值保持不变),对梁侧扭屈曲承载力的影响几乎可以忽略。3.3腹部其余压力的峰值由图8可以看出,只改变腹板的残余压应力峰值fwc对梁的侧扭曲线影响十分小。3.4ffc对侧扭曲线的影响由图9可以看出,仅改变翼缘端部的残余压应力峰值ffc,对梁的侧扭曲线影响较为显著。尤其是在受压翼缘屈服后,ffc越大,梁的侧扭屈曲承载力越低。但是当ffc增大到一定程度时(ffc≥0.25f0.2),这种影响便逐渐减弱了。3.5截面高宽比对梁的侧扭曲线的影响本文还研究了截面尺寸对不锈钢梁侧扭屈曲性能的影响,由图10可以看出,梁的侧扭曲线随着截面高宽比的增大逐渐降低,但在常用的高宽比范围内(h/b=2~4),这种影响比较小。这与焊接钢梁的研究成果比较一致。4侧扭屈曲性能的影响因素1)本文较为系统地分析了残余应力分布对焊接工字形不锈钢梁侧扭屈曲性能的影响,使对焊接工字形不锈钢梁整体稳定性能的研究更加完善,证明了对于焊接不锈钢梁,影响其侧扭屈曲性能的主要因素是翼缘的残余压应力峰值。2)梁的侧扭屈曲承载力随着压应力峰值的增大而减小,但当残余压应力峰值增大到一定程度后(ffc≥0.25f0.2),梁的侧扭屈曲承载力变化不大。3)翼缘残余拉应力和压应力图形面积的变化、残余拉应力峰值、腹板残余压应