钢箱梁焊接残余应力和结构应力耦合计算模型的建立方法技术

本发明专利技术公开了钢箱梁焊接残余应力和结构应力耦合计算模型的建立方法，包括：对大跨度桥梁钢箱梁体系进行模拟，建立钢箱梁节段模型；利用子模型方法，建立顶板纵肋焊接细节局部精细模型；将所得顶板纵肋焊接细节局部精细模型嵌入钢箱梁节段模型之中，得到整体钢箱梁多尺度模型；采用热结构耦合法对整体钢箱梁多尺度模型进行顶板纵肋焊接过程温度场、应力场的模拟，及进行车辆荷载的模拟，计算得到钢箱梁焊接细节的真实应力时程。本发明专利技术在用于扁平钢箱梁的疲劳荷载效应分析时，建模简单、计算高效、结果准确，为大型正交异性钢桥面板的结构设计及焊接细节的疲劳设计提供了更为合理的计算模型及建立方法，具有很好的实用价值，可得到广泛推广和应用。

【技术实现步骤摘要】
钢箱梁焊接残余应力和结构应力耦合计算模型的建立方法
本专利技术涉及钢箱梁焊接残余应力和结构应力耦合计算模型的建立方法，属于大跨度桥梁结构分析与设计

技术介绍
随着桥梁结构跨度的不断增加，具有高强轻质性能的结构形式成为桥梁建设的首选。带正交异性钢桥面板的扁平钢箱梁由于其整体性强、自重轻、承载力高、施工方便且具有良好的气动性能等优点而被逐步采用作为大跨度桥梁的主梁结构。然而，近年来钢箱梁的疲劳问题却日益突出，建设较早的虎门大桥(建成时间1997年)、江阴长江大桥(建成时间1999年)和南京长江二桥(建成时间2001年)陆续发现疲劳裂纹，距建成通车仅为10年左右，大跨桥梁中扁平钢箱梁的过早疲劳开裂导致了巨大的经济损失和安全隐患。在钢桥面板出现的各种疲劳病害中，出现最多的是钢桥面板顶板-纵肋焊接细节的疲劳裂纹。钢桥面板制造过程中大量采用焊接工艺，焊接过程的不均匀温度场以及由其引起的局部塑性变形不可避免地产生残余应力，焊缝处高值残余应力的存在，叠合外荷载作用将对循环应力幅较低的高周疲劳寿命影响显著。因此，在对钢箱梁进行疲劳荷载效应分析时，有必要建立一种计算效率高、计算结果精确的焊接残余应力和结构应力耦合计算模型。应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的
技术介绍
部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种钢箱梁焊接残余应力和结构应力耦合计算模型的建立方法，解决现有方法在对钢箱梁进行疲劳荷载效应分析时计算精度不高且不准确的问题。本专利技术具体采用以下技术方案解决上述技术问题：一种钢箱梁焊接残余应力和结构应力耦合计算模型的建立方法，包括以下步骤：步骤1、对大跨度桥梁钢箱梁体系进行模拟，建立钢箱梁节段模型；步骤2、利用子模型方法，建立顶板纵肋焊接细节局部精细模型；步骤3、将所得顶板纵肋焊接细节局部精细模型嵌入钢箱梁节段模型之中，得到整体钢箱梁多尺度模型；步骤4、采用热结构耦合法对整体钢箱梁多尺度模型进行顶板纵肋焊接过程温度场、应力场的模拟，及进行车辆荷载的模拟，计算得到钢箱梁焊接细节的真实应力时程。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤1大跨度桥梁钢箱梁体系的顶板、顶板纵肋、底板、底板纵肋、横隔板和腹板均采用壳单元进行模拟。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤1大跨度桥梁钢箱梁体系的纵隔板根据桁架式和实腹式类型分别采用梁单元和壳单元进行模拟。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案：所述步骤1还包括对钢箱梁节段模型两侧截断面上全部节点约束X、Y、Z三轴的位移自由度。