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在诸多桥梁结构形式中,由于钢管混凝土拱桥具有跨径大、承载力高、环境适应性强、施工便利、线形流畅、造型优美、等诸多优点,一出现便受到了人们的青睐和偏爱。随着钢管混凝土拱桥设计理论和施工技术的不断发展,以及在材料加工技术方面的积累,再加上国内经济的快速发展,使钢管混凝土拱桥获得了大发展的良好机遇,在我国道路工程建设中得到了广泛的应用,并且其跨越能力仍在不断增强。
本文研究的是大跨径钢管混凝土拱桥主拱圈焊接对灌注混凝土前主拱圈的稳定影响,在对焊接构件进行合理简化后,采用sysweld软件对大直径厚壁钢管多层多道焊接过程进行了仿真模拟,系统科学的模拟了焊接过程中材料的温度场及应力应变场的变化情况。
再使用ANSYS软件进行构件轴向受压稳定承载力分析,对sysweld软件计算得到的焊接轴向残余应力进行拟合分析,再经过适当简化之后,按照经过试验验证的有限元方法加载到进行稳定性分析的模型上,进行考虑焊接残余应力情况下的极限承载力分析。将之与不考虑焊接残余应力的计算模型进行比较,研究焊接残余应力对稳定性的影响机理。最后再进行参数化分析,考虑焊接残余应力对不同长细比、不同径厚比轴心受压构件的稳定性影响,以及不同等级残余应力对轴心受压构件的稳定承载力影响规律,为工程实践中的设计提供相应的参考。得到以下结论:
(1)在焊缝处vonmise等效应力在钢管内外表面均达到了材料名义屈服强度,而轴向残余应力在钢管内外壁分布规律截然不同,在钢管内壁焊缝处属于拉应力,数值上约0.5倍材料屈服强度,而钢管外壁焊缝处为焊接残余压应力,数量上已达到了材料屈服强度。钢管环向残余应力分布规律与轴向残余应力类似,但是数量值上有所不同,在钢管内壁焊缝处为拉应力,且达到了材料屈服强度,而钢管表面焊缝处是压应力,并达到了材料的名义屈服强度。
(2)不同径厚比钢管焊接残余应力:不同径厚比钢管内外壁vonmise等效应力及轴向应力分布类似,变化趋势相同,并且钢管轴向残余应力沿钢管壁厚近似线性变化。并且钢管轴向残余应力随着径厚比的增加应力值及分布范围增大。基于以上焊接残余应力曲线变化规律提出了相应的厚壁钢管焊接残余应力简化模式,以便于后文对于考虑焊接残余应力下轴心受压构件稳定承载力的计算分析。
(3)随着构件长细比的增加焊接残余应力对构件稳定承载力的影响愈发明显。由修正长细比为30时的3.1%到修正长细比为100时的13%,且在构件修正长细比达到80时焊接残余应力对稳定承载力的降低百分比趋于稳定。
(4)随着构件径厚比的增加,焊接残余应力对构件稳定承载力的影响逐渐减小,但是降低的百分比比较稳定,保持在12%左右,说明构件径厚比的变化对焊接残余应力降低构件稳定承载力无明显影响。
(5)不同等级焊接残余应力对稳定承载力影响不同,但是呈现的规律比较明显,随着轴向焊接残余应力的增加影响增大,当焊缝部位轴向焊接残余应力最大值达到0.8倍材料名义屈服强度时承载力降低约20%,说明在生产实践中可以在构件焊后采取一些措施进行焊接残余应力调控,进而达到提高焊接构件稳定承载力的目的。
本文研究的是大跨径钢管混凝土拱桥主拱圈焊接对灌注混凝土前主拱圈的稳定影响,在对焊接构件进行合理简化后,采用sysweld软件对大直径厚壁钢管多层多道焊接过程进行了仿真模拟,系统科学的模拟了焊接过程中材料的温度场及应力应变场的变化情况。
再使用ANSYS软件进行构件轴向受压稳定承载力分析,对sysweld软件计算得到的焊接轴向残余应力进行拟合分析,再经过适当简化之后,按照经过试验验证的有限元方法加载到进行稳定性分析的模型上,进行考虑焊接残余应力情况下的极限承载力分析。将之与不考虑焊接残余应力的计算模型进行比较,研究焊接残余应力对稳定性的影响机理。最后再进行参数化分析,考虑焊接残余应力对不同长细比、不同径厚比轴心受压构件的稳定性影响,以及不同等级残余应力对轴心受压构件的稳定承载力影响规律,为工程实践中的设计提供相应的参考。得到以下结论:
(1)在焊缝处vonmise等效应力在钢管内外表面均达到了材料名义屈服强度,而轴向残余应力在钢管内外壁分布规律截然不同,在钢管内壁焊缝处属于拉应力,数值上约0.5倍材料屈服强度,而钢管外壁焊缝处为焊接残余压应力,数量上已达到了材料屈服强度。钢管环向残余应力分布规律与轴向残余应力类似,但是数量值上有所不同,在钢管内壁焊缝处为拉应力,且达到了材料屈服强度,而钢管表面焊缝处是压应力,并达到了材料的名义屈服强度。
(2)不同径厚比钢管焊接残余应力:不同径厚比钢管内外壁vonmise等效应力及轴向应力分布类似,变化趋势相同,并且钢管轴向残余应力沿钢管壁厚近似线性变化。并且钢管轴向残余应力随着径厚比的增加应力值及分布范围增大。基于以上焊接残余应力曲线变化规律提出了相应的厚壁钢管焊接残余应力简化模式,以便于后文对于考虑焊接残余应力下轴心受压构件稳定承载力的计算分析。
(3)随着构件长细比的增加焊接残余应力对构件稳定承载力的影响愈发明显。由修正长细比为30时的3.1%到修正长细比为100时的13%,且在构件修正长细比达到80时焊接残余应力对稳定承载力的降低百分比趋于稳定。
(4)随着构件径厚比的增加,焊接残余应力对构件稳定承载力的影响逐渐减小,但是降低的百分比比较稳定,保持在12%左右,说明构件径厚比的变化对焊接残余应力降低构件稳定承载力无明显影响。
(5)不同等级焊接残余应力对稳定承载力影响不同,但是呈现的规律比较明显,随着轴向焊接残余应力的增加影响增大,当焊缝部位轴向焊接残余应力最大值达到0.8倍材料名义屈服强度时承载力降低约20%,说明在生产实践中可以在构件焊后采取一些措施进行焊接残余应力调控,进而达到提高焊接构件稳定承载力的目的。