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤2利用子模型方法建立顶板纵肋焊接细节局部精细模型，具体为：步骤2.1、从钢箱梁节段模型中切割出一段顶板和顶板纵肋，采用实体单元对顶板、顶板纵肋以及焊缝进行建模并精细网格划分，得到顶板纵肋焊接细节局部精细模型；步骤2.2、对钢箱梁节段模型进行较粗网格划分，及施加车辆荷载并计算求解，得出顶板纵肋焊接细节局部精细模型边界部位的位移响应；步骤2.3、将所得的位移响应作为边界条件，采用线性插值法施加到顶板纵肋焊接细节局部精细模型的切割边界。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤3得到整体钢箱梁多尺度模型，具体为：步骤3.1、从钢箱梁节段模型中删除与顶板纵肋焊接细节局部精细模型坐标一致、尺寸相同的壳单元；步骤3.2、从钢箱梁节段模型中继续删除在顶板纵肋焊接细节局部精细模型的周围相邻壳单元；步骤3.3、将顶板纵肋焊接细节局部精细模型嵌入钢箱梁节段模型之中，顶板纵肋焊接细节局部精细模型周围相邻单元为实体单元与壳单元之间的衔接单元，按照相邻单元边界上网格尺寸逐一自由划分网格，得到整体钢箱梁多尺度模型。进一步地，作为本专利技术的一种优选技术方案，所述步骤4采用热结构耦合法模拟，具体为：步骤4.1、对整体钢箱梁多尺度模型进行焊接温度场模拟，于顶板纵肋焊接细节局部精细模型外表面施加对流边界条件，采用生死单元方法模拟焊料填充，得到热分析结果；步骤4.2、将整体钢箱梁多尺度模型中所有壳单元杀死，对顶板纵肋焊接细节局部精细模型施加位移边界条件和约束；步骤4.3、对整体钢箱梁多尺度模型进行焊接应力场模拟，将步骤4.1所得到的热分析结果作为体荷载施加到节点上进行结构分析；步骤4.4、将整体钢箱梁多尺度模型中所有壳单元激活，对整体钢箱梁多尺度模型两侧截断面上全部节点约束X、Y、Z三轴的位移自由度；在焊接过程模拟完成后，继续施加车辆荷载，计算得到钢箱梁焊接细节的真实应力时程。本专利技术采用上述技术方案，能产生如下技术效果：本专利技术的方法，在用于钢箱梁的疲劳荷载效应分析时，较完整地考虑了车辆荷载产生的结构应力与焊接过程产生的残余应力之间的耦合效应：①计算模型采用生死单元技术和热-结构耦合方法进行焊接细节的焊接过程模拟，焊接过程模拟完成后，继续施加车辆荷载，从而考虑了焊接残余应力和车辆荷载应力的耦合效应；②整体钢箱梁多尺度模型仅在局部顶板-纵肋焊接细节采用实体单元并进行网格加密，其余钢箱梁结构仍采用网格较大的壳单元，大大减少了整体模型的单元网格划分个数。因此，该计算模型在用于扁平钢箱梁的疲劳荷载效应分析时，建模简单、计算高效、结果准确，为大型正交异性钢桥面板的结构设计及焊接细节的疲劳设计提供了更为合理的计算模型及其建立方法，具有很好的实用价值，可得到广泛推广和应用。附图说明图1为本专利技术实施例钢箱梁焊接残余应力和结构应力耦合计算模型建立方法的流程图；图2为本专利技术实施例江阴长江大桥钢箱梁节段模型示意图；图3(a)和图3(b)分别为本专利技术顶板纵肋焊接细节设计尺寸和顶板纵肋焊接细节局部精细模型；图4为本专利技术实施例江阴长江大桥整体钢箱梁多尺度有限元模型；图5(a)和图5(b)分别为本专利技术顶板纵肋焊接细节局部精细模型的温度场和应力场计算结果；图6(a)和图6(b)分别为超重车疲劳荷载模型纵、横截面示意图；图6(c)为本专利技术实施例移动超重车荷载加载位置；图7为本专利技术实施例中考虑焊接残余应力与车辆荷载应力的耦合效应之后，所计算得到焊接细节的真实应力时程曲线。具体实施方式下面结合说明书附图对本专利技术的实施方式进行描述。如图1所示，本专利技术设计了一种钢箱梁焊接残余应力和结构应力耦合计算模型的建立方法，该方法具体包括以下步骤：步骤1、对大跨度桥梁钢箱梁体系进行有限模拟，建立钢箱梁节段模型。基于ANSYS有限元分析软件，根据大跨桥梁钢箱梁结构体系的设计图纸和资料，对顶板、顶板纵肋、底板、底板纵肋、横隔板和腹板均采用壳单元进行模拟，对纵隔板根据桁架式和实腹式类型分别采用梁单元和壳单元进行模拟。此外，钢箱梁节段模型的边界条件处理为：根据实际桥梁结构中钢箱梁结构的约束情况，对钢箱梁节段模型两侧截断面上全部节点约束X、Y、Z三轴的位移自由度。步骤2、利用子模型方法，建立顶板纵肋焊接细节局部精细模型，具体过程如下：步骤2.1、从钢箱梁节段模型中切割出一段顶板和顶板纵肋，按照焊接细节设计图纸，采用实体单元对顶板、顶板纵肋以及焊缝进行建模并精细网格划分，焊缝处网格尺寸取为2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.钢箱梁焊接残余应力和结构应力耦合计算模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、对大跨度桥梁钢箱梁体系进行模拟，建立钢箱梁节段模型；步骤2、利用子模型方法，建立顶板纵肋焊接细节局部精细模型；步骤3、将所得顶板纵肋焊接细节局部精细模型嵌入钢箱梁节段模型之中，得到整体钢箱梁多尺度模型；步骤4、采用热结构耦合法对整体钢箱梁多尺度模型进行顶板纵肋焊接过程温度场、应力场的模拟，及进行车辆荷载的模拟，计算得到钢箱梁焊接细节的真实应力时程。

【技术特征摘要】
1.钢箱梁焊接残余应力和结构应力耦合计算模型的建立方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、对大跨度桥梁钢箱梁体系进行模拟，建立钢箱梁节段模型；步骤2、利用子模型方法，建立顶板纵肋焊接细节局部精细模型；步骤3、将所得顶板纵肋焊接细节局部精细模型嵌入钢箱梁节段模型之中，得到整体钢箱梁多尺度模型；步骤4、采用热结构耦合法对整体钢箱梁多尺度模型进行顶板纵肋焊接过程温度场、应力场的模拟，及进行车辆荷载的模拟，计算得到钢箱梁焊接细节的真实应力时程。2.根据权利要求1所述钢箱梁焊接残余应力和结构应力耦合计算模型的建立方法，其特征在于：所述步骤1大跨度桥梁钢箱梁体系的顶板、顶板纵肋、底板、底板纵肋、横隔板和腹板均采用壳单元进行模拟。3.根据权利要求1所述钢箱梁焊接残余应力和结构应力耦合计算模型的建立方法，其特征在于：所述步骤1大跨度桥梁钢箱梁体系的纵隔板根据桁架式和实腹式类型分别采用梁单元和壳单元进行模拟。4.根据权利要求1所述钢箱梁焊接残余应力和结构应力耦合计算模型的建立方法，其特征在于：所述步骤1还包括对钢箱梁节段模型两侧截断面上全部节点约束X、Y、Z三轴的位移自由度。5.根据权利要求1所述钢箱梁焊接残余应力和结构应力耦合计算模型的建立方法，其特征在于：所述步骤2利用子模型方法建立顶板纵肋焊接细节局部精细模型，具体为：步骤2.1、从钢箱梁节段模型中切割出一段顶板和顶板纵肋，采用实体单元对顶板、顶板纵肋以及焊缝进行建模并精细网格划分，得到顶板纵肋焊接细节局部精细模型；步骤2.2、对钢箱梁节段模型进行较粗网格划分，及施加车辆荷载并计算求解，得出顶板纵肋焊接细节局部精细模型边界部位的位移响应；步骤2.3、将所得的位移响应作为边界条件，采用线性插值法施加到顶板纵肋焊接细节局部精细模型的切割边界...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁幼亮，钟雯，宋永生，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32